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电脑的工作原理

来源:
2023-01-13
类别:基础知识
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文章创建人 拍明

 

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  我们大多数人每天都使用计算机,但很少有人知道我们生活中这一重要部分的内部运作。

  这个词 计算机 指可以接受某些输入并产生某些输出的对象。事实上,人脑本身就是一台复杂的计算机,科学家们每年都在更多地了解它是如何工作的。不过,我们最常用的计算机一词是描述包含 微处理器.

  微处理器是一种小型电子设备,可以在眨眼间进行复杂的计算。您可以在每天使用的许多设备中找到微处理器,例如汽车、冰箱和 电视.最受认可的带有微处理器的设备是个人计算机或PC。事实上,计算机的概念几乎已成为PC一词的同义词。

  当您听到 PC 时,您可能会设想一个带有附加视频屏幕、键盘和某种类型的指针设备(如鼠标或触摸板)的封闭设备。您还可以设想不同形式的 PC,例如台式计算机、塔式计算机和笔记本电脑。术语PC与某些品牌相关联,例如英特尔处理器或微软操作系统。但是,在本文中,我们将PC定义为具有以下特征的更通用的计算设备:

  设计为一次供一个人使用

  运行操作系统以连接用户和微处理器

  具有本文中描述的某些常见内部组件,例如 CPU 和 RAM

  运行专为特定工作或娱乐活动而设计的软件应用程序

  允许根据需要添加和删除硬件或软件

  PC的历史可以追溯到1970年代,当时一位名叫Ed Roberts的人开始销售基于英特尔设计的微处理器芯片的计算机套件。罗伯茨称他的电脑为Altair 8800,并以395美元的价格出售了未组装的套件。大众电子在 1975 年 1 月刊中刊登了一篇关于该套件的报道,令几乎所有人惊讶的是,这些套件立即大受欢迎。因此,个人电脑的时代开始了[来源: 切鲁齐, 拉萨尔].

  虽然 Altair 8800 是第一台真正的个人电脑,但几年后 Apple II 的发布标志着 PC 作为抢手家用电器的开始。发明家史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)和史蒂夫·沃兹尼亚克(Steve Wozniak)的Apple II证明了家庭和学校对计算机的需求。不久之后,IBM和德州仪器等老牌计算机公司进入了PC市场,Commodore和Atari等新品牌也加入了这个游戏。

  在本文中,我们将查看PC内部,以了解其部件及其功能。我们还将检查用于启动和运行PC的基本软件。然后,我们将介绍移动 PC,并研究 PC 技术的未来。

  核心电脑组件

  要了解PC的工作原理,让我们从组成机器的各个部分开始。以下是电脑通常按组装顺序排列的常见组件:

  箱 -- 如果您使用的是笔记本电脑,电脑机箱包括键盘和屏幕。对于台式电脑,外壳通常是某种类型的盒子,带有灯、通风口和连接电缆的地方。外壳的尺寸可以从小型桌面单元到高塔不等。更大的案例并不总是意味着更强大的计算机;重要的是里面的东西。PC 制造商根据应适合内部的主板类型设计或选择机箱。

  母板 -- 电脑内部的主电路板是它的 母板.所有组件,内部和外部,都以某种方式通过主板连接。此页面上列出的其他组件是可拆卸的,因此无需更换主板即可更换。但是,几个重要的组件直接连接到主板上。其中包括互补金属氧化物半导体(CMOS),它在计算机断电时存储一些信息,例如系统时钟。主板有不同的尺寸和标准,在撰写本文时最常见的是ATX和MicroATX。从那里开始,主板因设计用于内部处理的可移动组件类型以及可用于连接外部设备的端口而异。

  电源 - 除了由主板上的可更换CMOS电池供电的CMOS之外,PC中的每个组件都依赖于其电源。电源连接到某种类型的电源,无论是移动计算机的电池还是台式电脑的电源插座。在台式 PC 中,您可以看到电源安装在机箱内,外部有电源线连接,内部有少量连接电缆。其中一些电缆直接连接到主板,而其他电缆则连接到驱动器和风扇等其他组件。

