電腦工作原理是什么?
我們先從最早的電腦講起,人們?cè)谧畛踉O(shè)計(jì)電腦時(shí)采用這樣一個(gè)模型:
人們通過(guò)輸入設(shè)備把需要處理的信息輸入電腦,電腦通過(guò)中央處理器把信息加工后,再通過(guò)輸出設(shè)備把處理后的結(jié)果告訴人們。
其實(shí)這個(gè)模型很簡(jiǎn)單,舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子,你要處理的信息是1+1,你把這個(gè)信息輸入到電腦中后,電腦的內(nèi)部進(jìn)行處理,再把處理后的結(jié)果告訴你。
早期電腦的輸入設(shè)備十分落后,根本沒(méi)有現(xiàn)在的鍵盤(pán)和鼠標(biāo),那時(shí)候電腦還是一個(gè)大家伙,最早的電腦有兩層樓那么高。人們只能通過(guò)扳動(dòng)電腦龐大的面板上無(wú)數(shù)的開(kāi)頭來(lái)向電腦輸入信息,而電腦把這些信息處理之后,輸出設(shè)備也相當(dāng)簡(jiǎn)陋,就是電腦面板上無(wú)數(shù)的信號(hào)燈。所以那時(shí)的電腦根本無(wú)法處理像現(xiàn)在這樣各種各樣的信息,它實(shí)際上只能進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算。
當(dāng)時(shí)人們使用電腦也真是夠累的。但在當(dāng)時(shí),就算是這種電腦也是極為先進(jìn)的了,因?yàn)樗讶藗儚姆敝氐氖止び?jì)算中解脫出來(lái),而且極大地提高了計(jì)算速度。
隨著人們對(duì)電腦的使用,人們發(fā)現(xiàn)上述模型的電腦能力有限,在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)就越發(fā)顯得力不從心。為些人們對(duì)電腦模型進(jìn)行了改進(jìn),提出了這種模型:
就是在中央處理器旁邊加了一個(gè)內(nèi)部存儲(chǔ)器。這個(gè)模型的好處在于。先打個(gè)比方說(shuō),如果老師讓你心算一道簡(jiǎn)單題,你肯定毫不費(fèi)勁就算出來(lái)了,可是如果老師讓你算20個(gè)三位數(shù)相乘,你心算起來(lái)肯定很費(fèi)力,但如果給你一張草稿紙的話(huà),你也能很快算出來(lái)。
可能你會(huì)問(wèn)這和電腦有什么關(guān)系?其實(shí)電腦也是一樣,一個(gè)沒(méi)有內(nèi)部存儲(chǔ)器的電腦如果讓它進(jìn)行一個(gè)很復(fù)雜的計(jì)算,它可能根本就沒(méi)有辦法算出來(lái),因?yàn)樗拇鎯?chǔ)能力有限,無(wú)法記住很多的中間的結(jié)果,但如果給它一些內(nèi)部存儲(chǔ)器當(dāng)“草稿紙”的話(huà),電腦就可以把一些中間結(jié)果臨時(shí)存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)器上,然后在需要的時(shí)候再把它取出來(lái),進(jìn)行下一步的運(yùn)算,如此往復(fù),電腦就可以完成很多很復(fù)雜的計(jì)算。
隨著時(shí)代的發(fā)展,人們?cè)絹?lái)越感到電腦輸入和輸出方式的落后,改進(jìn)這兩方面勢(shì)在必行。在輸入方面,為了不再每次扳動(dòng)成百上千的開(kāi)頭,人們發(fā)明了紙帶機(jī)。紙帶機(jī)的工作原理是這樣的,紙帶的每一行都標(biāo)明了26個(gè)字母、10個(gè)數(shù)字和一些運(yùn)算符號(hào),如果這行的字母A上面打了一個(gè)孔,說(shuō)明這里要輸入的是字母A,同理,下面的行由此類(lèi)推。這樣一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的紙帶就可以代表很多的信息,人們把這個(gè)紙帶放入紙帶機(jī),紙帶機(jī)還要把紙帶上的信息翻譯給電腦,因?yàn)殡娔X是看不懂這個(gè)紙帶的。
這樣雖然比較麻煩,但這個(gè)進(jìn)步確實(shí)在很大程度上促進(jìn)了電腦的發(fā)展。在發(fā)明紙帶的同時(shí),人們也對(duì)輸出系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),用打印機(jī)代替了電腦面板上無(wú)數(shù)的信號(hào)燈。打印機(jī)的作用正好和紙帶機(jī)相反,它負(fù)責(zé)把電腦輸出的信息翻譯成人能看懂的語(yǔ)言,打印在紙上,這樣人們就能很方便地看到輸出的信息,再也不用看那成百上千的信號(hào)燈了。
不過(guò)人們沒(méi)有滿(mǎn)足,他們繼續(xù)對(duì)輸入和輸出系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。后來(lái)人們發(fā)明了鍵盤(pán)和顯示器。這兩項(xiàng)發(fā)明使得當(dāng)時(shí)的電腦和我們現(xiàn)在使用的電腦有些類(lèi)似了,而且在些之前經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的改進(jìn),電腦的體積也大大地縮小了。鍵盤(pán)和顯示器的好處在于人們可以直接向電腦輸入信息,而電腦也可以及時(shí)把處理結(jié)果顯示在屏幕上。
