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计算机 辅助人脑的好工具

进入21世纪,没有用过计算机的朋友应该算很少了吧?但是,你了解计算机是什么吗?计算机的机壳里面含有什么组件?不同的计算机可以作什么事情?你生活周围都有哪些电器用品内部是含有计算机相关组件的?下面我们就来介绍一下吧!

计算机其实是:接收用户输入指令与数据,经过中央处理器的数据与逻辑单元运算处理后,以产 生或存储成有用的信息。因此,只要有输入设备(不管是键盘还是触摸式屏幕)及输出设备(屏幕或 直接打印出来),让你可以输入数据使该机器产生信息的,那就是一台计算机了。

根据这个定义你知道哪些东西是计算机了吗?包括一般商店用的简易型加减乘除计算机、打 电话用的手机、开车用的卫星定位系统(GPS)、提款用的提款机(ATM)、你常使用的桌面型计 算机、可携带的笔记本电脑,还有近年来很红火的EeePC(或称为netbook、上网本)等,这些 都是计算机!

那么计算机主要的组成部件是什么呢?下面我们以常见的个人计算机来作说明。

计算机组成

计算机是由硬件系统(hardware system)和软件系统(software system)两部分组成的。

传统电脑系统的硬体单元一般可分为输入单元、输出单元、算术逻辑单元、控制单元及记忆单元,其中算术逻辑单元和控制单元合称中央处理单元(Center Processing Unit,CPU)。每一部件分别按要求执行特定的基本功能。

中央处理单元(Center Processing Unit,CPU)

  • 计算机的中央处理器又称为CPU,它是计算机的核心部分。主要由运算器和控制器组成。
  • 运算器:实现算术运算和逻辑运算的部件。
  • 控制器:计算机的指挥系统。控制器通过地址访问存储器,从存储器中取出指令,经译码器分析后,根据指令分析结果产生相应的操作控制信号作用于其他部件,使得各部件在控制器控制下有条不紊地协调工作。

记忆单元

  • 存储器:是计算机中用来存放所有数据和程序的记忆部件,它的基本功能是按指定的地址存(写)入或者取(读)出信息。 计算机中的存储器可分成两大类:一类是内存储器,简称内存或主存;另一类是外存储器(辅助存储器),简称外存或辅存。 存储器由若干个存储单元组成,每个存储单元都有一个地址,计算机通过地址对存储单元进行读写。

  • 一个存储器所包含的字节数称为存储容量,单位有B、KB、MB、GB、TB等。

输入单元

输入设备:是向计算机中输入信息(程序、数据、声音、文字、图形、图像等)的设备。常见的输入设备有:键盘、鼠标、图形扫描仪、触摸屏、条形码输入器、光笔等。 外存储器也是一种输入设备。

输出单元

输出设备:主要有显示器、打印机和绘图仪等。外存储器也当作一种输出设备。

计算机上面常用的计算单位

(大小、速度等)

计算机的运算能力是由速度来决定的,而存放在计算机存储设备当中的数据大小也是有单位的。

大小单位
  • 计算机依据有没有通电来记录信息,所以理论上它只认识0与1而已。0/1的单位我们称为 bit。但bit实在太小了,并且在存储数据时每份简单的数据都会使用到8个bit的大小来记录,因此定义出Byte这个单位,它们的关系为;

  • 1Byte=8bit

  • 不过同样地,Byte还是太小了,在较大的容量情况下,使用Byte相当不容易判断数据的大小,举例来说,1000000B这样的显示方式你能够看得出有几个零吗?所以后来就有一些常见的简化单位表示法,例如K代表1024,M代表1024K等。而这些单位在不同的进位制下有不同的数值表示,下面就列出常见的单位与进位制对应表。
进位制 K M G T P
二进制 1024 1024K 1024M 1024G 1024T
十进制 1000 1000K 1000M 1000G 1000T
  • 一般来说,文件大小使用的是二进制的方式,所以1GB的文件大小实际上为:1024x1024x1024B这么大。速度单位则常使用十进制,例如1GHz就是1000x1000×1000Hz的意思。

假设你今天购买了500GB的硬盘一个,但是格式化完毕后却只剩下460GB左右的空间,这是什么原因

  • 答:因为一般硬盘制造商会使用十进制的单位,所以500GB代表为500×1000×1000×1000B 之意。转成文件的大小单位时使用二进制(1024为底),所以就成为466GB左右的空间了。

  • 硬盘厂商并非要骗人,只是因为硬盘的最小物理量为512bytes,最小的组成单位为扇区(sector), 通常硬盘容量的计算采用“多少个sector”,所以才会使用十进制来处理的。

cpu

  • 个人计算机的CPU主要生产商为Intel与AMD,目前主流的CPU都是双核以上的架构了。 原本的单核CPU仅有一个运算单元,所谓的多核则是在一个CPU封装当中嵌入了两个以上的运算内 核,简单地说,就是一个实际的CPU外壳中含有两个以上的CPU单元。
  • 不同的CPU型号大多具有不同的脚位(CPU上面的插脚),能够搭配的主板芯片组也不同,所以 当你想要将你的主机升级时,不能只考虑CPU,你还得要留意你的主板上面所支持的CPU型号!不 然买了最新的CPU也不能够安插在你的旧主板上面!目前主流的CPU有Intel的Core2Duo与AMD 的Athlon64X2双核CPU,高阶产品则有Intel 的Corei7与AMD的Phenomll四内核CPU
  • 其实CPU内部已经含有一些小指令集,我们所使用的软件都要经过CPU内部的 微指令集来完成才行。这些指令集的设计主要又被分为两种设计理念,这就是目前世界上常见到的两 种主要CPU种类,分别是精简指令集(RISC)与复杂指令集(CISC)系统。

