本文為科普性質(zhì)，適合非計(jì)算機(jī)行業(yè)工作者閱讀
自1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)埃尼阿克(ENIAC)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展和日常生活不可獲取的一部分。他不僅是工作框全，科研的好助手，也是娛樂(lè)干签，生活的好朋友津辩。大部分人都可以熟練使用計(jì)算機(jī)，可大家知道計(jì)算機(jī)是如何工作的嗎容劳？
有人會(huì)問(wèn)喘沿，知道這些有什么用，掌握處理文件竭贩，照片蚜印，瀏覽網(wǎng)頁(yè)，查看視頻的方法不就夠了嗎留量，為何要去了解這些理論的東西窄赋？
其實(shí)，了解計(jì)算機(jī)是有好處的楼熄。了解計(jì)算機(jī)工作原理后忆绰，我們?cè)谔暨x計(jì)算機(jī)的時(shí)候就能夠更有針對(duì)性。我們?cè)谟?jì)算機(jī)卡頓孝赫，空間不足或者出現(xiàn)各種故障的時(shí)候就能有一個(gè)基本的判斷较木。
而如果你是一個(gè)計(jì)算機(jī)工作者，了解計(jì)算機(jī)原理就更加重要了青柄。你可以讓你的軟件充分利用計(jì)算機(jī)資源獲得更好的性能。同時(shí)也不至于因?yàn)殄e(cuò)誤使用資源而造成軟件故障预侯。
那么致开，讓我們開(kāi)始了解自己的計(jì)算機(jī)吧。
認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)
百度百科中將計(jì)算機(jī)定義為"一種用于高速計(jì)算的電子計(jì)算機(jī)器"萎馅，通常又可稱(chēng)為"電腦"双戳，我們?nèi)粘Ｖ凶畛Ｒ?jiàn)的計(jì)算機(jī)包括臺(tái)式計(jì)算機(jī)和便攜式的筆記本電腦。大家提到的計(jì)算機(jī)通常就指這些糜芳。當(dāng)然除了這些常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)飒货，還有大型科研機(jī)構(gòu)使用的超級(jí)計(jì)算機(jī)魄衅，以及手機(jī)，智能手表等各種智能設(shè)備中嵌入的計(jì)算機(jī)塘辅。計(jì)算機(jī)已經(jīng)滲透到我們的生活中晃虫，無(wú)處不在。
雖然這些計(jì)算機(jī)的外觀形態(tài)差異很大扣墩，但基本結(jié)構(gòu)都是類(lèi)似的哲银。任何計(jì)算機(jī)，我們都可以把他簡(jiǎn)單分為三部分：
- 輸入單元 鼠標(biāo)呻惕，鍵盤(pán)荆责，觸摸板，觸摸屏亚脆，麥克風(fēng)做院，這些都屬于輸入單元。我們利用輸入單元濒持，傳遞信號(hào)給計(jì)算機(jī)键耕，讓其按照我們的想法工作。
- 處理單元 這一塊在計(jì)算機(jī)內(nèi)部弥喉，我們通常是看不到的郁竟，它可以處理各種復(fù)雜的運(yùn)算邏輯。例如由境，根據(jù)最近7天的天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)未來(lái)的天氣走勢(shì)棚亩。
- 輸出單元 通常，計(jì)算機(jī)需要將計(jì)算結(jié)果返回給使用者虏杰。顯示屏讥蟆，揚(yáng)聲器，打印機(jī)都屬于輸出單元纺阔。
輸入單元和輸出單元都是可見(jiàn)的瘸彤，也比較好理解，相信大家一定很好奇處理單元是什么笛钝。為什么我們動(dòng)一動(dòng)鼠標(biāo)鍵盤(pán)质况，輸出單元就會(huì)呈現(xiàn)豐富多彩的結(jié)果。下面我們就來(lái)一探究竟玻靡。
