计算机概论ABC

当今社会，相信计算机已经深入千家万户，小到用来计算加减乘除的计算器、手机，大到笔记本、台式机。那么，计算机到底是什么呢？它有哪些组件构成的呢？它又是如何运作的呢？本文会对计算机基本知识做一个介绍。

第一部分：计算机的基本概念

计算机定义其实很简单：接收用户输入的指令与数据，经过中央处理器（计算机的组成部件之一）的数据与逻辑单元运算处理之后，可以产生或存储有用的信息。
拿加减乘除的计算器来说明以上定义，你想算一下1+2等于几，于是在计算器上按下1+2，这个过程就是输入，计算器接收到了你输入的数据（1、2）和指令（+），然后中央处理器根据指令和数据进行运算，最后把结果3输出到计算器的屏幕上。这样，计算器也是一种计算机了。
因此，凡符合以上定义的都是计算机。例如计算器、手机、ATM、Pad、桌面计算机、笔记本等等。

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第二部分：计算机的五大单元

在对计算机概念有了基本了解之后，来直观的了解一下计算机的硬件组成。
按照计算机的定义，其硬件也主要分为三大类：

• 输入设备： 如鼠标、键盘、扫描仪、触摸屏等
• 中央处理器（CPU）：含有算术逻辑、控制、记忆等单元
• 输出设备：屏幕、打印机等等

中央处理器（CPU）是整个计算机的核心，它里面含有微指令集，这些指令决定了计算机能做什么。所以想要让计算机完成某项特殊的功能，得看它的CPU是否有相关的微指令集。CPU的主要工作分为管理和运算，因此CPU内又分为两个主要的单元：控制单元和算术逻辑单元。
内存：CPU读取的数据来自内存。数据经输入设备加载到内存中，才能被CPU处理。同样，CPU处理完毕后的数据必须先写到内存中，然后再从内存传输到输出单元。
综上，计算机主要有五大组成部件：输入设备、输出设备、CPU控制单元、CPU逻辑运算单元、内存。

计算机五大单元

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第三部分：计算机各组成部件详细介绍

CPU：

1. CPU种类：CPU内部含有指令集，根据指令集的设计，分为精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。

   • 精简指令集（RISC）：顾名思义，其微指令集较为精简，每个指令执行时间较短，完成的操作也很单纯，性能较佳；但是要完成较复杂的事情，则需要多个指令来完成。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系列与ARM系列。ARM 系列的应用范围最广，例如手机、PDA、导航系统、网络设备（交换机、路由器）等。
   • 复杂指令集（CISC）：与RISC不同，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比较丰富。常见的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等x86架构的CPU。由于x86架构的CPU被大量使用于个人计算机用途上面，因此，个人计算机被常称为x86架构的计算机。Intel研制出来的CPU代号称为8086，后来依次架构又开发出80286、80386，因此这个架构的CPU就被称为x86架构
   • x86_64:Intel所开发的x86架构CPU由8位升级到16、32位，后来AMD依次架构修改新一代的CPU为64位，为了区别两者的不同，因此64位的个人计算机CPU又被称为x86_64架构

2. 单核与双核：单核CPU仅有一个运算单元。所谓的多核则是在一个CPU中嵌入了两个及以上的运算单元，即一个实际的CPU外壳中含有两个及两个以上的CPU单元。
3. 外频与倍频：外频是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。
   4、32位与64位：

内存：

1. 内存作用：不论是软件程序还是数据，都要加载到内存中才能被CPU使用。过程为首先从内存中获取指令，然后保存在指令寄存器中，接着，指令被解码，并可能导致从内存中获取操作数，或者将操作数保存在内部寄存器中。在指令完成后，其结果写回内存。
2. 内存的几种组件：

   • DRAM（动态随机访问内存），随机访问内存只有在通电时才能记录与使用，断电后数据就丢失了。因此我们也称这种RAM为挥发性内存
   • SRAM（静态随机访问内存）：集成到CPU中，用作第二层高速缓存，以加快数据的访问。
   • ROM（只读存储器）：计算机组件的参数，如CPU与内存的频率等被记录到一个称为CMOS的芯片上，在开机时，BIOS程序会去读取（有时需要更新）CMOS内的数据，而BIOS是写死在ROM 中的。ROM在没有通电时也能将数据记录下来。

