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1、 菜鸟学编程 五袋老丐著 第一章 计算机的基本工作原理（初）一种有着神奇的“魔力”和“智能”的人造设备，正在迅速地、彻底地、默默无闻或者令人震惊地改变和丰富我们所生活的大千世界。这个看起来很不起眼的，在一些场合被称为“电脑”的电器设备，是如何具有如此神奇的“魔力”和“智能”的？本章将带你开始解开这个谜。11节介绍理想厨房系统，1.2节通过一个炒菜实例讲解理想厨房各部件是如何密切配合工作的。1.3是一张理想厨房系统与计算机系统的对照表1.4到1.8介绍了二进制、计算机、机器指令和指令集、数和码。1.09对计算机的重要特点进行了概括性的总结、1.11是计算机与理想厨房的一些重要区别。其中1.2、1
2、.3、1.4、1.9和1.11是本章重点。电子数字计算机从发明到现在，不过大约70年的时间。然而计算机的发明、改进和普及，却彻底地变革了人类社会。计算机本身也变得越来越复杂、快速、小巧、种类繁多。但大多数计算机都遵循冯.诺伊曼体系结构。这为我们理解大多数计算机的基本工作原理提供了方便。本章是全书的重要基础。通过本章，为你真正揭开计算机究竟如何工作的神秘面纱。（但是要直到12.4、12.5节，才能彻底揭开计算机硬件如何在操作系统这个系统软件的调度管理下，并行运行多道程序的内在奥秘。）纠正你对计算机可能存在的一些错误认识和看法。并且为第2、12、13章的学习打下牢固的知识基础。本章不需要任何的预备
3、知识，只要你能把本章认真仔细地学习两遍，你就能够真正懂得看似极为神秘莫测、奥妙无穷，到目前为止人类有史以来最伟大、最神奇而又最为复杂的发明计算机（又称为“电脑”。这个伟大发明，汇集了几代人中很多杰出人士的聪明才智和研究成果）是如何工作的基本原理。为达此目的，笔者付出了极大的努力，找到了一种比较好的比喻方法理想厨房系统，由此开始我们的真正理解计算机工作原理的，激动人心的探索旅程。1.1理想厨房系统：理想厨房系统，是一个通过顺序执行菜谱中的各个加工步骤，把原材料加工成菜肴的系统。它由硬件（理想厨房、自动冰箱和三条传送带）和软件（菜谱）组成。1) 硬件部分：理想厨房系统，主要由以下三个硬件部件（即实
4、物部件）构成理想厨房、自动冰箱和三条传送带。自动冰箱：由非常多的大小一样的格子组成，每个格子都有一个唯一的编号，这个编号是从0开始逐1递增的。自动冰箱负责临时保存菜谱、原材料和菜肴。是不是很奇怪？菜谱竟然要和原材料一道，统一存放在冰箱中！三条传送带：负责理想厨房与自动冰箱之间的通信及物品（菜谱中的加工步骤、原料和菜肴）传送。理想厨房：负责根据从菜谱中取到的加工步骤，进行炒菜以及进行相关的控制工作。2) 软件部分：菜谱是理想厨房系统中一个无重量、无体积、不会损坏、可经常更换的，但又极为重要的软件部件（即信息流部件）。菜谱由一个一个的加工步骤顺序组成。注意：术语“理想厨房系统”与“理想厨房”是有区
5、别的，理想厨房只是理想厨房系统中的一个组成部分。理想厨房系统的构成简图如图1.1所示：理想厨房 自动冰箱 碟名 碟中物品 格子编号 格子（存放加工步骤或原料）R0R1 厨具R2 厨师PC 厨房管理员IR 材料传送带地址传送带控制传送带 01234567 图1.1理想厨房系统的构成简图(但图中没有放入软件)理想厨房中各种碟子的作用R0、R1、R2碟是一些通用临时存放碟，用来临时存放从冰箱中取来的原材料或经过加工了的半成品或成品。PC碟：存放一个大于或等于0的整数值，这个值表示：下一个要执行的加工步骤，位于自动冰箱的哪一格中。IR碟：用来存放从冰箱中刚取过来的一个（立刻要执行的）加工步骤。 理想厨
6、房执行菜谱中的加工步骤，其流程完全是周期性的。 厨房管理员首先要根据PC碟中的值，通过三套传送带的协调工作，到自动冰箱的指定格中去取菜谱中的一个加工步骤。取到理想厨房并把它放到IR碟中后，PC碟中的值将会加上1（这是为取下一个加工步骤做好准备）。然后，厨房管理员阅读并分析IR碟中刚取到的加工步骤。根据此加工步骤的指示，去做以下七类工作中的一种： 1通过三套传送带，命令自动冰箱把指定地址格子中的（炒菜加工步骤马上要用到的）原材料（通过材料传送带）传送到理想厨房中来即取物品；2命令厨师按照指令（即加工步骤）的要求，对原材料作一个基本加工操作（做“炒”，“蒸”，“煮”等基本操作步骤中的一个炒菜动作）