計(jì)算和存儲(chǔ)
再?gòu)?fù)雜的計(jì)算機(jī)也離不開(kāi)兩個(gè)基本功能结榄，計(jì)算和存儲(chǔ)。我們以使用excel軟件為例囤捻，說(shuō)明這兩個(gè)功能的作用臼朗。
老師讓小明統(tǒng)計(jì)一下班上同學(xué)的考試成績(jī)，并給出班級(jí)平均分，排名以及各種分析報(bào)告视哑。小明打開(kāi)excel軟件绣否，從老師的紙質(zhì)成績(jī)單中把信息錄入進(jìn)軟件中，并通過(guò)excel的公式計(jì)算功能得到了詳細(xì)的分析報(bào)告挡毅，然后他利用打印機(jī)將結(jié)果輸出并給了老師蒜撮，得到了老師的表?yè)P(yáng)。
我們想一下慷嗜，上面的案例需要用到計(jì)算機(jī)的哪些能力淀弹。 計(jì)算和存儲(chǔ)功能是怎么發(fā)揮作用的？
首先庆械，小明打開(kāi)excel軟件薇溃，在里面錄入了信息。注意缭乘，哪怕我們關(guān)閉計(jì)算機(jī)沐序，下次開(kāi)機(jī)時(shí)還能夠打開(kāi)并擁有其中的數(shù)據(jù)，這說(shuō)明數(shù)據(jù)以一種持久化的形式保存下來(lái)了堕绩。這就是計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能力策幼。
其次，小明利用excel的公式計(jì)算能力奴紧，得到了班級(jí)同學(xué)的平均值和排名特姐。這些信息并不是小明輸入進(jìn)去的。說(shuō)明計(jì)算機(jī)可以加工數(shù)據(jù)黍氮，并產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)唐含，這就是計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。
那計(jì)算機(jī)究竟是如何計(jì)算和存儲(chǔ)的呢沫浆，我們接著往下看捷枯。
CPU，內(nèi)存专执，硬盤(pán)
CPU(Central Processing Unit), 中文名叫“中央處理器”淮捆，是計(jì)算機(jī)的核心。我們通常把它比作計(jì)算機(jī)的大腦本股，由它處理各種復(fù)雜的行為和邏輯攀痊。
內(nèi)存，是一種存儲(chǔ)單元拄显。用于數(shù)據(jù)暫存蚕苇，CPU在處理問(wèn)題時(shí)會(huì)頻繁和內(nèi)存交互，從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)凿叠。一旦掉電，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)將丟失。
硬盤(pán)盒件，屬于外存的一種蹬碧。它也是一種存儲(chǔ)單元，和內(nèi)存不同的是炒刁，它的數(shù)據(jù)掉電不會(huì)丟失恩沽，提供數(shù)據(jù)持久化存儲(chǔ)的能力。硬盤(pán)容量通常比內(nèi)存大的多翔始，但是性能也會(huì)差得多罗心。我們平時(shí)的文件，照片城瞎，電影啥的渤闷，都是存儲(chǔ)在硬盤(pán)中的。
有人把CPU當(dāng)做計(jì)算設(shè)備脖镀，內(nèi)存和硬盤(pán)當(dāng)做存儲(chǔ)設(shè)備飒箭，其實(shí)并不準(zhǔn)確，其實(shí)CPU也有一定的存儲(chǔ)能力蜒灰。我們看一下CPU的結(jié)構(gòu)：
CPU由控制單元弦蹂，存儲(chǔ)單元和運(yùn)算單元組成。
有的同學(xué)看到架構(gòu)圖可能要不耐煩了强窖，說(shuō)好的科普呢凸椿，怎么凈畫(huà)一些看不懂的圖。為了便于大家理解翅溺，我們還是回到前文提到的excel的例子脑漫，想一想CPU的這些單元是怎么互相協(xié)作的。
