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電腦工作原理是什麼?

      人們通過輸入裝置把需要處理的資訊輸入電腦,電腦通過中央處理器把資訊加工後,再通過輸出裝置把處理後的結果告訴人們。

  其實這個模型很簡單,舉個簡單的例子,你要處理的資訊是1+1,你把這個資訊輸入到電腦中後,電腦的內部進行處理,再把處理後的結果告訴你。

  早期電腦的輸入裝置十分落後,根本沒有現在的鍵盤和滑鼠,那時候電腦還是一個大傢伙,最早的電腦有兩層樓那麼高。人們只能通過扳動電腦龐大的面板上無數的開頭來向電腦輸入資訊,而電腦把這些資訊處理之後,輸出裝置也相當簡陋,就是電腦面板上無數的訊號燈。所以那時的電腦根本無法處理像現在這樣各種各樣的資訊,它實際上只能進行數字運算。

  當時人們使用電腦也真是夠累的。但在當時,就算是這種電腦也是極為先進的了,因為它把人們從繁重的手工計算中解脫出來,而且極大地提高了計算速度。

  隨著人們對電腦的使用,人們發現上述模型的電腦能力有限,在處理大量資料時就越發顯得力不從心。為些人們對電腦模型進行了改進,提出了這種模型:


就是在中央處理器旁邊加了一個內部儲存器。這個模型的好處在於。先打個比方說,如果老師讓你心算一道簡單題,你肯定毫不費勁就算出來了,可是如果老師讓你算20個三位數相乘,你心算起來肯定很費力,但如果給你一張草稿紙的話,你也能很快算出來。

  可能你會問這和電腦有什麼關係?其實電腦也是一樣,一個沒有內部儲存器的電腦如果讓它進行一個很複雜的計算,它可能根本就沒有辦法算出來,因為它的儲存能力有限,無法記住很多的中間的結果,但如果給它一些內部儲存器當“草稿紙”的話,電腦就可以把一些中間結果臨時儲存到內部儲存器上,然後在需要的時候再把它取出來,進行下一步的運算,如此往復,電腦就可以完成很多很複雜的計算。

  隨著時代的發展,人們越來越感到電腦輸入和輸出方式的落後,改進這兩方面勢在必行。在輸入方面,為了不再每次扳動成百上千的開頭,人們發明了紙帶機。紙帶機的工作原理是這樣的,紙帶的每一行都標明瞭26個字母、10個數字和一些運算子號,如果這行的字母A上面打了一個孔,說明這裡要輸入的是字母A,同理,下面的行由此類推。這樣一個長長的紙帶就可以代表很多的資訊,人們把這個紙帶放入紙帶機,紙帶機還要把紙帶上的資訊翻譯給電腦,因為電腦是看不懂這個紙帶的。

這樣雖然比較麻煩,但這個進步確實在很大程度上促進了電腦的發展。在發明紙帶的同時,人們也對輸出系統進行了改進,用印表機代替了電腦面板上無數的訊號燈。印表機的作用正好和紙帶機相反,它負責把電腦輸出的資訊翻譯成人能看懂的語言,列印在紙上,這樣人們就能很方便地看到輸出的資訊,再也不用看那成百上千的訊號燈了。

  不過人們沒有滿足,他們繼續對輸入和輸出系統進行改進。後來人們發明了鍵盤和顯示器。這兩項發明使得當時的電腦和我們現在使用的電腦有些類似了,而且在些之前經過長時間的改進,電腦的體積也大大地縮小了。鍵盤和顯示器的好處在於人們可以直接向電腦輸入資訊,而電腦也可以及時把處理結果顯示在螢幕上。

  可是隨著人們的使用,逐漸又發現了不如意之處。因為人們要向電腦輸入的資訊越來越多,往往要輸入很長時間後,才讓電腦開始處理,而在輸入過程中,如果停電,那前面輸入的內容就白費了,等來電後,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資訊,電腦處理理了,也輸出了結果;人們下一次再需要電腦處理這部分資訊的時候,還要重新輸入。對這種重複勞動的厭倦導致了電腦新的模型的產生。

  這回的模型是這樣的:

  這回增加了一個外部儲存器。外部儲存器的“外部”是相對於內部儲存器來說的,在中央處理器處理資訊時,它並不直接和外部儲存器打交道,處理過程中的資訊都臨時存放在內部儲存器中,在資訊處理結束後,處理的結果也存放在內部儲存器中。可是如果這時突然停電,那些結果還會丟失的。內部儲存器(或簡稱記憶體)中的資訊是靠電力來維持的,一旦電力消失,記憶體中的資料就會全部消失。也正因為如此,人們才在電腦模型中加入了外部儲存器,把記憶體中的處理結果再儲存到外部儲存器中,這樣停電後資料也不會丟失了。

  外部儲存器與記憶體的區別在於:它們的儲存機制是不一樣的,外部儲存器是把資料儲存到磁性介質上,所以不依賴於是否有電。這個磁性介質就好比家裡的歌曲磁帶,磁帶上的歌曲不管有沒有電都是存在的。當時人們也是考慮到了磁帶這種好處,所以在電腦的外部儲存器中也採用了類似磁帶的裝置,比較常用的一種叫磁碟。

