10 分鐘聊聊計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)的組成主要分為以下幾個(gè)部分：

• 輸入單元：鍵盤、鼠標(biāo)、讀卡器、掃描機(jī)等等由外部設(shè)備向計(jì)算機(jī)內(nèi)部輸入信息的設(shè)備單元。
• 主機(jī)部分：主機(jī)部分通常叫做系統(tǒng)單元，位于主機(jī)機(jī)箱內(nèi)部，主要包括 CPU、內(nèi)存、顯卡、硬盤、電源等設(shè)備。
• 輸出單元：計(jì)算機(jī)向外部世界輸出信息的設(shè)備單元，包括顯示器、打印機(jī)等。

理論上，主機(jī)的運(yùn)行是不需要輸入單元和輸出單元的，但是計(jì)算機(jī)最終要為人類服務(wù)，所以沒有輸入單元和輸出單元，是無法為我們提供幫助的，沒有輸入單元和輸出單元的計(jì)算機(jī)也沒有任何價(jià)值。

不過計(jì)算機(jī)的核心就是位于主機(jī)部分的硬件設(shè)備，如果你拆開過機(jī)箱就會發(fā)現(xiàn)，主機(jī)內(nèi)部其實(shí)就是一塊主板，主板上安插了各種硬件設(shè)備，CPU、內(nèi)存、硬盤等都安裝在主板上面。

整部主機(jī)最重要的就是 CPU，CPU 也叫做中央處理器，CPU 的內(nèi)部有非常多的芯片，還有一種稱為微指令集的東西，這些微指令集可以做各種操作，不同的 CPU 型號能做的操作也不同。CPU 的主要工作就是運(yùn)算和指令處理，分管這兩個(gè)功能的單元分別被稱為算術(shù)邏輯單元和控制單元。所以說 CPU 的主要工作就是獲取外部提供的數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)算、指令處理后再傳輸給外部設(shè)備。

那么 CPU 獲取的信息究竟是從哪來的呢？

由內(nèi)存提供。而內(nèi)存提供的信息和數(shù)據(jù)則是由輸入單元通過總線放入內(nèi)存中的。CPU 在執(zhí)行完運(yùn)算后，也需要把數(shù)據(jù)寫回到內(nèi)存中，由內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)捷敵鰡卧?，?jīng)過輸出設(shè)備處理后讓我們使用。

CPU 架構(gòu)

CPU 架構(gòu)是一切設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，我們使用的軟件都要通過 CPU 內(nèi)部的微指令進(jìn)行處理后才能發(fā)揮其作用。而這些微指令又被分為兩種設(shè)計(jì)：精簡指令集 ( RISC ) 和 復(fù)雜指令集 ( CISC ) ，我們來討論一下他們的差異。

• 精簡指令集 RISC

精簡指令集顧名思義就是微指令集較為精簡，單個(gè)微指令無法處理太過復(fù)雜的操作，完成的動作也比較單一；不過此類指令集處理性能比較好，但是要做更復(fù)雜的事情，則需要多個(gè)指令配合一起完成。

比較常見的 RISC 有 PowerPC、ARM、SPARC等，基于這種架構(gòu)的處理器在智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、游戲機(jī)和臺式機(jī)以及越來越多的其他智能設(shè)備中很常見。

• 復(fù)雜指令集 CISC

與 RISC 不同的是，CISC 是一種被稱為復(fù)雜指令集的架構(gòu)，CISC 在每個(gè)微指令集可以繼續(xù)劃分，指令集中的每個(gè)指令可以單獨(dú)完成低階操作整個(gè)指令集卻能夠處理復(fù)雜的工作，這種指令集架構(gòu)相對復(fù)雜，指令數(shù)目眾多，而且指令執(zhí)行的周期比較長。