想象一下未巫，小明選中表格中的所有分?jǐn)?shù)窿撬，計(jì)算平均值這個(gè)操作。excel當(dāng)然不會(huì)直接告訴CPU叙凡，“請(qǐng)給我計(jì)算平均值”劈伴。這樣的指令實(shí)在是太復(fù)雜了，我們的CPU沒(méi)有那么智能握爷。
excel軟件會(huì)處理這些復(fù)雜的工作跛璧，把“求平均值”這種操作轉(zhuǎn)化為一大堆小型操作，例如“取一個(gè)數(shù)”啦新啼， “兩個(gè)數(shù)相加”啦這些追城。
CPU讀取這些基本指令，并作出相應(yīng)的操作燥撞∽控制單元在這里發(fā)揮了“指揮官”的角色迷帜，他不直接進(jìn)行計(jì)算，但它控制指令的讀取流程色洞，并分配任務(wù)給具體的運(yùn)算單元戏锹。
運(yùn)算單元就是干苦力的了，什么加減乘除火诸，邏輯運(yùn)算等等亂七八糟的事情锦针，全是它完成的。 至于具體怎么計(jì)算置蜀，就涉及到邏輯門(mén)電路的知識(shí)了奈搜，我們不再往下延伸。
存儲(chǔ)單元盯荤，是用來(lái)保存一些中間數(shù)據(jù)的馋吗。它的性能比內(nèi)存還要快上許多倍。它的成本也非常昂貴廷雅。受到芯片面積和集成度的影響耗美，它的容量比較小。但是航缀，相信我們的CPU會(huì)把最貴的資源用在刀刃上的~
CPU不僅會(huì)合理利用內(nèi)部的存儲(chǔ)單元商架，還在其他方面做了優(yōu)化，例如指令并行執(zhí)行芥玉。這些知識(shí)比較深蛇摸，對(duì)于一篇科普性的文章來(lái)說(shuō)顯然超綱了。如果你真的感興趣灿巧，不妨找一本《計(jì)算機(jī)組成原理》好好看一看赶袄，一定能解開(kāi)很多疑惑的。
CPU的運(yùn)算速度
不同CPU處理單條指令的運(yùn)算速度抠藕，以及處理海量指令的運(yùn)算能力都是不一樣的饿肺。這和很多因素相關(guān)，例如CPU的架構(gòu)設(shè)計(jì)盾似，緩存容量敬辣，主頻大小，CPU數(shù)量有關(guān)零院。
買(mǎi)過(guò)電腦的人一定聽(tīng)過(guò)主頻這個(gè)詞溉跃，并且大概知道主頻越高，性能越好告抄。那主頻到底是個(gè)啥東西呢撰茎。為了了解這個(gè)問(wèn)題，我們需要再深入一點(diǎn)打洼，從邏輯電路的角度了解下CPU是如何計(jì)算的龄糊。
不同于我們?nèi)粘Ｉ钍褂玫氖M(jìn)制計(jì)算逆粹，計(jì)算機(jī)采用的是二進(jìn)制。（10進(jìn)制的2+2=4, 翻譯成二進(jìn)制就是10+10=100)绎签，使用二進(jìn)制最大的好處就是每一位只有兩種狀態(tài)0和1枯饿， 我們可以通過(guò)某種物理特性的高和低，來(lái)定義這兩種狀態(tài)诡必。
在模擬電路中，我們通過(guò)“電平”來(lái)標(biāo)識(shí)0或者1搔扁。例如對(duì)于5V的CMOS器件而言,高電平指的是3.5V~5.0V,低電平指的是1.5V以下爸舒。那我們完全可以設(shè)定一個(gè)閾值，比如大于2.5V的為高電平(用1表示)稿蹲，低于2.5V的為低電平(用0表示)扭勉。
設(shè)想一下， 如果計(jì)算機(jī)用十進(jìn)制計(jì)算苛聘，你就需要給具體的電子元器件10個(gè)狀態(tài)涂炎，每個(gè)狀態(tài)的范圍必然就很小，這就勢(shì)必造成潛在的風(fēng)險(xiǎn)设哗。 比如由于工藝上的差別唱捣，如果元器件把狀態(tài)6和狀態(tài)7搞錯(cuò)了，往往會(huì)造成想象不到的損害网梢。
