《Java 7程式設計入門經典》一1.1 計算基礎

考慮到你正在修一門程式設計課程，你可能已經對計算科學的基礎知識有了一定的了解。但是，不是所有人都有同樣的知識，或某些知識可能是不準确的。為此，在介紹java語言之前，先介紹計算科學中的一些核心概念。在這個過程中，本章會定義一些關鍵術語。

由于計算機最終會運作編寫的程式，是以了解計算機各部分運作的基本方式是有幫助的。任意一台計算機都由一系列的部件組成，它們協同運作，形成一個計算機整體。盡管計算機組成的部件随着時間推移不斷演進，但是計算機仍有許多共同的關鍵特性。例如，一個台式計算機包含的基本元素在智能手機中也能找到。

為了有效工作，一台計算機至少包括要有以下組成部分：

中央處理器（cpu）

記憶體

輸入/輸出裝置

下面逐一進行介紹。

cpu提供了計算機基本的計算能力。它通過執行組成程式的指令實作計算。所有的cpu都能識别某一種特定的指令集（instruction set）。指令集定義了cpu能夠執行的操作種類。例如，許多cpu支援的指令有：基本算術運算、從記憶體中載入和存儲資料、進行邏輯比較、改變程式流等。另外，為了通路記憶體，許多cpu包括有限數量的寄存器（register），為資料提供快速的短期存儲。

cpu執行的指令稱為機器指令（machine instruction）或機器碼（machine code）。一個機器指令能執行的運算很少。例如，一個指令也許隻能把一個寄存器的值移動到另一個寄存器上，或把一個值從寄存器移動到記憶體中，或對兩個寄存器的值進行比較。一般情況下，一類cpu的指令集與其他類型的cpu的指令集并不相同。是以，為一類cpu設計的指令集通常不能用于另一類cpu上。有時存在一些cpu系列，它們保持後向相容性，但無關的cpu的指令集通常不同。

機器指令通常不易于人類閱讀。它們具有為友善計算機使用而編碼的形式。但是，有可能用助記符來表示這些指令，使機器指令适于人類閱讀。這種形式稱為彙編語言（assembly language）。例如，将資料從一個地方移動到另一個地方的指令可以用助記符表示為mov，比較兩個值的指令可以記為cmp。将彙編語言轉換為計算能執行的形式的程式稱為彙程式設計式（assembler）。但是，像java這樣的語言通常是一種更好的選擇，是以當今很少有人編寫彙編語言。

計算機記憶體用于存儲指令和資料，其中指令是用機器指令的形式存儲的。記憶體主要用于在程式執行的過程中儲存資訊。它并不用于長期存儲。計算機中的記憶體是可尋址的（addressable），即cpu可以通過給定位址來通路記憶體中的某一特定位置。記憶體常常又稱為ram，它是随機存儲器（random access memory）的縮寫。

當cpu執行程式時，它先從記憶體中獲得指令，然後執行指令指定的操作。接着，它在獲得下一條指令，執行它，循環往複。在預設情況下，指令從記憶體中順序讀取。但是，有些指令能夠改變執行流，跳轉到一個不同的記憶體區域。

現在，人們使用着各種各樣的輸入/輸出（i/o）裝置，包括鍵盤、顯示器、滑鼠、觸摸屏、語音輸入和聲音輸出等。它們事實上有着同樣的功能，它們使計算機能夠收發資訊。輸入/輸出裝置常常用于使人們能同計算機互動。但是還有一些輸入/輸出裝置是計算機用于與其他裝置通信的，比如儲存設備、網絡擴充卡和像機器人似的控制接口。

除了以上描述的幾種關鍵部件外，許多計算機還有儲存設備，例如硬碟、dvd和閃存。許多計算機還能聯網，連接配接到internet或區域網路。為了使計算機能夠聯網，計算機需要網絡擴充卡。

當今，幾乎沒有人沒聽說過位（bit）、位元組（byte）和二進制（binary）。這些詞彙已經成為人們的日常用語。由于它們是計算領域中非常基礎的概念，是以正規地定義它們非常重要。

1）二進制計數系統

在最底層，計算機使用0和1工作，是以它需要基于0和1的計數系統。這個計數系統稱為二進制計數系統。二進制計數系統就如我們通常使用的十進制計數系統一樣工作，除了每個數位的權重不同。你也許已經知道，在十進制中，每從右往左移動一位，其表示的值的個數總比上一位表示的值的個數大十倍。于是，十進制數基于10的幂次：最右邊的數位表示1的個數，其左邊一位表示10的個數，然後是100的個數，等等。例如，數423表示四百二十三，因為其中有4個100，2個10和3個1。

二進制有着相同的工作原理，隻是每從右往左移動一位，其表示的值的個數增加為上一位的2倍。于是，第一個二進制位（指最右邊的位）表示1的個數，往左一位表示2的個數，然後是4的個數，8的個數，等等。這意味着，一個二進制的前8位表示以下數值：

128　64　32　16　8　4　2　1

例如，二進制數1010就是十進制數10。其原因是，二進制數1010有0個1，1個2，0個4，1個8。是以，0+2+0+8等于10。再來看一個例子：二進制數1101就是十進制數13，因為它有1個1，0個2，1個4和1個8，是以1+0+4+8等于13。正如你所見到的，如果要把二進制數轉化為十進制數，隻需要把1所在的數位表示的值相加即可。

2）位和位元組

在計算機中，位可以用來表示一個二進制數位。一個位可以置位，也可以複位。置位的位是1，複位的位是0。位可以進行分組。一種最常見的形式是位元組。通常認為一個位元組含有8個位。這意味着位元組可以表示0～255之間的數值。

另外，還有一種組織形式稱為字（word）。通常認為，一個字的大小與特定的cpu架構相容。例如，32位計算機上每個字有32位，即4個位元組。

為了友善，二進制數常常每4個一組（有時每8個一組）進行分組，例如：1011 1001。這使得數字更加容易閱讀和了解。但是，這樣的分組對其表示的數值沒有任何影響。

計算機的硬體部件由作業系統（operating system）管理和通路。作業系統是一個控制計算機的主程式。作業系統是計算機科學的核心研究内容之一，在這裡不可能詳細介紹。幸運的是，隻需要一點簡單的概述知識就夠我們使用了。

作業系統主要有兩大功能。首先，它提供底層功能，使其他程式能夠使用計算機的資源。例如，可以通過使用作業系統提供的服務，将資訊儲存在硬碟上。其次，作業系統能夠控制其他程式的運作。例如，它為其他運作的程式提供記憶體空間、為其運作排程cpu時間，監控其資源使用狀況。

有許多常見的作業系統，如：windows、unix、linux、mac os、ios和android。一般來說，程式在設計時必須運作于一個特定的作業系統。例如，以windows為運作平台的程式不能在unix作業系統上運作，除非該程式經過特别的移植。