比較常見的復(fù)雜指令集有 AMD、INTEL、VIA ，最常見的就是 x86 指令集架構(gòu)，常用于個(gè)人電腦，因此個(gè)人電腦也被稱為 x86 指令集架構(gòu)的電腦。x86 架構(gòu)其實(shí)指的是一個(gè)家族，也就是 8086 、80286 和 80386 CPU 代號。

我們知道，計(jì)算機(jī)中的各種設(shè)備單元都通過主板連接在一起，主板中有一塊芯片組，這塊芯片組用于鏈接所有設(shè)備單元，它們統(tǒng)一由 CPU 發(fā)送指令，協(xié)同配合工作。

計(jì)算機(jī)的各種硬件設(shè)備和我們?nèi)祟惖能|體非常相似：計(jì)算機(jī)的 CPU 就如同人類的大腦，由大腦來控制身體的各種動作；內(nèi)存就如同我們腦袋中的記憶體，這部分用于給大腦提供信息，驅(qū)使大腦對信息進(jìn)行分析，做出判斷。

記憶體分為兩種，一種是我們當(dāng)前正在思考的記憶區(qū)塊，一種是我們當(dāng)前不太需要，但是需要時(shí)可以提取的記憶區(qū)塊，可能不太好懂，舉個(gè)簡單的例子：我們工作的時(shí)候不會想著今天被子疊沒疊吧？我們吃飯的時(shí)候不會想著馬桶沖沒沖吧，因?yàn)闆]人會給自己找不自在。這就是記憶深處的區(qū)塊，這也是硬盤的主要功能。

主板相當(dāng)于是神經(jīng)系統(tǒng)，神經(jīng)系統(tǒng)會有各種突觸，受到刺激之后由大腦做出反應(yīng)，主板中也會有各種元器件，收到外部信息后由 CPU 做出處理；人體的四肢就是各種輸入輸出設(shè)備，這個(gè)很好理解；顯卡就像是大腦中的視覺神經(jīng)，想象力是一個(gè)非常棒的東西；電源就是心臟，供血的，電流就像是血液，沒血不行，電腦沒電也不行。

所以其實(shí)計(jì)算機(jī)也是人的一種抽象。

計(jì)算機(jī)用途分類

我們能夠接觸到的計(jì)算機(jī)分類比較少，最常見的就是個(gè)人計(jì)算機(jī)，其他計(jì)算機(jī)類型可能接觸比較少。這里和大家聊一下計(jì)算機(jī)都分為幾種（按照電腦的復(fù)雜度進(jìn)行分類）

• 超級計(jì)算機(jī)(Super Computer)：這種計(jì)算機(jī)一般都是國家技術(shù)中心所使用的，維護(hù)成本非常高，主要用于超高速計(jì)算，比如國防軍事，仿真等一些國家型項(xiàng)目使用的。
• 大型計(jì)算機(jī)(Mainframe Computer)：大型計(jì)算機(jī)雖然計(jì)算速度沒有超級計(jì)算機(jī)那么快，但是也可以說是計(jì)算機(jī)中獨(dú)一檔的存在，一般用在地區(qū)型項(xiàng)目，國企項(xiàng)目，證券交易所等。
• 小型計(jì)算機(jī)(Mini Computer)：小型計(jì)算機(jī)是一類多用戶計(jì)算機(jī)，通常用在中小企業(yè)，實(shí)驗(yàn)室，相比于大型計(jì)算機(jī)，小型計(jì)算機(jī)體積更小。
• 微型計(jì)算機(jī)(Micro Computer)：微型計(jì)算機(jī)一般常指 20 世紀(jì)后期的計(jì)算機(jī)，這也是我們經(jīng)常使用的電腦的一類統(tǒng)稱，除了個(gè)人計(jì)算機(jī)外，還包括車載電腦，智能手機(jī)，掌上電腦等。

