《世界是數位》讀書筆記第一部分_硬體篇

標籤：

《世界是數位》是一部科普讀物，出自頂尖電腦科學家Brian W.Kernighan之手，如果你不知道此人是誰的話，那麼你或許知道The Practice of Programming(中文名程式設計實踐，K(後文提到Brian W.Kernighan就簡稱為K了:)與R.Pick合著)，如果你也不知道程式設計實踐，那麼你肯定知道The C Programming Language(在電腦領域混過還不知道的自行面壁去:-)，沒錯這本K&R，就是Kernighan與C語言之父裡奇的著作，此書被譽為C語言的聖經，影響著一代又一代的程式員。

作為一個非科班的電腦愛好者，自然不能錯過聆聽大師教誨的機會，廢話少說，還是趕緊跟隨大師的腳步到電腦的世界中一窺究竟吧。

任何先進的技術都與魔術無異(C.克拉克)。K作次書的目的就是揭開魔法的神秘帷幕，讓讀者瞭解到形形色色的與電腦密切相關的系統是如何運作的。相片/音樂/電影如何能一瞬間傳遍全球？電子郵件是如何運轉的？你的電子郵件私密性如何？為何垃圾郵件容易發送卻難以清除？手機真的知道你的位置嗎？iphon 和安卓手機有什麼區別，為什麼它們在根本上又是一回事？跟隨K的腳步，我們將會對電腦和通訊系統的運轉有相當靠譜的瞭解，並知道這些技術如何影響我們的生活。

電腦裡有什麼

這個問題可以從兩方面來看：邏輯上或者說功能上的組成，即每一部分是什麼、做什麼、怎樣做、之間如何串連；以及物理上的結構，即每一部分長什麼樣子、如何建造起來的。

• 邏輯構造

電腦在邏輯上或者功能上的體繫結構如：有處理器(CPU)、主儲存空間(記憶體)、大量存放區(硬碟)和各種各樣的其他組件組成，一組叫做匯流排的線纜把所有這些串連起來，在各組件之間傳輸資訊。

電腦的基本組成，包括處理器、存放指令和資料的儲存空間以及輸入輸出裝置，這種體繫結構通常稱為馮·諾依曼體繫結構。

CPU：處理器，或者叫中央處理單元(縮寫為CPU)，是電腦的大腦。處理器進行運算，來回搬運資料，並控制著一切別的操作。CPU有一張指令表，它可以執行的操作時有限的，但是執行起來速度奇快。高達每秒鐘幾十億次。可以根據先前的計算結構決定接下來執行什麼指令。購買電腦，常常會看到對CPU諸如此類的描述"英特爾雙核酷睿2.1GHz"。這說明了，這款CPU是英特爾製造的，一片封裝的內部實際上有兩個CPU。這裡"核"就是處理器的意思。CPU使用一個跟心跳或者鐘錶滴答類似的內部時鐘來控制基本操作的節拍，度量CPU的指標之一就是看這個內部時鐘每秒震動多少次。每秒鐘心跳一次或者滴答一次就是1Hz.對於2.1GHz的處理器，它每秒鐘跳動21億次。人類的心跳大約是1Hz，也就是每天大約跳10萬次，每年將近3千萬次，於是我們的心臟要花70年才能趕上這個CPU在一秒鐘裡跳動的次數。

主儲存空間，也就是隨機訪問儲存空間(縮寫為RAM，即記憶體)，裡面儲存了處理器和電腦的其他組件正在活躍使用的資訊；CPU可以改變記憶體裡的內容。記憶體裡不僅儲存了CPU正在處理的資料，還儲存了讓CPU如何處理資料所需啟動並執行指令。這就是儲存程式的概念，這樣，同一台電腦，只要在記憶體裡放上適當的指令，就可以運行各種各樣的程式。運行中的程式，如Word、QQ、或瀏覽器，它們的指令就放在記憶體裡；這些程式操作的資料，比如螢幕上顯示的照片、正在編輯的文檔、現正播放的音樂等，也是放在記憶體裡的；而Windows、Mac OS X或其他動作系統，也就是能讓你在同一時間運行多個應用程式的幕後功臣，它們啟動並執行指令還是放在記憶體裡。記憶體是掉電即失的。因此在台式機上工作的時候，要養成小心謹慎的好習慣，經常儲存正在做的工作，不小心踢掉電源線可不是鬧著玩的:-)。電腦上的記憶體大小是有限的。表示容量的單位是位元組，一位元組大小的記憶體，可以放入單個字元，可以放入一個整數比如42，還可以放入大數值的一部分。可以把記憶體想象成一堆大小完全一樣的小盒子，上面從1開始編號到一二十億，每個盒子裡可以放進一小片資訊。通常而言，記憶體越大可供發揮的空間就越大（雖然所有程式同時跑起來的時候，記憶體再多也不夠用），而這往往也可以說成計算得越快。如果想要電腦運行更快的話，多買記憶體看起來是最佳策略。

