計算機是怎樣的構(gòu)成的？為什么計算機的零部件能完成它們的工作？如果你對此感到好奇，那你并不孤單。而且也正是這樣的好奇心將我們許多人帶入了信息技術(shù)和計算機科學(xué)的工作和研究領(lǐng)域，我們追求知識，磨礪我們的技能，我們享受這一路追求的每一分每一秒。

二進制

首先我們先來了解一下我們是怎樣使用電來處理信息的。

首先假設(shè)電就是電子流，而信息就是能夠呈現(xiàn)出兩種或多種狀態(tài)的事物所表現(xiàn)出來的狀態(tài)。事實上，你能想到的任何可能的兩種事物狀態(tài)都可以用來攜帶信息。首先，兩個不同的狀態(tài)可以用來表示“是”和“非”，兩個狀態(tài)非此即彼，那么你就能總能得到一個有效的輸出。盡管這些輸出可能并不正確，但是其總是有兩個有效的取值。這樣我們就可以把所有的信息都通過兩種可能的狀態(tài)來呈現(xiàn)。通過合適的邏輯編碼我們可以用兩種狀態(tài)來表示事物的更多種狀態(tài)，這可以通過對數(shù)據(jù)集采用合適的函數(shù)計算來實現(xiàn)。換句話說，你可以使用函數(shù)來計算你獲得的數(shù)據(jù)集，并得到一個結(jié)果。在數(shù)學(xué)上，你可以將這個過程簡單理解為輸入之后得到輸出。所有的信息都可以轉(zhuǎn)換成二進制編碼，而二進制是可以進行計算的。這樣我們就可以使用兩個狀態(tài)來對整個數(shù)據(jù)集進行計算了。

電子流

談過信息理論之后，我們再來談一談電。因為電的概念很簡單，本質(zhì)上就是電子流，而且這些電子流可以很容易利用磁場進行控制。在元素周期表上，你可以將所有的材料分成三類：絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體。這三種分類的劃分依據(jù)是其中電子的流動性能，絕緣體能阻止電流而導(dǎo)體允許電流通過，半導(dǎo)體的性質(zhì)則處于兩者之間。因為處理器需要對電流中的攜帶的信息進行轉(zhuǎn)換，所以大多數(shù)計算機的都建立在半導(dǎo)體的基礎(chǔ)上。電流只能在閉合的回路中流動，所以為了使電子穿過計算機中的電路，所使用的材料必須要能夠?qū)щ?。但是為了能讓信息可以進行二進制處理，我們需要讓電流呈現(xiàn)兩種狀態(tài)。但是電流本身并不能依靠自己呈現(xiàn)兩種狀態(tài)，所以我們需要關(guān)閉電流切斷或分成片狀來形成兩種狀態(tài)。當持續(xù)的電流被切分成導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)時，就形成了可供處理的二進制數(shù)據(jù)；又因為我們可以把所有的信息都轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)據(jù)（數(shù)字化），我們也就可以用計算機來處理所有信息。所以計算機可以這么強大，只要通過合適的編碼和足夠的算力，我們幾乎可以用計算機來處理所有已知的信息。

電腦各組件

你知道計算機的工作需要多少組件嗎？和所有復(fù)雜的機器一樣，計算機也是由各種組件組成的，當然，計算機的組成架構(gòu)和原理有自己的特點。狹義來講，計算機是指能夠處理算術(shù)和邏輯指令的可編程計算設(shè)備。但我們通常所稱的計算機（也叫“電腦”）則包括了中央處理器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）模塊、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)適配器、圖形處理器（GPU）、電源模塊和一個作為各組件連接中樞的主板。

CPU

中央處理器（CPU）由三個基本單元組成，它們分別是算術(shù)邏輯單元（ALU）、寄存器和控制單元。三個組分協(xié)同工作才能完成二進制信息的計算，從而實現(xiàn)計算機的不同的基本功能。這些基本功能可以統(tǒng)稱為輸入/輸出（I/O）或數(shù)據(jù)吞吐功能。也可以認為CPU是微處理器，尤其當其上還集成了存儲控制器、外圍設(shè)備和附加核心或插口的時候。集成型微控制器有時專指片上系統(tǒng)（SoC），因為其上集成了可以運行嵌入式系統(tǒng)的集成電路。