可是隨著人們的使用,逐漸又發(fā)現(xiàn)了不如意之處。因?yàn)槿藗円螂娔X輸入的信息越來(lái)越多,往往要輸入很長(zhǎng)時(shí)間后,才讓電腦開(kāi)始處理,而在輸入過(guò)程中,如果停電,那前面輸入的內(nèi)容就白費(fèi)了,等來(lái)電后,還要全部重新輸入。就算不停電,如果人們上次輸入了一部分信息,電腦處理理了,也輸出了結(jié)果;人們下一次再需要電腦處理這部分信息的時(shí)候,還要重新輸入。對(duì)這種重復(fù)勞動(dòng)的厭倦導(dǎo)致了電腦新的模型的產(chǎn)生。
這回的模型是這樣的:
這回增加了一個(gè)外部存儲(chǔ)器。外部存儲(chǔ)器的“外部”是相對(duì)于內(nèi)部存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)的,在中央處理器處理信息時(shí),它并不直接和外部存儲(chǔ)器打交道,處理過(guò)程中的信息都臨時(shí)存放在內(nèi)部存儲(chǔ)器中,在信息處理結(jié)束后,處理的結(jié)果也存放在內(nèi)部存儲(chǔ)器中。可是如果這時(shí)突然停電,那些結(jié)果還會(huì)丟失的。內(nèi)部存儲(chǔ)器(或簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)存)中的信息是靠電力來(lái)維持的,一旦電力消失,內(nèi)存中的數(shù)據(jù)就會(huì)全部消失。也正因?yàn)槿绱?,人們才在電腦模型中加入了外部存儲(chǔ)器,把內(nèi)存中的處理結(jié)果再存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器中,這樣停電后數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失了。
外部存儲(chǔ)器與內(nèi)存的區(qū)別在于:它們的存儲(chǔ)機(jī)制是不一樣的,外部存儲(chǔ)器是把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到磁性介質(zhì)上,所以不依賴(lài)于是否有電。這個(gè)磁性介質(zhì)就好比家里的歌曲磁帶,磁帶上的歌曲不管有沒(méi)有電都是存在的。當(dāng)時(shí)人們也是考慮到了磁帶這種好處,所以在電腦的外部存儲(chǔ)器中也采用了類(lèi)似磁帶的裝置,比較常用的一種叫磁盤(pán)。
磁盤(pán)本來(lái)是圓的,不過(guò)裝在一個(gè)方的盒子里,這樣做的目的是為了防止磁盤(pán)表面劃傷,導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。
有了磁盤(pán)之后,人們使用電腦就方便多了,不但可以把數(shù)據(jù)處理結(jié)果存放在磁盤(pán)中,還可以把很多輸入到電腦中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到磁盤(pán)中,這樣這些數(shù)據(jù)可以反復(fù)使用,避免了重復(fù)勞動(dòng)。
可是不久之后,人們又發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)問(wèn)題,人們要存儲(chǔ)到磁盤(pán)上的內(nèi)容越來(lái)越多,眾多的信息存儲(chǔ)在一起,很不方便。這樣就導(dǎo)致了文件的產(chǎn)生。
這和我們?nèi)粘I钪械奈募行┫嗨?。我們?nèi)粘I钪械奈募怯梢恍┫嚓P(guān)信息組成,電腦的文件也是一樣。人們把信息分類(lèi)整理成文件存儲(chǔ)到磁盤(pán)上,這樣,磁盤(pán)上就有了文件1、文件2……。
可是在使用過(guò)程中,人們又漸漸發(fā)現(xiàn),由人工來(lái)管理越來(lái)越多的文件是一件很痛苦的事情。為了解決這個(gè)問(wèn)題,人們就開(kāi)發(fā)了一種軟件叫操作系統(tǒng)。
其實(shí)操作系統(tǒng)就是替我們管理電腦的一種軟件,在操作系統(tǒng)出現(xiàn)之前,只有專(zhuān)業(yè)人士才懂得怎樣使用電腦,而在操作系統(tǒng)出現(xiàn)之后,不管你是否是電腦專(zhuān)業(yè)畢業(yè),只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn),你都能很容易地掌握電腦。
有了操作系統(tǒng)之后,我們就不直接和電腦的硬件打交道,不直接對(duì)這些硬件發(fā)號(hào)施令,我們把要的事情告訴操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)再把要作的事情安排給電腦去作,等電腦做完之后,操作系統(tǒng)再把結(jié)果告訴我們,這樣就省事多了。