硬件雜談

由于計(jì)算機(jī)中的主板的位置很重要，通常主板上的芯片組是影響性能的主要因素！計(jì)算機(jī)早期的芯片組分為南橋和北橋，北橋負(fù)責(zé)鏈接速度較快的 CPU、內(nèi)存和顯卡之間的接口。南橋負(fù)責(zé)鏈接速度較慢的硬盤、USB、網(wǎng)卡等等。不過現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)都會把 CPU 和北橋融合起來，所以北橋一般是看不見的。

我們上面說到了不同的 CPU 具有不同的微指令集，不同的微指令集其指令所執(zhí)行的操作是不同的，并且處理效率也不一樣，不過，不同的 CPU 除了指令集架構(gòu)不同外，它們的 CPU 頻率也不一樣。

CPU 頻率就是 CPU 一個(gè)周期可以執(zhí)行的指令數(shù)量，拿跑步舉例子來說就是這個(gè)人在 10s 內(nèi)能跑多少米，他的速度是多少。CPU 頻率以 GHz（千兆赫茲）為單位，下面是三種不同頻率的 CPU ，你感受一下。

所以頻率越高也就意味著這個(gè) CPU 的處理效率更高，單位時(shí)間內(nèi)能做更多的事情，也就更受人們待見，同樣造價(jià)也就更貴。但是這里要注意一點(diǎn)，不能和不同的 CPU 指令集之間比 CPU 效率，因?yàn)橹噶罴煌菬o法進(jìn)行比較的。

上面這些知識點(diǎn)想必大部分程序員應(yīng)該都知道，確切的應(yīng)該說懂點(diǎn)電腦的人都懂，但是下面這些知識你可能，嘿嘿嘿，沒聽過。

CPU 的工作頻率會分為外頻和倍頻，外頻指的是 CPU 和外部設(shè)備元件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的速度，倍頻指的是 CPU 內(nèi)部用來加速工作效能的一個(gè)倍數(shù)，外頻和倍頻的乘積才是 CPU 頻率速度。

現(xiàn)在組裝電腦動不動就搞什么超頻，超頻是啥？我之前理解的意思就是說這個(gè) CPU 能夠發(fā)揮到最大性能，但是好像有點(diǎn)太含糊，今天花了點(diǎn)時(shí)間理解了一下。

超頻是一種增加硬件工作頻率的操作，超頻不單單用在 CPU，叫做 CPU 超頻，還可以用在 GPU 上，叫做 GPU 超頻。使用超頻的確會使每秒執(zhí)行更多的操作，壓榨 CPU/GPU ，發(fā)揮極致性能，但是也會產(chǎn)生額外的熱量，需要更強(qiáng)大的冷卻手段。

（我下面通常以 CPU 來進(jìn)行說明，GPU 也適用）

CPU 通常在出廠時(shí)會設(shè)置以某個(gè)最大的速度運(yùn)行，如果你在 CPU 冷卻的情況下運(yùn)行，不會產(chǎn)生任何問題。但是如果你不想限制 CPU 速度，使其發(fā)揮最大性能，那么你需要在 BIOS 中設(shè)置更高的頻率來提高 CPU 工作效率。但是如果你的冷卻裝置不太行，可能會造成屏幕藍(lán)屏或者重新啟動，容易造成物理損壞。

但是超頻在某些情況下不是你想超頻就能超頻的。許多主板和 Intel CPU 都帶有鎖定的乘法器，防止你修改它們的值進(jìn)行超頻操作。不過 Intel 更多的是未帶有鎖定乘法器的 CPU，目標(biāo)是希望超頻并從 CPU 中榨取極致性能，嗯，我只能說，這很英特爾。一般 K 系列的都是可以超頻的。

這里給大家推薦一款工具， CPU-Z ，能夠檢測自己的電腦情況（為了方便大家下載，我已經(jīng)放在了阿里云盤中，你可以在本公眾號后臺回復(fù) "CPUZ" 即可拿到鏈接進(jìn)行下載）