可以說(shuō)震缭，一切的計(jì)算，都是通過(guò)0和1來(lái)完成的战虏，CPU是一個(gè)大規(guī)模的集成電路，其中數(shù)以?xún)|計(jì)的晶體管。CPU工作的時(shí)候辽幌，其實(shí)就是不斷的改變這些晶體管的信號(hào)（0變成1基茵，1變成0）而信號(hào)改變的快慢就決定了CPU的運(yùn)算速度。這個(gè)信號(hào)改變的快慢由主頻決定手趣。
CPU的運(yùn)算速度還和CPU架構(gòu)和CPU核心數(shù)有關(guān)晌该，通常新一代架構(gòu)的運(yùn)算能力都會(huì)超越老一代架構(gòu)。這里面水比較深回懦，筆者也不甚了解气笙，從略。
CPU核心數(shù)也是一個(gè)重要指標(biāo)怯晕，不過(guò)它往往沒(méi)有你想象中那么大潜圃。比如8核電腦的運(yùn)算能力是4核的2倍嗎？其實(shí)根本達(dá)不到舟茶。多核CPU的好處是可以讓軟件把獨(dú)立的多條指令發(fā)給多個(gè)CPU處理谭期，這實(shí)際上要看軟件的寫(xiě)法堵第。而大部分軟件使用單核CPU就足夠了。所以單核的性能也是非常重要的隧出。
這些比較底層的知識(shí)踏志，賣(mài)電腦的人往往不會(huì)告訴你。他們只會(huì)跟你說(shuō)胀瞪，我給你推薦一個(gè)CPU针余， 10核的，比你這個(gè)便宜凄诞，性能還好圆雁。這種情況下，如果你相信他帆谍，八成就被坑了伪朽。
當(dāng)然，如果你從這篇文章里學(xué)到一點(diǎn)皮毛后就自以為很懂電腦汛蝙，也是很容易被坑的烈涮。好在現(xiàn)在是信息時(shí)代，你可以在互聯(lián)網(wǎng)的各種專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站上查看每個(gè)配件的性能或者排名窖剑，這會(huì)讓你更加從容坚洽。
聊聊存儲(chǔ)
聊完了CPU的運(yùn)算能力， 我們?cè)倭牧拇鎯?chǔ)苛吱。
上文提到了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)分為內(nèi)存和外存(硬盤(pán)酪术，移動(dòng)硬盤(pán)等)。實(shí)際上翠储， CPU內(nèi)部還有一個(gè)性能更高的存儲(chǔ)單元绘雁。
我們?cè)趺礃尤ダ斫膺@些存儲(chǔ)單元呢。
實(shí)際上援所，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)庐舟，直接使用的都是外存，比如硬盤(pán)住拭，移動(dòng)硬盤(pán)挪略，U盤(pán)這些，它們持久化了我們的數(shù)據(jù)滔岳。而內(nèi)存和CPU存儲(chǔ)單元這些都是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的操作杠娱，我們無(wú)需關(guān)心。
為了便于理解計(jì)算機(jī)關(guān)于存儲(chǔ)的工作方式谱煤，我們還是舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明摊求。
假設(shè)你臨時(shí)租了一個(gè)公共辦公室。辦公室里有一張桌子刘离，和一組柜子室叉。樓下還有一個(gè)倉(cāng)庫(kù)睹栖。當(dāng)你離開(kāi)辦公室的時(shí)候，房間里的東西都會(huì)被清理掉茧痕。而樓下的倉(cāng)庫(kù)可以長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)你的資料野来。