  磁碟本來是圓的,不過裝在一個方的盒子裡,這樣做的目的是為了防止磁碟表面劃傷,導致資料丟失。

  有了磁碟之後,人們使用電腦就方便多了,不但可以把資料處理結果存放在磁碟中,還可以把很多輸入到電腦中的資料儲存到磁碟中,這樣這些資料可以反覆使用,避免了重複勞動。

  可是不久之後,人們又發現了另一個問題,人們要儲存到磁碟上的內容越來越多,眾多的資訊儲存在一起,很不方便。這樣就導致了檔案的產生。

  這和我們日常生活中的檔案有些相似。我們日常生活中的檔案是由一些相關資訊組成,電腦的檔案也是一樣。人們把資訊分類整理成檔案儲存到磁碟上,這樣,磁碟上就有了檔案1、檔案2……。

  可是在使用過程中,人們又漸漸發現,由人工來管理越來越多的檔案是一件很痛苦的事情。為了解決這個問題,人們就開發了一種軟體叫作業系統。

  其實作業系統就是替我們管理電腦的一種軟體,在作業系統出現之前,只有專業人士才懂得怎樣使用電腦,而在作業系統出現之後,不管你是否是電腦專業畢業,只要經過簡單的培訓,你都能很容易地掌握電腦。

  有了作業系統之後,我們就不直接和電腦的硬體打交道,不直接對這些硬體發號施令,我們把要的事情告訴作業系統,作業系統再把要作的事情安排給電腦去作,等電腦做完之後,作業系統再把結果告訴我們,這樣就省事多了。

 在作業系統出現之前,人們通過鍵盤給電腦下達的命令都是特別專業的術語,而有了作業系統之後,人們和電腦之間的對話就可以使用一些很容易懂的語言,而不用去死記硬背那些專業術語了。

  作業系統不但能在電腦和人之間傳遞資訊,而且字還負責管理電腦的內部裝置和外部裝置。它替人們管理日益增多的檔案,使人們能很方便地找到和使用這些檔案;它替人們管理磁碟,隨時報告磁碟的使用情況;它替電腦管理記憶體,使電腦能更高效而安全地工作;它還負責管理各種外部裝置,如印表機等,有了它的管理,這些外設就能有效地為使用者服務了。

  也正因為作業系統這麼重要,所以人們也在不斷地改進它,使它的使用更加方面,功能更加強大。對於咱們現在使用的微機來說,作業系統主要經歷了DOS、Windows 3.X、Windows95和Windows98這幾個發展階段。

  在DOS階段,人們和電腦打交道,還是主要靠輸入命令,“你輸入什麼命令,電腦就做什麼,如果你不輸入,電腦就什麼也不做”。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,那就沒有辦法了。所以說,這時的電腦還是大太好用,作業系統也處於發展的初級階段。Windows的出現在很大程度上彌補了這個不足,人們在使用Windows時,不必記住什麼命令,只需要用滑鼠指指點點就能完成很多工作。而當作業系統發展到Windows95之後,使用電腦就變得更加簡單。

  現在我們來簡單總結一下上面我們講的一些內容。經過人們幾十年的努力,電腦的組成結構已經基本定型,現在我們日常使用的微機在硬體方面可以用下圖表示:這裡CPU就是我們以前談到的中央處理器的英文縮寫,它和其它輔助電路構成了電腦的核心。我們通過鍵盤和其它輸入裝置輸入的資訊經過它的處理之後顯示在顯示器上。在資訊處理過程中,CPU要和記憶體頻繁地交換資訊,在工作結束之後,還要把記憶體中的資料儲存在磁碟上。

  上面說的是硬體的工作原理,那麼在軟體上,我們又是如何使用電腦的呢?

  在前面我們講過,我們可以通過作業系統給電腦佈置工作,作業系統也可以把電腦的工作結果告訴我們。可是作業系統的功能也不是無限的,實際上電腦的很多功能是靠多種應用軟體來實現的。作業系統一般只負責管理好電腦,使它能正常工作。而眾多的應用軟體才充分發揮了電腦的作用。但這些應用軟體都是建立在作業系統上的,一般情況下,某一種軟體都是為特定的作業系統而設計的,因為這些軟體不能直接和電腦交換資訊,需要通過作業系統來傳遞資訊。

  這就是所謂的“硬”、“軟”結合。硬體就是我們能看見的這些東西:主機、顯示器、鍵盤、滑鼠等,而軟體是我們看不見的,存在於電腦內部的。打個比方,硬體就好比人類軀體,而軟體就好比人類的思想,沒有軀體,思想是無法存在的,但沒有思想的軀體也只是一個植物人。一個正常人要完成一項工作,都是軀體在思想的支配下完成的。電腦和這相類似,沒有主機等硬體,軟體是無法存在的;而一個沒有軟體的電腦也只是一堆廢鐵。