磁碟和大量存放區：記憶體的容量很大，但還是有限的，並且掉電後內容會消失。大量存放區則能在掉電後仍儲存著裡面的資訊。於是資料、指令和資訊都長期儲存在磁碟上，僅在需要時臨時讀入記憶體。磁碟空間比記憶體便宜100倍，只是訪問起來要慢得多。磁碟儲存資訊的方法是對旋轉的金屬碟片表面的磁性材料上的微小區間進行不同方向的磁化。電腦工作時的嗡嗡聲和哢嗒聲就是磁碟把磁頭移向碟片表面正確位置時發出來的。標準筆記本碟片的直徑是2.5英寸(6.25厘米)。有些電腦配備了固態盤(SSD)，使用快閃記憶體代替了旋轉的機械組件。快閃記憶體也是非易失性的，資訊儲存為電路裡的電荷，每一個電路元件上的電荷不需要加電就可以保持其狀態。裡面儲存的電荷可以通過測試來讀取其中的值，也可以擦掉後用新的值覆蓋寫入。目前快閃記憶體仍然比同容量的傳統硬碟貴，但是速度快、輕便、可靠並且節電，在手機、相機等裝置中廣泛應用，將來可能會替代機械硬碟。

各式各樣其他裝置也都發揮著特別的作用。用讓使用者提供輸入的，如滑鼠、鍵盤和觸控螢幕；有為使用者提供輸出的，如顯示器、印表機、擴音器；網路組件，如乙太網路或無線網則用來和別的電腦通訊。在體繫結構裡，這些裝置看上去是通過一組線纜串連在一起的。借用電氣工程的術語，這組線纜稱為匯流排。實際上，電腦內部有好幾組匯流排，每組匯流排都有適合其功能的特性。比如CPU和記憶體之間的匯流排，線路短，傳輸快，但是價格貴；而串連到耳機插孔的匯流排，線路長，傳輸慢，但是價格便宜。有些匯流排在機箱外也露出了一部分，比如無所不在的通用序列匯流排，也就是把外設插入電腦所用的USB匯流排。

• 物理構造

電腦電子線路基本元件中最重要的一種是邏輯門電路，用來根據一個或兩個輸入值計算一個輸出值，也就是用輸入的電壓或電流訊號來控制輸出的電壓或電流訊號。只要把足夠多的門電路用正確的方式串連起來，就能執行任何計算。查爾斯·佩措爾德的《編碼·隱匿在電腦軟硬體背後的語言》是介紹這方面的好書(PS:他還寫過一本書，叫做《Windows程式設計》，也是如雷貫耳，影響甚廣啊；另外我認為國內書籍中可與之媲美的就是李忠的那本《穿越電腦的迷霧》，都是不可多得的好書，值得翻閱)。門電路逐步經曆了電子管、晶體管時代，而如今的邏輯門電路則是建立在整合電路上的(integrated circuits，縮寫為IC，也稱晶片或微晶片)，整合電路在一個很薄的矽片平面裡包含了電路板的所有組件和布線，通過一系列複雜的化學和光化學流程製造出來，這樣就沒有了分立元件，也沒有了傳統布線的電路。因此，整合電路比分立組件的電路小的多也可靠的多。

