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之前一直有一个疑问:我们现在用的电脑可以听歌,看视频,聊天,上网......,而很少进行加减乘除运算,那为什么也叫计算机呢?

后来读了计算专业,学习了相关的专业课才搞明白,其实听歌、上网等本质上也属于计算,只是表现形式感觉上不像计算而已。传统说法中我们一提到计算机,往往会联想到这个(如下图所示):

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其实我们的电脑中也有类似的功能(如下图所示):

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可以看到,在计算机中,实现加减乘除等计算操作的功能仅仅需要一个应用软件就行了。其实我们现在使用计算机的场景已经远远超出了传统的计算范畴了。可以用于办公、娱乐、科学......更广泛的领域。

接下来我们更加深入的分析一下,为什么像听歌、上网等这样的操作也叫计算呢?

这要从计算机的工作原理的角度进行分析。我们人类现在主要采用十进制进行数据计算,数字包括0-9共10个数字,而计算机底层其实采用的是二进制进行计算的,所谓二进制,一共有0和1两个数字,满2进一位,比如101这样的二进制,如果换算成十进制就是5(二进制和十进制直接可以相互转换)。

那么计算机为什么采用二进制进行计算呢?主要是从制造的角度比较容易实现,因为计算机需要有电才可以工作,所以从电学的角度,可以通过高低电平表示两个状态(比如高电平表示1,低电平表示0;或者也可以认为电路通电表示1,电路断开表示0)。所以从本质上来说,计算机表示二进制数字,其实是通过开关来实现的。

我们知道计算机也称之为电脑,那么这个电脑的核心称之为CPU(Central Process Unit 中央处理单元),也就是电脑中真正的大脑。那么CPU就是实现计算和控制的核心部件,但是从电学结构的角度来说,CPU就是一堆开关。但是这些开关是按照特定的逻辑关系集成到一起的,就是所谓的集成电路,这个电路规模是非常大的(甚至有几十亿个开关),CUP的结构如下图所示:

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早期这些开关采用“电子管”实现,但是可靠性、成本和功耗都比较大。后来随着技术的发展,新发明的半导体晶体管替代了电子管,那么计算机开始向着小型化,高性能、高可靠的方向发展。并且随着集成电路生产工艺的进一步提高,现在手机中的CPU的集成度达到了更高的水平(比如7纳米),可以降低设备功耗,从而让你可以少充几次电,用户体验越来越好。

了解了计算机采用二级制进行工作之后,我们以听歌为例,说明一下为什么听歌叫计算呢?

这还要提到一个词:数字化。其实歌曲在录音机采集音频时,会进行数字化处理,把音频信息采用二进制的方式进行表示,但是在数字化表示时,需要遵循一定的格式(比如mp3、wav等),其实不同的音频格式采用了不同的数据处理和压缩算法,从而保证音频数据的存储和播放的质量。

二进制数据本质上的计算包括与、或、非等操作(关于二进制的计算有一个数学分支:布尔代数,专门研究二进制的计算)。CPU的开关按照电学的逻辑关系进行设计,从而支持二进制层面与或非等逻辑运算,从而支持最底层的计算操作。