  中央处理器 (CPU) -- CPU,通常简称为处理器,是包含 微处理器.微处理器是PC所有操作的核心,硬件和软件的性能都依赖于处理器的性能。英特尔和AMD是最大的PCCPU制造商,尽管您也可以在市场上找到其他制造商。两种常见的 CPU 架构是 32 位和 64 位,您会发现某些软件依赖于这种架构区别。

  随机存取存储器 (RAM) 即使是最快的处理器也需要一个缓冲区来存储正在处理的信息。这 公羊 对于CPU来说,就像台面一样,对于厨师来说:它是您正在使用的食材和工具等待的地方,直到您需要拿起并使用它们。快速的 CPU 和充足的 RAM 对于快速的 PC 都是必需的。每台 PC 都有它可以处理的最大 RAM 量,主板上的插槽指示 PC 所需的 RAM 类型。

  驱动器 -- 驱动器是一种用于在不使用时存储数据的设备。硬盘驱动器或固态驱动器存储PC的操作系统和软件,我们稍后将更仔细地研究。此类别还包括光驱,例如用于读取和写入 CD、DVD 和蓝光介质的光驱。驱动器根据其使用的驱动器控制器技术类型(包括较旧的 IDE 标准和较新的 SATA 标准)连接到主板。

  冷却装置 - 您的计算机处理得越多,它产生的热量就越多。CPU和其他组件可以处理一定的热量。但是,如果PC没有正确冷却,它可能会过热,对其组件和电路造成代价高昂的损坏。风扇是用于冷却 PC 的最常见设备。此外,CPU被称为散热器的金属块覆盖,该块将热量从CPU中吸走。一些严肃的计算机用户,如游戏玩家,有时会有更昂贵的热管理解决方案,如水冷系统,旨在处理更强烈的冷却需求。

  电缆-- 到目前为止,我们提到的所有组件都通过某种电缆组合连接。这些电缆设计用于传输数据、电源或两者兼而有之。PC 的结构应使电缆在机箱内整齐折叠,并且不会阻塞整个机箱的气流。

  PC 通常远不止这些核心组件。接下来,我们将介绍允许您与计算机交互的端口和外围设备,以及如何使用扩展槽添加更多组件。

  端口、外设和扩展插槽

  

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  理想情况下,您的计算机将有足够的端口,您不必将所有配件混在一起。如果您发现自己陷入这样的困境,请考虑是否需要所有这些外围设备。

  安德烈斯·巴尔卡萨到目前为止,我们研究过的核心组件构成了PC的中心。 处理能力.但是,PC需要额外的组件来与人类用户和其他计算机进行交互。以下是实现此目的的 PC 部件:

  图形组件 -- 虽然有些 主板 具有板载图形,其他包括所谓的扩展槽,您可以在其中滑入单独的视频卡。在这两种情况下,PC 中的视频组件都会处理一些进入屏幕的复杂图形数据,从而减轻 CPU 的一些负载。主板接受基于特定接口的视频卡,例如较旧的 AGP 标准或较新的 PCI 标准之一。

  港口 -- 端口一词通常用于描述 PC 外部可以插入电缆的地方。按用途描述端口,例如 USB端口 或以太网端口。(请注意,当两个硬件尝试通信时,端口一词也用于描述软件连接。许多端口直接固定在主板上。你可以在电脑上找到的一些端口包括:

  接口端口

  网络端口,通常 以太网 和 火线

  视频端口,通常是 VGA、DVI、RCA/分量、S-Video 和 高清

  音频端口,通常是一些组合迷你模拟音频插孔或 RCA

  传统端口,或遵循现代计算机中很少使用的旧标准的端口,例如并行打印机端口和键盘和鼠标的PS2端口

  外设-- 任何未安装在PC机箱内的硬件都称为外围设备。这包括您的基本输入和输出设备:显示器、键盘和鼠标。它还包括打印机、扬声器、耳机、麦克风、网络摄像头和 USB 闪存驱动器。您可以插入PC端口的任何内容都是PC的外围设备之一。基本的外围设备(如显示器)在笔记本电脑上不是必需的,而是内置了它们。

  扩展槽 -- 有时,您需要将组件添加到主板上没有指定插槽的 PC。这就是为什么主板将包括一系列扩展槽的原因。设计用于安装到扩展槽中的可拆卸组件称为卡,可能是因为它们具有扁平的卡状结构。使用扩展槽,您可以添加额外的视频卡、网卡、打印机端口、电视接收器和许多其他自定义添加功能。卡必须与扩展槽类型匹配,无论是传统的 ISA/EISA 类型还是更常见的扩展槽类型 PCI、PCI-X 或 PCI Express 类型。

  现在我们已经查看了PC的部件,让我们按下电源按钮,看看是什么让它启动。

  为电脑通电

  首次打开电脑电源时,机器会经过几个内部过程,然后才能供您使用。这称为启动过程或启动PC。Boot 是 bootstrap 的缩写,指的是古老的格言,“通过引导让自己振作起来”,这意味着从头开始。启动过程由 PC 的基本输入输出系统(生物简介).

  这 生物简介 是存储在闪存芯片上的软件。在 PC 中,BIOS 嵌入在主板上。有时,PC 制造商会发布 BIOS 的更新,您可以仔细按照说明使用更新的软件“刷新 BIOS”。

  除了控制启动过程外,BIOS 还为 PC 的硬件组件提供基本的配置界面。在该界面中,您可以配置诸如启动期间读取驱动器的顺序以及允许处理器运行的速度等内容。查看电脑的文档,了解如何进入其 BIOS 界面。首次启动计算机时,此信息通常也会显示,并显示一条消息,例如“按 DEL 进入设置菜单”。

  以下是PC中启动过程的摘要:

  电源按钮激活 PC 中的电源,将电源发送到主板和其他组件。

  电脑执行开机自检(POST)。开机自检是 BIOS 中的小型计算机程序,用于检查硬件故障。开机自检后发出一声蜂鸣音,表示一切正常。其他蜂鸣音序列表示硬件故障,PC 维修专家将这些序列与图表进行比较,以确定哪个组件出现故障。

  PC 在连接的显示器上显示有关启动过程的详细信息的信息。其中包括 BIOS 制造商和修订版、处理器规格、安装的 RAM 量以及检测到的驱动器。许多电脑已将显示此信息替换为显示制造商徽标的初始屏幕。如果您希望看到文本,可以在 BIOS 设置中关闭初始屏幕。

  BIOS 尝试访问指定为引导盘的驱动器的第一个扇区。第一个扇区是磁盘按顺序读取的前千字节(如果驱动器从第一个可用存储地址开始按顺序读取)。启动盘通常是包含操作系统的同一硬盘或固态驱动器。您可以通过配置 BIOS 或使用键序列中断引导过程(通常在引导屏幕上指示)来更改引导盘。

  BIOS 确认引导磁盘的第一个扇区中存在引导加载程序或引导加载程序,并将该引导加载程序加载到内存 (RAM) 中。引导加载程序是一个小程序,旨在查找和启动PC的操作系统。

  一旦引导加载程序在内存中,BIOS 就会将其工作移交给引导加载程序,引导加载程序又开始将操作系统加载到内存中。

  当引导加载程序完成其任务时,它会将PC的控制权移交给操作系统。然后,操作系统已准备好进行用户交互。

  现在我们都通电了,下一步是什么?PC 的工作方式在很大程度上取决于您使用的操作系统。在下一节中,让我们研究如何 操作系统 在 PC 上工作。

  电脑操作系统

  