3. 双通道设计：为了提高内存的数据宽度。将两个内存汇整在一起，如果一条内存可达64位，两条内存就可以到达128位。

硬盘与存储设备：

计算机上的存储设备包括硬盘、软盘、CD、DVD、磁带以及U盘等。最常见的是硬盘。
硬盘由盘片、机械手臂、磁头与主轴马达组成。实际的数据都是写在磁性物质的盘片上，而读写主要是通过机械手臂上的读取头来完成。主轴马达带动盘片转动，机械手臂可伸展，让读取头在盘片上面进行读写操作。

主板：

主板用于连接各个组件，它上面含有芯片组，用于各个组件的通信。芯片组一般分为北桥与南桥，北桥负责CPU/RAM/VGA等连接，南桥负责PCI接口与速度比较慢的I/O设备。

显卡：

用于图形影像的显示。显卡上面会有一个内存的容量，这个显卡内存容量会影响到屏幕分辨率和色彩深度。
CPU：在显卡上面嵌入一个3D加速的芯片，用于提高显卡的“运算能力”，尤其是一些3D游戏

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第四部分：计算机中的数据表示方式

数字系统：

尽管我们可以使用计算机来处理文本、音频以及图像等形式的文件，但对于计算机的硬件来说，它能认识的只有0和1，文本等文保存的形式也是0和1，这种只有0和1的环境称为二进制。我们现实生活中用的是十进制，即逢十进一位，而二进制就是逢二进一。举个例子二进制110转化成十进制为12^2+12^1+0*20=6,即二进制110对应十进制6。记得有个新闻说某程序猿误入传销组织，他给同事发了“6”这个数字，并提示转换。同事将6翻译成二进制为110，并迅速报警最后程序猿成功得救。看来掌握一些计算机知识是非常有用的。

文字编码系统：

既然计算机记录的只是0和1，那么文字该怎么记录呢？文字在被取出来时，需要经过一个编码系统的处理。

数据编码.png

当前应用较多的是Unicode编码

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第五部分：计算机的软件

计算机的正常运行需要软件的驱动，否则只是一堆废铁。计算机的软件分为两类：系统软件和应用软件。在介绍两种软件之前，先认识一下软件的组成单元---程序。

机器语言与编译程序：

• 机器语言：机器只认识0和1，机器语言是用二进制代码表示的计算机能直接识别和执行的一种机器指令的集合。比如cpu有个指令0000，表示加载，这 对于人来说，学习这种语言非常困难。如果能有一种人可以看懂的语言，需要时转换成就机器语言就好了，这就是编程语言。
• 编译程序：计算机科学家设计出一种让人看得懂的程序语言，然后用“编译器”将这种程序语言编译成机器看得懂的机器语言。

所以，编程语言需要翻译成机器语言才能被机器执行，而在翻译并执行的过程中，需要分配一些资源（比如CPU、内存）给程序程序，这些计算资源的管理工作就是操作系统负责的

操作系统

操作系统是一种软件，它介于计算机硬件与用户之间，充当用户使用计算机的媒介，为用户使用计算机提供良好的体验；此外，操作系统另一个工作是管理计算机硬件，主要包括进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理等等；

应用程序：

应用程序是参考操作系统提供的开发接口所开发出来的软件，这些软件可以让用户操作，已达到某些计算机的功能利用。如office、email、浏览器等等。

操作系统与应用程序：

os.png

如上图，最外层为应用程序，系统调用会将应用程序的相关语言翻译成内核所认识的语言，然后由内核运行该应用程序。那么内核是什么东东？
操作系统可以让CPU开始逻辑判断与运算数值，让内存可以加载、读数据和程序代码，让硬盘可以进行数据存取，让网卡可以开始传输数据。总之，硬件的所有功能都必须通过操作系统来完成，而负责这个功能的就是操作系统的内核。

参考《鸟哥的Linux私房菜》