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第1章 计算机概念和技术 文明的进步是通过许多不必思索就可以完成的重要措施取得的。 Alfred North Whitehead 数学引言，1911 1.1简介 1 1.2程序内部 3 1.3深入内部 6 1.4集成电路：推动创新 14 1.5实际资料：制造Pentium芯片 16 1.6谬误和陷阱 18 1.7结论 19 1.8历史回顾和参考文献 21 1.9重要术语 32 1.10习题 33 1.1简介 欢迎阅读本书！我们很高兴有机会传播计算机界令人兴奋的事情。这不是一个枯燥沉闷、进展缓慢的领域，新想法由于被忽视而遭到扼杀。不！计算机系统对一个重要的产业——占美国全国总产值的5%到10%——有至关重要的关系，并且这个不寻常的产业正在以惊人的速度发展。自1985年以来已经出现了六种似乎将导致计算机产业大革命的新机器；仅仅因为有其他人制造了更好的计算机就中断了这些革命。 自19世纪四十年代末计算机出现以来这种创新的速度已经导致了空前的进步。举例来说，如果交通运输业保持计算机产业的发展速度，今天我们可以用50美分在5秒内穿越大洋。请花一点时间关注这种进步将如何改变社会——住在大溪地岛而工作在旧金山，晚上去莫斯科出席芭蕾舞会——现在你能够正确评价这样的改变的含义了。 计算机促进了人类第三次文明革命，伴随着信息革命与农业和工业革命。结果大大地增强了人类智慧力量，并且很自然对科学产生同样的影响。现在科学研究中有一个新的倾向，计算科学家与理论和实验科学家共同合作，在天文学、生物学、化学、物理学等等新的前沿领域进行探索。 计算机革命还在继续。每次革命都可使计算成本降低10倍，而使用计算机的机会则成倍增加。经济性上原本不可行的应用忽然成为实用。就在不久的过去，下列的应用还只是“计算机科学幻想” 自动出纳机：位于银行墙壁中用于分发和收集现金的计算机在19世纪五十年代是个荒谬的想法，那时最便宜的计算机至少要$500,000并且有一辆车那么大。 汽车中的计算机：计算机控制汽车这种想法是荒唐的，直到19世纪八十年代早期微处理器在性能和价格上有了显著的改进。今天，计算机减少了污染，通过引擎控制改进燃油效率，通过阻止危险的打滑和控制给气囊充气在事故中保护车上人员来提高安全性。 掌上计算机：谁曾经梦想过计算机系统的进步会导致出现掌上计算机，学生可以带着计算机去咖啡屋或乘飞机？ 人类基因组计划：绘制人类DNA序列所需要的计算机设备的成本将是几十亿美圆。如果计算机的花费高出10到100倍，就像10到20年前有的，任何人都不可能考虑这个计划。 全球网：在本书的第一版时它还不存在，现在全球网正在改变我们的社会。使用者在它上面发布新闻、送花、从在线目录选购物品、通过电子导游决定渡假地、找到与你有共同爱好的人，甚至更通俗的话题如找到你的课本作者的演讲记录。 显然，这个技术的进步现在影响了我们社会几乎所有的方面。硬件进步已经允许程序员编制优秀的应用软件，并解释了计算机为什么会无所不在。明天关于计算机应用的科学幻想是无现金社会、自动智能高速公路、真正到处存在的计算：没人携带计算机，因为它们无处不在。 成功的程序员总是关心他们程序的性能，因为在编制成功的软件中最要紧的是让用户尽快得到结果。在19世纪六十年代和七十年代，计算机性能的主要局限是计算机内存的大小。于是程序员经常遵循一个简单的信条：将内存使用减到最小以加快程序。在最近十年，计算机设计的改进和内存技术的进步已经极大地减小了小内存的重要性。对性能感兴趣的程序员现在需要了解已经取代19世纪六十年代的简单内存模式的问题：存储器的多级性质和处理器的并行性质。程序员寻求建立有挑战性的编译器、操作系统、数据库甚至应用程序，因此将需要增加他们在计算机组织结构方面的知识。 我们很荣幸有机会解释在这个革命性的机器内部有些什么，阐述你的程序之下的软件和你的机器盖子下的硬件。到你读完本书的时候，你将明白用计算机自己的语言编程的秘密、计算机内部组织和它如何影响你计算机的性能、甚至如何着手设计一个你自己的计算机。 第一章为本书其余的部分打基础。介绍基本思想和定义、展望主要的软硬件部分的前景并介绍集成电路——促进了计算机革命的技术。 1.2程序内部 在巴黎当我对他们说法语时他们只是瞪着我；我从来也没能成功地让这些白痴明白他们自己的语言。 马克·土温，天真无邪的外国人，1869 为了对电子机器讲话，你需要发送电子信号。能让机器理解的最简单的信号是开和关，于是机器的字母表只有两个字母。正如26个字母的英文字母表没有限制能写多少字一样，计算机字母表的2个字母也没有限制计算机能够做什么。代表这两个字母的两个符号是数字0和1，并且我们通常认为机器语言相当于二进制数。我们称每个“字母”为一个二进制数位或位。计算机是听从我们命令的奴隶；因此，