• 摩爾定律

摩爾定律是由英特爾（Intel）創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的。其內容為：當價格不變時，整合電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，效能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦效能，將每隔18-24個月翻一倍以上。這種指數式的增長，也就是我們所說的摩爾定律。用來描述電路規模的基本數值是整合電路裡的特徵尺寸(即其中的最小尺寸)，比如導線的寬度。在過去的很多年裡，這個數值在穩步縮減。如今的很多整合電路的特徵尺寸是32納米，也就是32米的十億分之一，下一步將會是22納米。對比一下，一張紙的厚度或者一根頭髮的粗細是100毫米，即十分之一毫米。到某個階段，摩爾定律會失效。以前曾多次有人斷定摩爾定律的極限已到來，但後來又發現了突破極限的方法。然而現在，我們已經到了這樣的階段：有的電路裡僅包含極少數的原子，這麼小的結構已經很難控制。CPU速度已經不再每兩年翻一番。

位元、位元組與資訊表示

本章，作者主要論述了電腦表示資訊的三個基本思想。

首先，電腦是數文書處理器。它們儲存和處理離散的資訊，這些資訊表現為不連續的塊，具有不連續的值，基本上就是一個個數值。而與之相對的類比資訊，則是平滑變化的值。

其次，電腦用位元表示資訊。位元就是位元字，即一個非0即1的值。電腦中的一切都用位元來表示。電腦內部使用二進位，而不是人們所熟悉的十進位。

再次，較大的資訊以位元組來表示。數值、字母、單詞、姓名、音樂、照片、電影，以及處理這些資訊的程式所包含的指令，都是用位元組來表示的。

• 類比與數字

生活中具有類比性質的事物有：水龍頭、汽車方向盤、溫度計等，其值隨著其他因素變化而平滑變化。變化過程沒有間斷，一個事物的微小變化就意味著另一個事物的微小變化。而數字系統處理的則是離散值：某個事物小小的變化，要麼不引發其他事物變化，要麼就引發其他事物的突變，使其從一個離散的值跳到另一個離散的值。很多現代的技術都是數位。外部世界的資料——聲音、圖片、運動、溫度等等一切，在輸入端都會儘可能早地轉化為數字形式，而在輸出端則會儘可能晚地轉換回類比形式。原因就在於數字化的資料容易處理，無論最初來源是什麼，數字化資料都可以用多種方式來儲存、傳輸和處理，但類比資訊不行。此外，通過刪除冗餘和不重要的資訊，還可以壓縮數字化資訊。為了安全和隱私可以對它進行加密，可以將它與其他資料合併，可以複製它而不出錯，可以通過互連網把它發送到任何地方，可以將它儲存到幾乎無限種裝置中。而對於類比資訊，上述很多做法是根本行不通的。

• 模數轉換

怎麼把類比資訊轉換為數字形式？通過下面幾個簡單的例子，可以說明一些重要的思想。

照片：菲林相機的成像，是通過把膠片感光區曝露給被拍物體反射的光線實現的，膠片上不同地區接收到的不同顏色的光量不同，從而影響膠片上的染料。在膠片顯影、印相時，彩色染料數量決定了顯示出來的顏色變化。對數位相機來說，鏡頭把影像聚焦到一塊位於紅、綠、藍濾鏡後面的矩形感光器陣列上，感光器由微小的光敏探測器組成。每個探測器儲存一定數量的電荷，與落在它上面的光量成正比。這些電荷被轉化成數字值，照片的數字表示就是這些表現光強度的數值序列。探測器越小，數量越多，電荷測量的結果就越精細，數字化映像就能越清晰地反映原始的影像。感應器陣列的每個單元都由一組能夠捕獲紅、綠、藍光的探測器構成，每個單元對應一個像素。像素的顏色通常由三個值表示，分別代表紅、綠、藍光的強度，因此600萬像素的映像總共要儲存1800萬個顏色值。螢幕在顯示映像時，使用的是紅、綠、藍三元組的陣列，其亮度與像素亮度一致，如果我們用放大鏡仔細觀察手機或電腦螢幕，很容易看到每個獨立的彩色塊。