7、即加工原材料。 3通过向三套传送带向自动冰箱发命令，把某个碟子中的成品（或半成品）送回到冰箱指定的格子中存放即存物品； 4在厨房的各个碟子或炊具之间传送原料或半成品在厨房内部进行物品传送 ；5根据某个状态碟中的具体条件（比如：加工步骤的预定时间到了、温度够了），不按正常顺序取出并且执行下一条指令，而是根据此指令中给出的（冰箱格子的相对或绝对）地址，跳转到那一格中去取下一条指令即进行（有条件的）跳转。6命令配菜员为某菜配原材料；即输入（在本章不讨论，见第12章）。7命令传菜生端菜给顾客；即输出（在本章不讨论）。 一个加工步骤执行完后，理想厨房立即自动进行下一个完全类似的、新的 取加工步骤执行加工
8、步骤的周期。 注意：为了解说简洁起见，在以下叙述中，我们经常把一个加工步骤称为一条指令，因为一个加工步骤就是一条指导理想厨房如何工作的命令。理想厨房一次只能执行一条指令。一条指令的执行周期，可分为取指子周期和执行子周期这两个阶段。下面我们通过一个实例来讲述理想厨房系统的工作机制。这是本章的一个重点，因为计算机的工作原理，与之极其相似。1.2理想厨房系统的一个炒菜实例（此节最好看光盘中的视频）121现在，我们通过炒制一道香菇炒菜心的例子来说明理想厨房系统的工作过程。 首先，把香菇放在冰箱地址为5的格子中，把菜心放在冰箱地址为6的格子中，冰箱地址为7号的格子，预留给炒好的菜使用。首先，把香菇放在冰
9、箱地址为5的格子中，把菜心放在冰箱地址为6的格子中，冰箱地址为7号的格子，预留给炒好的菜使用。 菜谱的所有加工步骤（又称为指令）从冰箱地址0号格开始依次按照顺序存放，编写香菇炒菜心的菜谱如下：地址0的格子中： 取地址5（中的物品）到R0碟；地址1的格子中： 取地址6（中的物品）到R1碟；地址2的格子中： 将R0碟和R1碟倒入炒锅中炒好倒回R0碟；地址3的格子中： 送R0碟（中的物品）到地址7中； 可见，一共有4个加工步骤。开始时理想厨房系统状态如下图1.3（注意：冰箱格子以及理想厨房碟子中存放的物品都用了斜体字）理想厨房 自动冰箱 碟名 碟中物品 地址 冰箱格子中物品R0R1 厨具R2 厨师P
10、C 0 厨房管理员IR 材料传送带地址传送带0控制传送带 取01234567取地址5到R0碟取地址6到R1碟；将R0和R1炒好倒入R2碟；送R2碟到地址7中；香菇菜心 图1.3菜谱设置完毕后，理想厨房系统开始自动化的工作。1），厨房管理员根据PC碟子中的数字“0”，知道要到冰箱地址为0的格子中取第一条指令（即加工步骤）。于是，厨房管理员向控制传送带上送出一个“取”信号，然后马上将PC碟中的数字“0”复制后放到地址传送带上。这两个信号都会到达自动冰箱。自动冰箱收到这两个信号后，将0号格的内容复印件“取地址5到R0碟”放到材料传送带上，送往理想厨房。理想厨房收到后，将这条指令放到IR碟中。然后，厨
11、房管理员将PC碟中的原来值增加1，以便为取下一条指令做好准备。取指令周期完成后，理想厨房系统处于如下图1.4状态： 理想厨房 自动冰箱 碟名 碟中物品 地址 冰箱格子中物品R0R1 厨具R2 厨师PC 1 厨房管理员IR 取地址5到R0碟 材料传送带地址传送带控制传送带01234567取地址5到R0碟取地址6到R1碟；将R0和R1炒好倒入R2碟；送R2碟到地址7中；香菇菜心 图1.4 厨房管理员读到指令存放碟（即IR碟）中的加工步骤后，知道要到冰箱地址号为5的格子中去取原材料，并且取来后要放到R0碟中。因此，管理员向控制传送带上送出一个“取”信号，然后马上将5这个数放到地址传送带上。 冰箱收到
12、“取”信号后，知道理想厨房要取物品。然后，冰箱从地址传送带得到了5，于是冰箱将地址为5的格子中的物品“香菇”取出来，放到材料传送带上。 材料传送带上的物品“香菇”，传到理想厨房后，按照指令的要求（通过厨房内部的传送带）送到了R0碟中。第一条指令执行完后，理想厨房系统处于如下图1.5所示的状态：理想厨房 自动冰箱 碟名 碟中物品 地址 冰箱格子中物品R0 香菇R1 厨具R2 厨师PC 1 厨房管理员IR 取地址5到R0碟 材料传送带 地址传送带 5控制传送带 取01234567取地址5到R0碟取地址6到R1碟；将R0和R1炒好倒入R2碟；送R2碟到地址7中；香菇菜心图1.52）接下来，开始执行下一条指令的取指周期，类似于前一条指令，在取指周期完成后，理想厨房系统处于如下图1.6状态：理想厨房 自动冰箱 碟名 碟中物品 地址 冰箱格子中物品R0 香菇R1 厨具R2 厨师PC 2 厨房管理员IR 取地址6到R1碟； 材料传送带地址传送带 1控制传送带 取01234567取地址5到R0碟取地址6到R1碟；将R0和R1炒好倒入R2碟；送R2碟