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  微软Windows仍然是世界上最受欢迎的操作系统。

  图马斯·库扬苏电脑启动后,您可以通过 操作系统,或简称操作系统。在撰写本文时,大多数非Apple PC运行Microsoft Windows版本或 Linux目录 分配。这些操作系统旨在在各种PC硬件上运行,而 Mac OS X 主要为 Apple 硬件设计。

  操作系统负责多项任务。这些任务分为以下几大类:

  处理器管理 -- 将处理器的工作分解为可管理的块,并在将它们发送到 CPU 之前确定它们的优先级。

  内存管理 -- 协调进出 RAM 的数据流,并确定何时使用硬盘上的虚拟内存来补充不足的 RAM。

  设备管理 -- 在计算机的内部组件和连接到计算机的每个设备之间提供基于软件的接口。示例包括解释键盘或鼠标输入或将图形数据调整到正确的屏幕分辨率。网络接口(包括管理互联网连接)也属于设备管理存储桶。

  存储管理 -- 指示数据应永久存储在硬盘驱动器、固态驱动器、USB 驱动器和其他存储形式上的位置。例如,存储管理任务有助于创建、读取、编辑、移动、复制和删除文档。

  应用程序界面 -- 提供软件程序和PC之间的数据交换。必须对应用程序进行编程,以便与您正在使用的操作系统的应用程序接口配合使用。应用程序通常也是为特定版本的操作系统设计的。您将在应用程序的要求中看到“Windows Vista 或更高版本”或“仅适用于 64 位操作系统”等短语。

  用户界面 (UI) - 为您提供一种与计算机交互的方式。

  从那里,记下以查看我们的文章 操作系统的工作原理 有关操作系统在电脑上如何运行的更多详细信息。此外,当您想知道特定应用程序和设备如何在您的 PC 上工作时,请查看 HowStuffWorks。

  现在,让我们看一下PC的整体未来,以及PC制造商克服移动计算的便携性挑战的方式。

  个人电脑的未来

  自从第一台 PC 上市以来,更新更好的型号在生产后的几个月内就使旧型号过时了。取代 SATA 等驱动技术 集成开发地址和 PCI 扩展插槽取代了 ISA 和 EISA。然而,衡量PC技术进步的最突出指标是其CPU和CPU中的微处理器。

  自 1950 年代以来,硅微处理器一直是计算世界的核心。在此期间,微处理器制造商塞满了更多 晶体管 以及对微处理器的增强。1965年,英特尔创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)预测微处理器的复杂性将每两年翻一番。从那以后,这种复杂性每18个月翻一番,行业专家称这一预测为。 摩尔定律.许多专家预测, 摩尔定律 由于硅微处理器的物理限制,将很快走到尽头[来源: 公共广播公司].

  然而,在撰写本文时,处理器的晶体管容量继续上升。这是因为芯片制造商不断寻找将晶体管蚀刻到硅片上的新方法。这些微小的晶体管现在以纳米为单位,即十亿分之一米。原子本身约为0.5纳米,微处理器的最新生产工艺可以生产尺寸为45纳米或32纳米的晶体管。这个数字越小,芯片上安装的晶体管就越多,因此芯片的处理能力就越强。截至2011年5月,英特尔正在研究代号为Ivy Bridge的22纳米制造工艺,该工艺使用具有称为Tri-Gate的节能设计的晶体管[来源: 英国广播公司, 英特尔].