音樂：什麼是聲音？音源通過震動或快速運動引起空氣壓力的波動，人的耳朵把這種壓力變化轉換位神經活動，經大腦解釋後就形成了"聲音"。把空氣壓力隨時間變化形象地繪製出來並不難，其中壓力可以用任何物理方法來表示，在此我們假設用電路中的電壓。當然，電流、光的亮度，以及愛迪生髮明的留聲機中的純機械裝置都沒有問題。

圖中聲波的高度表示聲音強度或大小，水平方向的座標軸表示時間。每秒鐘聲波的數量就是聲調或頻率，假設我們以固定時間間隔連續測量這條曲線的高度（在這裡就是電壓值），就會得到所示的這些垂直線條。

測量得到的數值串連起來與曲線近似，測量越頻繁越準確，結果也就越吻合。測量得到的數值序列是波形的數字化表示，可以儲存、複製、操作它們，也可以把它們發送到任何地方。如果有裝置把這些數值轉換成對應的電壓或電流，然後再通過電壓或電流驅動音箱或耳機，就能夠實現回放。從聲波到數值是模數轉換，相應的裝置叫A/D(Analog/Digital)轉換器，反過來當然是數模轉換，或者叫D/A。轉換過程並不是完美無缺的，兩個方向的轉換都會損失一點資訊。但大多數情況下，這種損失是人所覺察不到的（當然，也有不少唱片發燒友會說CD音質不如LP好:）。

聲音和圖片經常會被壓縮，因為這兩種包含很多人類根本感知不到的細節。對於音樂，典型的壓縮技術就是MP3，大約能把音頻檔案的體積壓縮到原來的十分之一，同時讓人感覺不到音質下降。對於圖片，最常用的壓縮技術就是JPEG(制定該標準的JPEG 格式——Joint Photographic Expert Group的縮寫)，它的壓縮率也能達到十倍甚至更高。上文提到的很多處理對數字資訊能做，但對類比資訊卻很難，壓縮就是一個例子。

電影：攝影師埃德沃德·邁布裡奇在1870年代向世人證明，快速連續地顯示一系列靜態圖片能夠創造出運動的錯覺。今天，電影顯示影像的速度是每秒24幀，而電視大約是25到30幀，這個速度足以讓人的眼睛把順序播放的影像感知為動畫。而通過組合(並同步)聲音和影像，就可以創造出數字電影。而利用壓縮技術減少空間佔用，則催生了包括MPEG(Moving Picture Experts Group)在內的標準電影格式。

還有一些資訊很方便以數字形式來表示，因為除了想好怎麼表示它之外，根本不需要做什麼轉換。比如書本中的文字、字母、數字和標點符號。我們稱之為普通文本。表示普通文本的最有名的一個標準叫做ASCII，即American Standard Code for Information Interchange(美國資訊交換標準代碼)。但它只包含了全部的英文字元，而不同的地區有不同的字元集標準，因此我們需要一個世界通用的標準，即Unicode碼。它為所有語言的所有字元都規定了一個唯一地數值。

一言以蔽之，數字標記法能夠表示上述所有資訊，以及任何可以轉換為數值的資訊，因為有數值，所以就可以用數字電腦來處理。

• 位元、位元組與二進位

這個世界上有10種人：會二進位的和不會二進位的；這個世界上有10種人：會二進位，不會二進位的，和錯把它當成二進位的:-P

數字系統用數值來表示所有資訊，但使用的卻不是我們熟悉的10進位，而是二進位(此處你應該做深思狀，表示你的納悶、懷疑)，這是為什麼呢？

首先，製造只有兩種狀態的物理裝置，比製造有十種狀態的裝置更容易。而且世界上二選一的例子比比皆是，開關、真假、高低、左右、男女(不考慮例外情況:P)，都可以用一個位元來表示。其次，相較於十進位算術，執行二進位算術的電腦電路要簡單得多。馮·諾依曼很早就清楚地認識到這一點，他在1946年說過："我們儲存器中最基本的單位自然是採用二進位系統，因為我們不打算度量電荷的不同層級。"

在某些電腦廣告中，我們會看到"64位"這個說法("Windows 7家庭進階版64位")。什麼意思呢？電腦在內部操作資料時，是以不同大小的塊為單位的，這些塊包含數值(32位和64位表示數值比較方便)和地址，而地址也就是資訊在RAM中的位置。前面所說的64位指的就是地址。

