第1章
什么是計(jì)算機(jī)

“由于所完成的設(shè)備將是一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)，它應(yīng)該包含用于算術(shù)、內(nèi)存存儲(chǔ)、控制，以及與操作員進(jìn)行連接的某些主要組件。”

——亞瑟·W.伯克斯、

赫爾曼·H.戈德斯坦和約翰·馮·諾依曼，《電子計(jì)算儀器邏輯設(shè)計(jì)初探》，1946年

讓我們從概述什么是計(jì)算機(jī)開始討論硬件。我們至少可以從兩個(gè)角度來看待一臺(tái)計(jì)算機(jī)：第一，邏輯或功能組織——有哪些部件，它們用于做什么以及它們是如何連接的；第二，物理結(jié)構(gòu)——各部分的外觀以及它們的制造方式。本章的目標(biāo)是了解什么是計(jì)算機(jī)，了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)各部分的作用，并初步了解無數(shù)首字母縮略詞和數(shù)字的含義。

想想你自己的計(jì)算設(shè)備。許多讀者擁有某種類型的運(yùn)行微軟Windows操作系統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)，也就是從IBM 1981年首次銷售的個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展而來的筆記本電腦或臺(tái)式電腦。其他人可能會(huì)使用運(yùn)行macOS操作系統(tǒng)的蘋果Macintosh計(jì)算機(jī)。還有一些人可能擁有運(yùn)行Chrome操作系統(tǒng)的Chromebook，它的大部分存儲(chǔ)和計(jì)算都依賴于互聯(lián)網(wǎng)。智能手機(jī)、平板電腦和電子書閱讀器等更專業(yè)的設(shè)備，其實(shí)也都是功能強(qiáng)大的電腦。它們看起來不一樣，當(dāng)你使用它們的時(shí)候感覺也不一樣，但是在不同的外表之下，它們基本是相同的。我們將在下文解釋原因。

我們用汽車來打一個(gè)不是很貼切的比方。從功能上來說，這幾百年來汽車一點(diǎn)都沒變。汽車中的引擎通過利用某種燃料來運(yùn)轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)汽車移動(dòng)。駕駛員利用汽車的方向盤來控制汽車。車上的空間分別用來儲(chǔ)存燃料、供乘客乘坐和存放乘客的物品。然而，從物理上而言，在過去的一個(gè)世紀(jì)里汽車發(fā)生了巨大的變化：它們使用了不同的材料，而且變得更快、更安全、更可靠和更舒適。我的第一輛車是一輛很好用的產(chǎn)于1959年的大眾甲殼蟲，它和法拉利之間有天壤之別，但無論甲殼蟲還是法拉利，都能將我和我的雜貨從商店帶回家，或者帶我穿越整個(gè)國家。如此道來，它們的功能是相同的。（我從未坐過法拉利，更不用說擁有一輛法拉利了，所以我在猜測(cè)它是否有空間放雜貨。不過，有一次我把車停在了一個(gè)法拉利旁邊，如圖1.1所示。）

計(jì)算機(jī)也是這樣。從邏輯上來說，今天的計(jì)算機(jī)和20世紀(jì)50年代的計(jì)算機(jī)非常相似，但是其表面上發(fā)生的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過汽車發(fā)展的變化。今天的計(jì)算機(jī)不僅變得更小、更便宜、運(yùn)算速度更快，而且比50年前的那些更加可靠，在某些性能上確實(shí)要好一百萬倍。這些改進(jìn)解釋了為什么現(xiàn)在計(jì)算機(jī)會(huì)變得如此普及。

一個(gè)重要的概念是事物的功能性行為與其物理特性之間的區(qū)別，即它的作用與其內(nèi)部構(gòu)建或工作方式之間的區(qū)別。對(duì)于計(jì)算機(jī)來說，它的構(gòu)建方式和運(yùn)行速度都在以驚人的速度發(fā)生變化，但“它的作用”部分是相當(dāng)穩(wěn)定的。抽象描述和具體實(shí)現(xiàn)之間的這種區(qū)別將在下文中反復(fù)出現(xiàn)。

我有時(shí)會(huì)在第一堂課的課堂上做一個(gè)調(diào)查：有多少人有PC？有多少人有Mac？在21世紀(jì)初，這個(gè)比例通常是10：1，PC普遍比較受歡迎。但在幾年內(nèi)發(fā)生了迅速變化，現(xiàn)在Mac占了所有電腦的四分之三以上。然而，這并不是全球的典型情況，全球范圍內(nèi)PC依然占主導(dǎo)地位。

這種不平衡是因?yàn)橐环N機(jī)型優(yōu)于另一種嗎？如果是這樣，又是什么原因?qū)е氯绱硕痰臅r(shí)間內(nèi)發(fā)生了如此巨大的變化？我問學(xué)生哪一種計(jì)算機(jī)更好，基于什么客觀標(biāo)準(zhǔn)得出這種觀點(diǎn)，以及什么會(huì)影響他們選擇買哪種電腦。

自然而然，價(jià)格是答案之一。由于眾多生產(chǎn)商導(dǎo)致的激烈市場(chǎng)競(jìng)爭，PC相對(duì)更便宜。PC有更廣泛的附加硬件組件、更多的軟件，關(guān)于PC的各種專業(yè)知識(shí)也更容易獲取。這是經(jīng)濟(jì)學(xué)家所說的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)的典型例子：當(dāng)一樣?xùn)|西被其他人使用得更多時(shí)，它對(duì)你來說就更有用，其有用程度與使用者數(shù)量大致成正比。

另一方面，選擇Mac的人則是因?yàn)檎J(rèn)可它的可靠性、品質(zhì)、審美設(shè)計(jì)以及“物有所值”的感覺，許多消費(fèi)者愿意為此支付更高的價(jià)格。

這種選擇之爭一直持續(xù)進(jìn)行著，雙方都很難說服對(duì)方，但這也引出了一些有益的思考，這些將幫助人們思考不同計(jì)算機(jī)設(shè)備之間的差異以及它們的共同點(diǎn)到底在何處。

類似的爭論也出現(xiàn)在手機(jī)的選擇上。幾乎每個(gè)人都有一臺(tái)能運(yùn)行從蘋果或谷歌商店下載的應(yīng)用程序的智能手機(jī)。這些手機(jī)可以作為瀏覽器、電子郵件系統(tǒng)、手表、照相機(jī)、音樂和視頻播放器、錄音機(jī)、地圖、導(dǎo)航儀、購物比較工具，偶爾也用作通話工具。我的學(xué)生中有大約3/4使用iPhone，其余學(xué)生幾乎都用著眾多供應(yīng)商之一制造的安卓手機(jī)。iPhone雖然更貴，但可以與蘋果的臺(tái)式機(jī)、平板電腦、手表、音樂播放器、云服務(wù)等生態(tài)系統(tǒng)完美結(jié)合，這也是網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)的一個(gè)例子。很少有人承認(rèn)自己只有一部功能手機(jī)，功能手機(jī)指的是除了打電話以外沒有其他功能的手機(jī)。上述樣例適用于美國以及相對(duì)富裕的環(huán)境，而在世界的其他地區(qū)，安卓手機(jī)則更為普遍。

人們?cè)谶x擇手機(jī)時(shí)，同樣有充分的功能性、經(jīng)濟(jì)性和審美性方面的理由，但在本質(zhì)上，就像PC和Mac一樣，進(jìn)行計(jì)算的硬件是非常相似的。下面讓我們來看看為什么這么說。