不過現(xiàn)在某些 CPU 都會自動的幫你進(jìn)行超頻了，你有可能會發(fā)現(xiàn) CPU 頻率一直在變動，這個(gè)不懂擔(dān)心，沒壞。

除了超頻這種性能提升之外，還有一種稱為超線程 ( Hyper-Threading, HT ) 的機(jī)制。

這是一種軟件方面的性能提升，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在使用的 CPU 基本上都是雙核以上，CPU 在執(zhí)行任務(wù)的同時(shí)，也會等待內(nèi)存或者緩存?zhèn)鬟^來的數(shù)據(jù)（因?yàn)?CPU 比內(nèi)存快太多了）， 所以 CPU 有很多閑置的時(shí)間，為了提高 CPU 的利用率，減少其劃水的時(shí)間，后面有了多線程，不過注意一點(diǎn)，這個(gè)多線程和超線程可不一樣。

那到底超線程是啥，痛快點(diǎn)解釋不行嗎？

當(dāng)我們有大量的任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)，使用多線程技術(shù)對于單核來說只是提升了它的執(zhí)行效率，但是沒有提升并行性，在某個(gè)時(shí)刻我們看到的 CPU 還是只能執(zhí)行一個(gè)程序，因?yàn)檫€是一個(gè)核，這其實(shí)是一種假并行。但是超線程可不一樣了，它可以同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)程序，這如何實(shí)現(xiàn)的呢？

真實(shí)情況是 CPU 每個(gè)核還是單獨(dú)的那個(gè)，只不過它會給你抽象出來一個(gè)核，所以說超線程就是把物理內(nèi)核抽象為虛擬內(nèi)核的過程，超線程允許內(nèi)核同時(shí)做兩件事情，它就是把 CPU 內(nèi)部的一些寄存器分為兩塊，讓程序運(yùn)行各塊的寄存器，超線程不經(jīng)操作系統(tǒng)的多任務(wù)切換。

上面說到 CPU 的所有數(shù)據(jù)都是來自主存儲器，也叫做內(nèi)存，不管是什么數(shù)據(jù)，都需要讀入內(nèi)存之后才能讓 CPU 使用。我們用的內(nèi)存組件主要是 動態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存 ( DRAM ) ，隨機(jī)存取只能在通電時(shí)使用，斷電后數(shù)據(jù)就會直接消失。

DRAM 也更新了好幾代了，主要分為 SDRAM 和 DDR SDRAM 兩種，這兩種內(nèi)存的差別除了膠位和工作電壓上的不同之外，DDR 用的是類似 CPU 倍頻的技術(shù)，能夠達(dá)到雙倍數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，也就是說能夠傳輸雙倍的數(shù)據(jù)，而且傳輸效率方面也比 SDRAM 要好，所以新一代的個(gè)人計(jì)算機(jī)一般用的都是 DDR。

DDR SDRAM 又依據(jù)技術(shù)的發(fā)展，分為 DDR、DDR2、DDR3、DDR4 這幾代，DDR2 的頻率是 4 倍，DDR3 的頻率是 8 倍，目前我們使用的是 DDR4 ，可以夠到 16 倍，效率杠杠的。

除了頻率這一因素之外，內(nèi)存容量也是很重要的一個(gè)因素，由于所有的數(shù)據(jù)都需要裝載到內(nèi)存中才能運(yùn)行，所以如果內(nèi)存容量不夠大的話可能會導(dǎo)致應(yīng)用程序無法運(yùn)行，這時(shí)候有同學(xué)會說，內(nèi)存不是會不斷的進(jìn)行換入換出么，所以內(nèi)存只要有一定空間就可以了。確實(shí)是這樣，不過這樣頻繁的換入換出，你電腦的運(yùn)行效率也不會很高，所以為啥 2GB 的內(nèi)存跑的就不如 4 GB 的快了，因?yàn)閾Q入換出也是需要時(shí)間的！

