第1章
什么是计算机

“由于所完成的设备将是一台通用计算机，它应该包含用于算术、内存存储、控制，以及与操作员进行连接的某些主要组件。”

——亚瑟·W.伯克斯、

赫尔曼·H.戈德斯坦和约翰·冯·诺依曼，《电子计算仪器逻辑设计初探》，1946年

让我们从概述什么是计算机开始讨论硬件。我们至少可以从两个角度来看待一台计算机：第一，逻辑或功能组织——有哪些部件，它们用于做什么以及它们是如何连接的；第二，物理结构——各部分的外观以及它们的制造方式。本章的目标是了解什么是计算机，了解其内部结构，学习各部分的作用，并初步了解无数首字母缩略词和数字的含义。

想想你自己的计算设备。许多读者拥有某种类型的运行微软Windows操作系统的个人计算机，也就是从IBM 1981年首次销售的个人计算机发展而来的笔记本电脑或台式电脑。其他人可能会使用运行macOS操作系统的苹果Macintosh计算机。还有一些人可能拥有运行Chrome操作系统的Chromebook，它的大部分存储和计算都依赖于互联网。智能手机、平板电脑和电子书阅读器等更专业的设备，其实也都是功能强大的电脑。它们看起来不一样，当你使用它们的时候感觉也不一样，但是在不同的外表之下，它们基本是相同的。我们将在下文解释原因。

我们用汽车来打一个不是很贴切的比方。从功能上来说，这几百年来汽车一点都没变。汽车中的引擎通过利用某种燃料来运转，从而驱动汽车移动。驾驶员利用汽车的方向盘来控制汽车。车上的空间分别用来储存燃料、供乘客乘坐和存放乘客的物品。然而，从物理上而言，在过去的一个世纪里汽车发生了巨大的变化：它们使用了不同的材料，而且变得更快、更安全、更可靠和更舒适。我的第一辆车是一辆很好用的产于1959年的大众甲壳虫，它和法拉利之间有天壤之别，但无论甲壳虫还是法拉利，都能将我和我的杂货从商店带回家，或者带我穿越整个国家。如此道来，它们的功能是相同的。（我从未坐过法拉利，更不用说拥有一辆法拉利了，所以我在猜测它是否有空间放杂货。不过，有一次我把车停在了一个法拉利旁边，如图1.1所示。）

计算机也是这样。从逻辑上来说，今天的计算机和20世纪50年代的计算机非常相似，但是其表面上发生的变化远远超过汽车发展的变化。今天的计算机不仅变得更小、更便宜、运算速度更快，而且比50年前的那些更加可靠，在某些性能上确实要好一百万倍。这些改进解释了为什么现在计算机会变得如此普及。

图1.1 我距离法拉利最近的一刻

一个重要的概念是事物的功能性行为与其物理特性之间的区别，即它的作用与其内部构建或工作方式之间的区别。对于计算机来说，它的构建方式和运行速度都在以惊人的速度发生变化，但“它的作用”部分是相当稳定的。抽象描述和具体实现之间的这种区别将在下文中反复出现。

我有时会在第一堂课的课堂上做一个调查：有多少人有PC？有多少人有Mac？在21世纪初，这个比例通常是10：1，PC普遍比较受欢迎。但在几年内发生了迅速变化，现在Mac占了所有电脑的四分之三以上。然而，这并不是全球的典型情况，全球范围内PC依然占主导地位。

这种不平衡是因为一种机型优于另一种吗？如果是这样，又是什么原因导致如此短的时间内发生了如此巨大的变化？我问学生哪一种计算机更好，基于什么客观标准得出这种观点，以及什么会影响他们选择买哪种电脑。

自然而然，价格是答案之一。由于众多生产商导致的激烈市场竞争，PC相对更便宜。PC有更广泛的附加硬件组件、更多的软件，关于PC的各种专业知识也更容易获取。这是经济学家所说的网络效应的典型例子：当一样东西被其他人使用得更多时，它对你来说就更有用，其有用程度与使用者数量大致成正比。

另一方面，选择Mac的人则是因为认可它的可靠性、品质、审美设计以及“物有所值”的感觉，许多消费者愿意为此支付更高的价格。

这种选择之争一直持续进行着，双方都很难说服对方，但这也引出了一些有益的思考，这些将帮助人们思考不同计算机设备之间的差异以及它们的共同点到底在何处。

类似的争论也出现在手机的选择上。几乎每个人都有一台能运行从苹果或谷歌商店下载的应用程序的智能手机。这些手机可以作为浏览器、电子邮件系统、手表、照相机、音乐和视频播放器、录音机、地图、导航仪、购物比较工具，偶尔也用作通话工具。我的学生中有大约3/4使用iPhone，其余学生几乎都用着众多供应商之一制造的安卓手机。iPhone虽然更贵，但可以与苹果的台式机、平板电脑、手表、音乐播放器、云服务等生态系统完美结合，这也是网络效应的一个例子。很少有人承认自己只有一部功能手机，功能手机指的是除了打电话以外没有其他功能的手机。上述样例适用于美国以及相对富裕的环境，而在世界的其他地区，安卓手机则更为普遍。

人们在选择手机时，同样有充分的功能性、经济性和审美性方面的理由，但在本质上，就像PC和Mac一样，进行计算的硬件是非常相似的。下面让我们来看看为什么这么说。