計(jì)算機(jī)是怎樣的構(gòu)成的？為什么計(jì)算機(jī)的零部件能完成它們的工作？如果你對(duì)此感到好奇，那你并不孤單。而且也正是這樣的好奇心將我們?cè)S多人帶入了信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的工作和研究領(lǐng)域，我們追求知識(shí)，磨礪我們的技能，我們享受這一路追求的每一分每一秒。
二進(jìn)制
首先我們先來(lái)了解一下我們是怎樣使用電來(lái)處理信息的。
首先假設(shè)電就是電子流，而信息就是能夠呈現(xiàn)出兩種或多種狀態(tài)的事物所表現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)。事實(shí)上，你能想到的任何可能的兩種事物狀態(tài)都可以用來(lái)攜帶信息。首先，兩個(gè)不同的狀態(tài)可以用來(lái)表示“是”和“非”，兩個(gè)狀態(tài)非此即彼，那么你就能總能得到一個(gè)有效的輸出。盡管這些輸出可能并不正確，但是其總是有兩個(gè)有效的取值。這樣我們就可以把所有的信息都通過(guò)兩種可能的狀態(tài)來(lái)呈現(xiàn)。通過(guò)合適的邏輯編碼我們可以用兩種狀態(tài)來(lái)表示事物的更多種狀態(tài)，這可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)集采用合適的函數(shù)計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。換句話說(shuō)，你可以使用函數(shù)來(lái)計(jì)算你獲得的數(shù)據(jù)集，并得到一個(gè)結(jié)果。在數(shù)學(xué)上，你可以將這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單理解為輸入之后得到輸出。所有的信息都可以轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼，而二進(jìn)制是可以進(jìn)行計(jì)算的。這樣我們就可以使用兩個(gè)狀態(tài)來(lái)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行計(jì)算了。
電子流
談過(guò)信息理論之后，我們?cè)賮?lái)談一談電。因?yàn)殡姷母拍詈芎?jiǎn)單，本質(zhì)上就是電子流，而且這些電子流可以很容易利用磁場(chǎng)進(jìn)行控制。在元素周期表上，你可以將所有的材料分成三類：絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體。這三種分類的劃分依據(jù)是其中電子的流動(dòng)性能，絕緣體能阻止電流而導(dǎo)體允許電流通過(guò)，半導(dǎo)體的性質(zhì)則處于兩者之間。因?yàn)樘幚砥餍枰獙?duì)電流中的攜帶的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以大多數(shù)計(jì)算機(jī)的都建立在半導(dǎo)體的基礎(chǔ)上。電流只能在閉合的回路中流動(dòng)，所以為了使電子穿過(guò)計(jì)算機(jī)中的電路，所使用的材料必須要能夠?qū)щ?。但是為了能讓信息可以進(jìn)行二進(jìn)制處理，我們需要讓電流呈現(xiàn)兩種狀態(tài)。但是電流本身并不能依靠自己呈現(xiàn)兩種狀態(tài)，所以我們需要關(guān)閉電流切斷或分成片狀來(lái)形成兩種狀態(tài)。當(dāng)持續(xù)的電流被切分成導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)時(shí)，就形成了可供處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；又因?yàn)槲覀兛梢园阉械男畔⒍嫁D(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)（數(shù)字化），我們也就可以用計(jì)算機(jī)來(lái)處理所有信息。所以計(jì)算機(jī)可以這么強(qiáng)大，只要通過(guò)合適的編碼和足夠的算力，我們幾乎可以用計(jì)算機(jī)來(lái)處理所有已知的信息。
電腦各組件
你知道計(jì)算機(jī)的工作需要多少組件嗎？和所有復(fù)雜的機(jī)器一樣，計(jì)算機(jī)也是由各種組件組成的，當(dāng)然，計(jì)算機(jī)的組成架構(gòu)和原理有自己的特點(diǎn)。狹義來(lái)講，計(jì)算機(jī)是指能夠處理算術(shù)和邏輯指令的可編程計(jì)算設(shè)備。但我們通常所稱的計(jì)算機(jī)（也叫“電腦”）則包括了中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)適配器、圖形處理器（GPU）、電源模塊和一個(gè)作為各組件連接中樞的主板。
CPU
中央處理器（CPU）由三個(gè)基本單元組成，它們分別是算術(shù)邏輯單元（ALU）、寄存器和控制單元。三個(gè)組分協(xié)同工作才能完成二進(jìn)制信息的計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的不同的基本功能。這些基本功能可以統(tǒng)稱為輸入/輸出（I/O）或數(shù)據(jù)吞吐功能。也可以認(rèn)為CPU是微處理器，尤其當(dāng)其上還集成了存儲(chǔ)控制器、外圍設(shè)備和附加核心或插口的時(shí)候。集成型微控制器有時(shí)專指片上系統(tǒng)（SoC），因?yàn)槠渖霞闪丝梢赃\(yùn)行嵌入式系統(tǒng)的集成電路。
RAM
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）是用來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的。因?yàn)槭桥R時(shí)的，所以計(jì)算機(jī)斷電后其中的數(shù)據(jù)就會(huì)丟失；也就是說(shuō)關(guān)閉或重啟計(jì)算機(jī)后，RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就會(huì)被完全擦除。但是RAM的數(shù)據(jù)存取速度卻比其它的永久性存儲(chǔ)介質(zhì)快得多。當(dāng)計(jì)算機(jī)加載屏幕時(shí)，就是將速度較慢的硬盤(pán)中的數(shù)據(jù)加載到速度更快的RAM中。RAM速度快當(dāng)然是有原因的，其中最重要的就是其使用的接口。RAM直接與主板相連，然后通過(guò)相應(yīng)的總線直接連接到CPU，這使得CPU和RAM之間的延遲非常低，從而能實(shí)現(xiàn)極大的數(shù)據(jù)吞吐率。當(dāng)然，巨大的帶寬也起到了很大的作用。你可以將內(nèi)存總線和帶寬看作是數(shù)據(jù)流動(dòng)的路徑。路徑越多，那么數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣染驮娇?，于是?jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力也就越好。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備