關於位元和位元組，最重要的是必須知道，一組位元的含義取決於他們的上下文，光看這些位元可看不出來。一個位元組可以只用一個位元來表示男或女，另外7個空閑不用，也可以用來儲存一個不大的整數，或者一個ASCII字元，它還可以是另一種書寫系統中一個字元的一部分，或者用2、4或8個位元組表示的一個大數的一部分，一張照片或一段音樂的一部分，甚至是供CPU執行的一條指令的一部分。

深入瞭解CPU

CPU可以做出決定，儘管是簡單的決定：它可以比較數值(這個數比那個數大嗎？)或者比較其他資料(這段資訊與那段資訊一樣嗎？)，還能根據結果決定接下來做什麼，這一條最重要，因為這意味著CPU能做的雖然比計算機多不了多少，但它可以在無人看管的情況下完成自己的工作。正如馮·諾依曼所說："要讓這種機器完全自動化，即讓它在計算開始後不在依賴人工操作"。由於CPU能根據它所處理的資料決定下一步做什麼，因此它就能自己運行整個系統。雖然其指令系統並不大，或者說並不複雜，但CPU每秒可以執行數十億次運算，所以它能完成極為複雜的處理。

• 玩具電腦

作者在本章構造了一台假想的電腦，教給我們一些彙編指令，其中最重要的就是分支和迴圈。再加上一些其它為數不多的指令就足以應對數字電腦能夠完成的任何計算——任何計算都可以分解為能使用基本指令完成的小步驟。這裡值得注意的一點是，任務分解的思想很重要，尤其是在電腦領域裡。

指令和資料在RAM中是如何表示的？一種可能性是：比如每條指令都需要一個儲存空間的位置儲存其數值代碼，而在該指令引用儲存空間位置或有一個資料值的情況下，還需要另一個緊隨其後的位置，所以要佔兩個儲存空間單元。其中第二個單元中儲存的是它引用的位置，同樣假設資料值也要佔用一個位置。這是一種簡化，但實際情況也差不多。

• 真正的CPU

真正的處理器執行迴圈："取指令—解碼—執行"這樣的過程。只不過為了加快速度，還會配備精心設計的各種機制，但核心只有迴圈。

真正的電腦由一些移動資料的指令，一些完成算數運算及操作不同大小和類型數值的指令，一些比較和分支指令，以及一些控制電腦其它組件的指令構成。典型的CPU有幾十到數百個不同的指令，指令和資料通常要佔用多個記憶體位置，通常為2至8個位元組。真正的處理器有多個累加器，通常是16個或者32個，所以可以儲存多個中間結果，而且都是速度極快的儲存空間。

電腦體繫結構是研究CPU與其他電腦群組件串連的一門學科。電腦體繫結構研究的一個問題是指令集，也就是處理器配備的指令表。是設計較多的指令去處理各式各樣的計算，還是設計較少的指令以簡化製造並提升速度？體繫結構涉及複雜的權衡，要綜合考慮功能、速度、複雜性、可程式化能力(太複雜的話，程式員將無法利用其功能)、電源消耗及其他問題。設計師在設計體繫結構的時候有一套方法可以使處理器跑的更快。比如流水線技術(CPU設計為交替地取得和執行指令，而同一時刻會有幾個指令處於執行過程的不同階段，結果就是，雖然某個特定的指令仍舊要花同樣的時間完成，但其他指令都有機會得到處理，從整體上看完成這些指令則會快很多)、並行亂序(並存執行多條互不干擾、互不依賴的指令，有時候，只要指令的操作不會相互影響，甚至可以不按順序執行)、同時運行多個CPU(就是"多核"，在一塊晶片上整合越來越多的處理器已經成為明顯的趨勢。由於整合電路特徵尺寸越來越小，因而可以整合在一塊晶片上的晶體管數量必將越來越多，這些晶體管可以構成更多CPU，也可以構成更多緩衝)。