精简指令集

(Reduced Instruction Set Computing,RISC)

  • 这种CPU的设计中,微指令集较为精简,每个指令的执行时间都很短,完成的操作也很单 纯,指令的执行性能较佳;但是若要做复杂的事情,就要由多个指令来完成。常见的RISC微指令集CPU主要有Sun公司的SPARC系列、IBM公司的Power Architecture(包括PowerPC) 系列与ARM系列等。

复杂指令集

(Complex Instruction Set Computer,CISC)

  • 与RISC不同的,在CISC的微指令集中,每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作,指 令数目多而且复杂,每条指令的长度并不相同。因为指令执行较为复杂,所以每条指令花费 的时间较长,但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。常见的CISC微指令集CPU主要 有AMD、Intel、VIA等×86架构的CPU。
  • 我们前面谈到CPU内部含有微指令集,不 同的微指令集会导致CPU工作效率的优劣。除 了这点之外,CPU性能的比较还有什么呢?那 就是CPU的频率。什么是频率呢?简单地说, 频率就是CPU每秒钟可以进行的工作次数。所 以频率越高表示CPU单位时间内可以做更多的 事情。举例来说,Intel的Core 2Duo型号E8400的CPU频率为3.0GHz,表示这个CPU在一秒内 可以进行3.0x10的9次方工作,每次工作都可以进行少数的指令运行之意。

注意

  • 不同的CPU之间不能单纯以频率来判断运算性能。这是因为每个CPU的微指 令集不相同,架构也不一样,每次频率能够进行的工作指令数也不同,所以频率目前仅能 用来比较同款CPU的速度。

CPU的“外频”与“倍频”

  • 我们可以看到图0-9的芯片架构图当中各个组件都是通过北桥与南桥连接在一起。但就像一群人共同在处理一个连续作业一般,如果这一群人里面有个人的动作特别快或特别慢,将导致前面或者是后面的人事情一堆处理不完!也就是说,这一群人最好能够速度一致较佳!所以CPU与外部各组件的速度理论上应该要一致才好。但是因为CPU需要较强大的运算能力,因为很多判断与数据都是在CPU内处理的,因此CPU开发商就在CPU内再加上一个加速功能,所以CPU有所谓的外频与倍频。
  • 所谓的外频指的是CPU与外部组件进行数据传输/运算时的速度,倍频则是CPU内部用来加速工作性能的一个倍数,两者相乘才是CPU的频率。我们以刚才的Intel Core 2 Duo E8400 CPU来说,它的频率是3.0GHz,而外频是333MHz,因此倍频就是9倍(3.0G=333Mx9,其中1G=1000M)。

内存

  • 前面提到CPU所使用的数据都是来自于内存(Memory),不论是软件程序还是数据,都必须要 读入内存后CPU才能利用。个人计算机的内存主要组件为动态随机访问内存(DynamicRandom Access Memory,DRAM),随机访问内存只有在通电时才能记录与使用,断电后数据就消失了。 因此我们也称这种RAM为挥发性内存。
  • DRAM根据技术的更新又分好几代,而使用上较广泛的有所谓的SDRAM与DDR SDRAM两 种。这两种内存的区别除了在于引脚位与工作电压上的不同之外,DDR是双倍数据传送速度 (Double Data Rate),它可以在一次工作周期中进行两次数据的传送,感觉上就是CPU的倍 频。所以传输频率方面比SDRAM还要好。新一代的PC大多使用DDR内存了。

SDRAM与DDRSDRAM的型号与频率及频宽之间的关系。

SDRAM/DDR 型号 数据宽度(bit) 外频(MHz) 频率(MHz) 频宽
SDRAM PC100 64 100 100 800MB/s
SDRAM PC133 64 133 133 1064MB/s
DDR DDR266 64 133 266 2.1GB/s
DDR DDR400 64 200 400 3.2GB/s
DDR DDRII800 64 400 800 6.4GB/s

内存型号的挑选与CPU及芯片组有关,所以在购买主板、CPU与内存的时候必须要考虑其相关性,并不是任何主板都可以安插DDR III的内存呢!

  • 内存除了频率/频宽与型号需要考虑之外,容量也是很重要的。因为所有的数据都得要加载到内存当中才能够被CPU读取,如果内存容量不够大的话将会导致某些大容量数据无法被完整加载,此时已存在内存当中但暂时没有被使用到的数据必须要先被释放,使得可用内存容量大于该数据,那份新数据才能够被加载。通常内存越大表示系统越快,这是因为系统不用常常释放一些内存内部的数据。对服务器而言,内存的容量有时比CPU的速度还重要。

CPU频率与内存的关系

  • 理论上,CPU与内存的外频应该要相同才好。不过,因为技术方面的提升,因此这两者的频率速度不会相同,但外频则应该是一致的较佳。举例来说,上面提到的IntelE8400CPU外频为333MHz,则应该选用DDRIl667这个型号,因为该内存型号的外频为333MHz!

参考数据与扩展阅读

1、对于CPU的原理有兴趣的读者,可以参考维基百科的说明:

中文CPU(http://zh.wikipedia.org/wiki/中央处理器)。

2、更详细的RISC架构可以参考维基百科:

http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=精简指令集&variant=zh-cr

3、关于ARM架构的说明,可以参考维基百科:

http://zh.wikipedia.org/wlindex.php?title=ARM架构&variant=zh-cn

4、更详细的CISC架构可参考维基百科:

http://zh.wikipedia.org/wlindex.php?title=CISC&variant=zh-cn