而如果要長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，我們就需要用到其它技術(shù)，目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最常用的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)設(shè)備是硬盤(pán)（分為機(jī)械硬盤(pán)和固態(tài)硬盤(pán)兩種）。這些存儲(chǔ)設(shè)備中存儲(chǔ)的信息在設(shè)備斷電之后依然會(huì)長(zhǎng)期保存。存儲(chǔ)設(shè)備最主要的功能當(dāng)然是存取數(shù)據(jù)，所以衡量存儲(chǔ)設(shè)備主要標(biāo)準(zhǔn)就是數(shù)據(jù)存取速度和可用的存儲(chǔ)容量。除了硬盤(pán)，還可以在計(jì)算機(jī)上使用其它的存儲(chǔ)設(shè)備，如：軟盤(pán)、光盤(pán)、優(yōu)盤(pán)；其中有的存儲(chǔ)設(shè)備還需要額外的硬件支持。
電源模塊
電源模塊是給計(jì)算機(jī)提供能量的部件。該部件能將供電網(wǎng)絡(luò)中的220V交流電轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可用的12V直流電。另外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也可以使用電池供電，目前最常見(jiàn)的電池是鋰離子電池。
主板
主板是用來(lái)連接以上所有組件的一種特制的印刷電路板（PCB）。主板上通常集成了大量的元器件和接口，能夠連接大量不同的設(shè)備和器件。根據(jù)品牌和型號(hào)的不同，不同主板上集成的組件也不盡相同。
顯示器
顯示器是我們從計(jì)算機(jī)獲取信息的最主要媒介，目前大部分的顯示器都是液晶顯示器，傳統(tǒng)還有陰極射線管（CRT）顯示器，新穎的則有AMOLED顯示器。而目前很多液晶顯示器也配置了觸摸功能模塊，使得顯示器不再僅僅是信息輸出設(shè)備，也具備了信息輸入的能力。而所有的顯示器的共同點(diǎn)就是它們的顯示方式都是像素式的。每個(gè)像素包含三個(gè)發(fā)光單元，每個(gè)單元在合適的處理之后顯示紅綠藍(lán)三種不同的顏色，而根據(jù)三者發(fā)光強(qiáng)弱的改變，從而可以在使用者眼里呈現(xiàn)不同的顏色變化。
網(wǎng)絡(luò)適配器
在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，網(wǎng)絡(luò)適配器是十分重要的組件。這讓計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和其它計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)適配器有有線的，也有無(wú)線的。網(wǎng)絡(luò)通信有不同的協(xié)議，對(duì)這些協(xié)議的支持需要特定的硬件和軟件支持。通常來(lái)說(shuō)，有線網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)會(huì)更快更穩(wěn)定，但這并不是絕對(duì)的。
外接存儲(chǔ)
光驅(qū)現(xiàn)在很廉價(jià)，也很方便購(gòu)買(mǎi)。但隨著優(yōu)盤(pán)設(shè)備等性能和便攜性更優(yōu)的存儲(chǔ)設(shè)備的出現(xiàn)，光盤(pán)的重要性也越來(lái)越低。
圖形處理器
對(duì)圖形顯示有較高要求的應(yīng)用對(duì)圖形處理器的要求也更高。正是這些才讓我們能夠看到一年比一年更逼真的動(dòng)畫(huà)電影。另外因?yàn)镚PU的并行處理性能，它們也在大型數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)中得到了很好的應(yīng)用。圖形處理器和通用處理器的最大區(qū)別是通用處理器在任務(wù)處理時(shí)并不存在偏頗，而圖形處理器的目標(biāo)處理對(duì)象就是用于屏幕顯示的數(shù)據(jù)；所以側(cè)重點(diǎn)不一樣?？梢宰鰝€(gè)比方：CPU是各科都還不錯(cuò)的考試達(dá)人，能完成各科的作業(yè)，但是單科成績(jī)很一般；而GPU則是嚴(yán)重偏科的天才。但現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了CPU和GPU的融合，成為集成圖形處理或融合處理器（APU）。而隨著HSA架構(gòu)的出現(xiàn)，兩者之間的差別也正在進(jìn)一步縮小。
總結(jié)
總結(jié)一下，計(jì)算機(jī)是能用來(lái)做算術(shù)和邏輯運(yùn)算的機(jī)器。它處理的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中，顯示在顯示器上。而操作系統(tǒng)是人機(jī)交互的橋梁，用戶可以使用操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行高層次的交互 。你在顯示器上看到的一切都是二進(jìn)制編碼的像素表現(xiàn)形式。二進(jìn)制數(shù)據(jù)的基本形式是開(kāi)和關(guān)（1和0），這兩種表現(xiàn)形式和計(jì)算機(jī)所用材料的性質(zhì)有關(guān)。目前計(jì)算機(jī)所使用的基本材料是半導(dǎo)體材料（主要是硅）。由半導(dǎo)體材料制備的晶體管具有快速開(kāi)關(guān)的特性。計(jì)算機(jī)中的晶體管數(shù)量越多，計(jì)算機(jī)的處理性能就越強(qiáng)，目前的計(jì)算機(jī)芯片已經(jīng)能夠集成數(shù)十億個(gè)晶體管。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也正向小型化和更多樣化的方向發(fā)展，將繼續(xù)在人類文明的進(jìn)化中發(fā)揮愈加重要的價(jià)值。
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