比較不同CPU的速度並不是特別有意義。即便是最基本的算術運算，其處理方式也可以完全不同，很難直接比較。比如，同樣是計算兩個數的和並儲存結果，有的處理器需要用三個指令，有的則需要兩個，而有的可能只需要一個。有的CPU具有平行處理能力，或者說能夠同時執行多條指令，從而讓這些指令在不同階段上執行。為了降低處理器的耗電量，犧牲執行速度，甚至根據是不是電池供電動態調整速度都是很常見的。對於某個處理器比另一個處理器"更快"的說法，不必太當真，因為很多情況下都要具體問題具體分析。

• 緩衝

CPU與RAM和電腦的其他組件是如何串連的？處理器非常快，通常執行一條指令只需要零點幾納秒。相對而言，RAM則慢得讓人難以忍受——從儲存空間中取得資料或指令大概要花25到50納秒。假如CPU不必等待資料，那它可能早就執行完上百條指令了。現代電腦會在CPU和RAM之間使用少量的高速儲存空間來儲存最近使用過的指令和資料，這種高速儲存空間叫做緩衝。緩衝是一個在電腦領域中廣泛適用的思想。在CPU中，緩衝是容量小但速度快的儲存空間，用於儲存最近使用的資訊，以避免訪問RAM。通常，CPU會在短時間內連續多次訪問某些資料和指令。而這些指令和資料都可以放在緩衝中以提高訪問速度。

典型的CPU有兩到三個緩衝，容量依次增大，但速度遞減，一般稱為一級緩衝、二級緩衝和三級緩衝。最大的緩衝能儲存以MB計的資料。大多數CPU的指令和資料緩衝都是獨立的。緩衝之所以有用，關鍵在於最近用過的資訊很可能再次被用到，而把它們儲存在緩衝裡就意味著減少對RAM的等待。緩衝通常會一次性載入一組資訊塊，比如只請求一個位元組，但會載入RAM中一段連續的地址。因為相鄰的資訊也可能被用到，要用的時候它們同樣已經在緩衝裡了，換句話說，對鄰近資訊的引用也不需要等待。

除了發現效能提升之外，使用者是感受不到這種緩衝的。但緩衝的思想卻無處不在，只要你現在用到的東西不久還會用到，或者可能會用到與之鄰近的東西，那運用緩衝思想就沒錯。CPU中的多個累加器本質上也是一種緩衝，只不過是快取而已。RAM也可以作為磁碟的緩衝，而RAM和磁碟又都可以作為網路資料的緩衝。電腦網路經常會利用緩衝加速訪問遠程伺服器，而伺服器本省也有緩衝。

為了檢查緩衝的效果，可以做個實驗，如：開啟Word等大程式，看看從啟動到載入完成並可以使用要花多少時間。然後退出程式，立即重新啟動它。正常情況下，第二次啟動的速度會明顯加快，因為程式的指令還在RAM裡，而RAM正在充當磁碟的緩衝。使用其他程式一段時間後，RAM裡會填滿該程式的指令和資料，原先的程式就會從緩衝中被刪除。

• 其他電腦

PC、MAC、手機、平板電腦，擁有嵌入式系統的數位相機、攝像機、GPS導航系統、家電、遊戲機等等都是各色各樣的電腦。所有這些電腦系統都有相同的基本原理。它們都使用通用處理器，可以通過編程完成無窮無盡種任務。每個處理器都有一個有限的簡單指令表，能夠完成算術運算、比較資料、基於前置計算結果選擇下一條指令。不管物理結構的變化讓人多麼眼花繚亂，它們的一般體繫結構從1940年代至今都沒有太大的變化

硬體部分小結

可以看到，電腦的功能固然很強悍，但是我們還是有很多事物不知道怎麼用位元表示，更不必說怎麼用電腦來處理了。比如，日常生活中最重要的一些事物：藝術、創意力、真理、美、愛、榮譽和價值。我想在一定的時期內，這些事物將超出電腦的能力之外。如果你碰到一個人，他聲稱知道怎樣"通過電腦"處理這些東西，可不要隨隨便便就相信他:P。

 

 

All Rights Reserved.Author：海峰:)Copyright © xp_jiang. 本文是一篇讀書筆記，辛苦勞作，轉載請標明出處：http://www.cnblogs.com/xpjiang/p/4472041.html
以上.

《世界是數位》讀書筆記第一部分_硬體篇