  那么,当我们到达摩尔定律的尽头时会发生什么呢?一种新的数据处理方法可以确保继续取得进展。潜在的继任者是那些被证明是执行处理器基本计算功能的更强大手段的人。50多年来,硅微处理器一直依赖传统的双态晶体管,但量子计算机等发明正在改变游戏规则。

  量子计算机 不限于 1 或 0 两种状态。它们将信息编码为量子比特或量子比特。量子比特可以是 1 或 0,也可以同时存在于 1 和 0 或介于两者之间的叠加态中。量子比特表示协同工作的原子,它们既充当计算机内存又充当微处理器。由于量子计算机可以同时包含这些多种状态,因此它有可能比当今最强大的超级计算机强大数百万倍。量子计算技术仍处于早期阶段,但科学家们已经用真实、可衡量的结果证明了这一概念。请务必退房 量子计算机的工作原理 有关这一惊人突破的更多信息。

  时间会证明量子计算机的能力是否会达到普通PC。同时,由于移动PC,您仍然可以随身携带大量处理能力,我们将在下面进行研究。

  便携式个人计算

  

移动计算设备将继续在PC市场中变得越来越突出。


  移动计算设备将继续在PC市场中变得越来越突出。

  ©ISTOCKPHOTO.COM/奥列克西·马克甚至在PC出现之前,计算机制造商就已经在概念化便携式计算机。正是12磅重的IBM PC Convertible将笔记本电脑概念带入了1986年的生产。从那以后, 笔记本电脑 变得更小更轻,它们的处理能力与台式 PC 一起提高 [来源: IBM公司].

  今天,计算机行业认识到其他类别的移动计算机。一类,笔记本,几乎已经成为笔记本电脑的代名词。该术语最初用于表示笔记本电脑的更小,更轻的表亲。另一个类, 上网本,甚至比笔记本电脑更小,同时也更便宜,功能更弱。该分类可能以其目标受众命名:那些想要一个非常基本的界面来使用互联网的人。

  移动计算甚至比笔记本电脑和上网本走得更远。许多智能手机和平板电脑的处理能力与笔记本电脑一样多,封装在更小的包装中。主要区别包括更小的屏幕尺寸和分辨率,更少的外部端口,蜂窝电话功能和触摸屏技术,以及键盘或代替键盘。

  在软件方面,PC操作系统也在提高便携性。例如,Google Chrome OS通过依赖对Web应用程序和云存储的访问来最大程度地减少对硬盘空间的需求。这意味着仅限于 64 GB 固态驱动器的上网本有可能与具有 500 GB 磁盘驱动器的笔记本电脑一样有用。当然,不支持 Web 的大型应用程序是这种节省空间优势的例外。

  在本文中,我们了解了 PC 的工作原理以及 PC 技术的发展方向。有一件事是肯定的:PC将会发展。它会变得更快。它将具有更大的容量。它将继续成为我们生活中不可或缺的一部分。

  电脑常见问题

  谁发明了第一台计算机?

  一个名叫埃德·罗伯茨(Ed Roberts)的人开始销售基于英特尔在1970年代设计的微处理器芯片的计算机套件。他将自己的电脑命名为Altair 8800,并以395美元的价格出售未组装的套件。虽然Altair 8800是第一台真正的个人电脑,但Apple II的发布使PC成为抢手的设备。

  计算机的七个主要部分是什么?

  计算机的主要部件包括主板、中央处理器 (CPU)、电源、随机存取存储器 (RAM)、硬盘驱动器、机箱和冷却设备。

  什么是个人电脑?

  个人计算机是带有微处理器的通用计算设备。它通常设计为一次供一个人使用,并运行操作系统以连接用户和微处理器。它的成本、大小和功能使个人可以拥有和使用。

  笔记本电脑是个人电脑吗?

  是的,笔记本电脑是便携式个人计算机。正是12磅重的IBM PC Convertible将笔记本电脑概念带入了1986年的生产。

  笔记本电脑和电脑有什么区别?

  虽然笔记本电脑和计算机都属于个人计算机的类别,但它们看起来完全不同。计算机是带有附加视频屏幕、键盘和某种类型的指针设备(即鼠标)的封闭设备。笔记本电脑不仅便携,而且更小更轻,使其成为许多人工作和上学的更好选择。


责任编辑:David

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