在操作系統(tǒng)出現(xiàn)之前,人們通過(guò)鍵盤(pán)給電腦下達(dá)的命令都是特別專(zhuān)業(yè)的術(shù)語(yǔ),而有了操作系統(tǒng)之后,人們和電腦之間的對(duì)話(huà)就可以使用一些很容易懂的語(yǔ)言,而不用去死記硬背那些專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)了。
操作系統(tǒng)不但能在電腦和人之間傳遞信息,而且字還負(fù)責(zé)管理電腦的內(nèi)部設(shè)備和外部設(shè)備。它替人們管理日益增多的文件,使人們能很方便地找到和使用這些文件;它替人們管理磁盤(pán),隨時(shí)報(bào)告磁盤(pán)的使用情況;它替電腦管理內(nèi)存,使電腦能更高效而安全地工作;它還負(fù)責(zé)管理各種外部設(shè)備,如打印機(jī)等,有了它的管理,這些外設(shè)就能有效地為用戶(hù)服務(wù)了。
也正因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)這么重要,所以人們也在不斷地改進(jìn)它,使它的使用更加方面,功能更加強(qiáng)大。對(duì)于咱們現(xiàn)在使用的微機(jī)來(lái)說(shuō),操作系統(tǒng)主要經(jīng)歷了DOS、Windows 3.X、Windows95和Windows98這幾個(gè)發(fā)展階段。
在DOS階段,人們和電腦打交道,還是主要靠輸入命令,“你輸入什么命令,電腦就做什么,如果你不輸入,電腦就什么也不做”。在這一階段,人們還是需要記住很多命令和它們的用法,如果忘記了或不知道,那就沒(méi)有辦法了。所以說(shuō),這時(shí)的電腦還是大太好用,操作系統(tǒng)也處于發(fā)展的初級(jí)階段。Windows的出現(xiàn)在很大程度上彌補(bǔ)了這個(gè)不足,人們?cè)谑褂肳indows時(shí),不必記住什么命令,只需要用鼠標(biāo)指指點(diǎn)點(diǎn)就能完成很多工作。而當(dāng)操作系統(tǒng)發(fā)展到Windows95之后,使用電腦就變得更加簡(jiǎn)單。
現(xiàn)在我們來(lái)簡(jiǎn)單總結(jié)一下上面我們講的一些內(nèi)容。經(jīng)過(guò)人們幾十年的努力,電腦的組成結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本定型,現(xiàn)在我們?nèi)粘J褂玫奈C(jī)在硬件方面可以用下圖表示:這里CPU就是我們以前談到的中央處理器的英文縮寫(xiě),它和其它輔助電路構(gòu)成了電腦的核心。我們通過(guò)鍵盤(pán)和其它輸入設(shè)備輸入的信息經(jīng)過(guò)它的處理之后顯示在顯示器上。在信息處理過(guò)程中,CPU要和內(nèi)存頻繁地交換信息,在工作結(jié)束之后,還要把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)保存在磁盤(pán)上。
上面說(shuō)的是硬件的工作原理,那么在軟件上,我們又是如何使用電腦的呢?
在前面我們講過(guò),我們可以通過(guò)操作系統(tǒng)給電腦布置工作,操作系統(tǒng)也可以把電腦的工作結(jié)果告訴我們??墒遣僮飨到y(tǒng)的功能也不是無(wú)限的,實(shí)際上電腦的很多功能是靠多種應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。操作系統(tǒng)一般只負(fù)責(zé)管理好電腦,使它能正常工作。而眾多的應(yīng)用軟件才充分發(fā)揮了電腦的作用。但這些應(yīng)用軟件都是建立在操作系統(tǒng)上的,一般情況下,某一種軟件都是為特定的操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的,因?yàn)檫@些軟件不能直接和電腦交換信息,需要通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)傳遞信息。
這就是所謂的“硬”、“軟”結(jié)合。硬件就是我們能看見(jiàn)的這些東西:主機(jī)、顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等,而軟件是我們看不見(jiàn)的,存在于電腦內(nèi)部的。打個(gè)比方,硬件就好比人類(lèi)軀體,而軟件就好比人類(lèi)的思想,沒(méi)有軀體,思想是無(wú)法存在的,但沒(méi)有思想的軀體也只是一個(gè)植物人。一個(gè)正常人要完成一項(xiàng)工作,都是軀體在思想的支配下完成的。電腦和這相類(lèi)似,沒(méi)有主機(jī)等硬件,軟件是無(wú)法存在的;而一個(gè)沒(méi)有軟件的電腦也只是一堆廢鐵。
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