可以想想一下大家會(huì)如何工作。首先從倉(cāng)庫(kù)里取一些資料帶入辦公室踪旷，最常用的那些放在桌子上隨手可取曼氛。 比較常用的放在柜子里，需要的時(shí)候查閱埃脏。 其實(shí)計(jì)算機(jī)也是這樣工作的搪锣。
有不少朋友會(huì)覺(jué)得4G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)(手機(jī))比2G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)(手機(jī))快一倍，其實(shí)這個(gè)認(rèn)知是完全錯(cuò)誤的彩掐。內(nèi)存大的設(shè)備，處理數(shù)據(jù)會(huì)更加從容灰追。而內(nèi)存小的設(shè)備堵幽，處理起來(lái)往往捉襟見(jiàn)肘，每當(dāng)內(nèi)存快用完時(shí)弹澎，就要呼叫“清理工”朴下，清理一些廢棄數(shù)據(jù)，騰出可用的內(nèi)存空間苦蒿。如果清理工的速度不夠快殴胧，軟件就會(huì)因?yàn)閮?nèi)存資源耗盡而停止工作。
當(dāng)然佩迟，如果你的軟件不需要暫留太多中間數(shù)據(jù)团滥，你的內(nèi)存永遠(yuǎn)也占不滿(mǎn)，那么你的內(nèi)存再大也不會(huì)讓你的運(yùn)算速度變快报强。
還有一個(gè)問(wèn)題就是為什么要定期做內(nèi)存清理呢灸姊，尤其對(duì)于我們的手機(jī)而言。對(duì)于軟件來(lái)說(shuō)秉溉，它不僅能在前臺(tái)接收你的指令力惯，展示計(jì)算結(jié)果。還有可能在后臺(tái)進(jìn)行各種計(jì)算召嘶，這些計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都是要占用內(nèi)存空間的父晶。如果你不及時(shí)關(guān)閉他們，他們就一直占用空間弄跌。
有些比較流氓的軟件還會(huì)占用比較多的空間甲喝，最終導(dǎo)致你正在使用的軟件空間都不夠用了。所以碟绑，及時(shí)清理是一個(gè)比較好的習(xí)慣俺猿。
說(shuō)到內(nèi)存茎匠，筆者自己遇到過(guò)一個(gè)很有趣的例子。
有人曾找我說(shuō)自己電腦性能很差押袍，打開(kāi)一個(gè)excel都會(huì)內(nèi)存不足诵冒。我第一反應(yīng)就是不可能。等我親自試驗(yàn)后谊惭，發(fā)現(xiàn)果然如此汽馋，excel占用了大量的內(nèi)存資源。
是什么原因?qū)е碌哪兀?我仔細(xì)看了一下文件大小圈盔，發(fā)現(xiàn)excel占用的硬盤(pán)空間達(dá)到上百兆字節(jié)豹芯。真的有這么多數(shù)據(jù)嗎，其實(shí)是由于誤操作導(dǎo)致的（錯(cuò)誤的拖拽導(dǎo)致了大量的空行和空列）驱敲，去掉這些空行空列后铁蹈，文件操作的性能瞬間就正常的。
最為滑稽的是众眨，這一份文件被很多人使用過(guò)幾個(gè)月之久握牧，沒(méi)人發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題，反而抱怨電腦越來(lái)越卡了娩梨。
是不是懂一點(diǎn)電腦知識(shí)沿腰，對(duì)日常工作生活很重要呢~
這篇文章主要給大家聊了一下計(jì)算機(jī)的基本組成，以及計(jì)算和存儲(chǔ)這兩個(gè)功能涉及到的一些基本知識(shí)狈定。本文作為一篇科普文章颂龙，基本是點(diǎn)到即止，如果大家想更深入的了解相關(guān)知識(shí)纽什，建議閱讀《計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》措嵌，筆者當(dāng)年用的教材是下面這本書(shū)。