除了容量之外，還應(yīng)該考慮的一個(gè)因素是總線寬度，總線寬度就是總線一次能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是多少。一般總線寬度是 64 位，為了加大一次能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，廠商通常將兩個(gè)主存儲器匯總在一塊，如果一個(gè)內(nèi)存是 64 位，那么另外一個(gè)也是 64 位，這樣加起來就能夠傳輸 128 位數(shù)據(jù)了，而且最好內(nèi)存的型號也一樣。

主板上的內(nèi)存插槽一般都是兩兩成對的，這就是為了雙通道的設(shè)計(jì)而來的，所以內(nèi)存條插的時(shí)候?yàn)槭裁粗v究 1、3 和 2、4 這么插了。

RAM 一個(gè)最顯著的特征就是電源斷電后，內(nèi)存中的信息會被清空，這樣可不太行，所以計(jì)算機(jī)內(nèi)部還有一種斷電之后還能夠保存數(shù)據(jù)的元件，這就是 ROM ( Read-only memory ) 。一個(gè)最常見的使用 ROM 的地方就是存放 BIOS 程序的。BIOS 是一套程序，它被寫死到主板上面，主板上面存儲 BIOS 的芯片即使斷電也能保存數(shù)據(jù)，這就是使用了 ROM。

說完內(nèi)存相關(guān)，我們再來說一下硬盤。

這是一個(gè)比較清晰的硬盤構(gòu)造圖，可以看到硬盤盒中由許許多多圓形磁盤、機(jī)械臂、磁盤讀取頭、馬達(dá)所構(gòu)成。實(shí)際的數(shù)據(jù)都是寫在磁盤中，由馬達(dá)負(fù)責(zé)驅(qū)動機(jī)械手臂，然后讓機(jī)械臂中的磁盤讀取頭對圓形磁盤進(jìn)行讀寫。這一個(gè)個(gè)的圓形磁盤就是存儲數(shù)據(jù)的地方，其內(nèi)部構(gòu)造如下所示。

磁盤是通過其物理表面劃分成多個(gè)空間來使用的。劃分的方式有兩種：可變長方式和扇區(qū)方式。前者是將物理結(jié)構(gòu)劃分成長度可變的空間，后者是將磁盤結(jié)構(gòu)劃分為固定長度的空間。一般 Windows 所使用的硬盤和軟盤都是使用扇區(qū)這種方式。扇區(qū)中，把磁盤表面分成若干個(gè)同心圓的空間就是磁道，把磁道按照固定大小的存儲空間劃分而成的就是扇區(qū)，扇區(qū)是最小的物理存儲單元。通常在讀寫時(shí)，會由外圈向內(nèi)圈進(jìn)行讀寫。

像這種傳統(tǒng)的硬盤有個(gè)致命的問題，就需要馬達(dá)驅(qū)動對磁盤進(jìn)行讀寫，這會造成很嚴(yán)重的磁盤讀取延遲（因?yàn)槟悴恢罃?shù)據(jù)是存在哪個(gè)扇區(qū)的，數(shù)據(jù)存儲的比較分散）。后來有廠商拿閃存（外存的一種，也是非易失性的）造成高容量的設(shè)備，外型和硬盤一樣，這種磁盤叫做 固態(tài)硬盤(Solid State Disk，SSD) ，傳統(tǒng)的硬盤叫做 Hard Disk Drive, HDD。

固態(tài)硬盤最大的好處就是它沒有馬達(dá)，不需要轉(zhuǎn)動，它具有內(nèi)存直接讀寫的特性，沒有數(shù)據(jù)延遲所以讀寫速度快，不過 SSD 有致命的缺陷就是它會限制寫入次數(shù)，因此一般 SSD 用兩年就差不多了，所以存放數(shù)據(jù)時(shí)，需要考慮到備份，要使用 RAID 機(jī)制防止 SSD 的損毀。