RAM

計算機系統(tǒng)中的隨機存取存儲器（RAM）是用來臨時存儲二進制數(shù)據(jù)的。因為是臨時的，所以計算機斷電后其中的數(shù)據(jù)就會丟失；也就是說關(guān)閉或重啟計算機后，RAM中存儲的數(shù)據(jù)就會被完全擦除。但是RAM的數(shù)據(jù)存取速度卻比其它的永久性存儲介質(zhì)快得多。當計算機加載屏幕時，就是將速度較慢的硬盤中的數(shù)據(jù)加載到速度更快的RAM中。RAM速度快當然是有原因的，其中最重要的就是其使用的接口。RAM直接與主板相連，然后通過相應(yīng)的總線直接連接到CPU，這使得CPU和RAM之間的延遲非常低，從而能實現(xiàn)極大的數(shù)據(jù)吞吐率。當然，巨大的帶寬也起到了很大的作用。你可以將內(nèi)存總線和帶寬看作是數(shù)據(jù)流動的路徑。路徑越多，那么數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣染驮娇欤谑怯嬎銠C的數(shù)據(jù)處理能力也就越好。

數(shù)據(jù)存儲設(shè)備

而如果要長期保存數(shù)據(jù)，我們就需要用到其它技術(shù)，目前計算機系統(tǒng)最常用的長時間存儲設(shè)備是硬盤（分為機械硬盤和固態(tài)硬盤兩種）。這些存儲設(shè)備中存儲的信息在設(shè)備斷電之后依然會長期保存。存儲設(shè)備最主要的功能當然是存取數(shù)據(jù)，所以衡量存儲設(shè)備主要標準就是數(shù)據(jù)存取速度和可用的存儲容量。除了硬盤，還可以在計算機上使用其它的存儲設(shè)備，如：軟盤、光盤、優(yōu)盤；其中有的存儲設(shè)備還需要額外的硬件支持。

電源模塊

電源模塊是給計算機提供能量的部件。該部件能將供電網(wǎng)絡(luò)中的220V交流電轉(zhuǎn)化成計算機可用的12V直流電。另外，計算機系統(tǒng)也可以使用電池供電，目前最常見的電池是鋰離子電池。

主板

主板是用來連接以上所有組件的一種特制的印刷電路板（PCB）。主板上通常集成了大量的元器件和接口，能夠連接大量不同的設(shè)備和器件。根據(jù)品牌和型號的不同，不同主板上集成的組件也不盡相同。

顯示器

顯示器是我們從計算機獲取信息的最主要媒介，目前大部分的顯示器都是液晶顯示器，傳統(tǒng)還有陰極射線管（CRT）顯示器，新穎的則有AMOLED顯示器。而目前很多液晶顯示器也配置了觸摸功能模塊，使得顯示器不再僅僅是信息輸出設(shè)備，也具備了信息輸入的能力。而所有的顯示器的共同點就是它們的顯示方式都是像素式的。每個像素包含三個發(fā)光單元，每個單元在合適的處理之后顯示紅綠藍三種不同的顏色，而根據(jù)三者發(fā)光強弱的改變，從而可以在使用者眼里呈現(xiàn)不同的顏色變化。

網(wǎng)絡(luò)適配器

在現(xiàn)代計算機中，網(wǎng)絡(luò)適配器是十分重要的組件。這讓計算機能夠通過網(wǎng)絡(luò)和其它計算機進行通信。網(wǎng)絡(luò)適配器有有線的，也有無線的。網(wǎng)絡(luò)通信有不同的協(xié)議，對這些協(xié)議的支持需要特定的硬件和軟件支持。通常來說，有線網(wǎng)絡(luò)相對于無線網(wǎng)絡(luò)會更快更穩(wěn)定，但這并不是絕對的。

外接存儲

光驅(qū)現(xiàn)在很廉價，也很方便購買。但隨著優(yōu)盤設(shè)備等性能和便攜性更優(yōu)的存儲設(shè)備的出現(xiàn)，光盤的重要性也越來越低。

圖形處理器

對圖形顯示有較高要求的應(yīng)用對圖形處理器的要求也更高。正是這些才讓我們能夠看到一年比一年更逼真的動畫電影。另外因為GPU的并行處理性能，它們也在大型數(shù)據(jù)中心和超級計算機中得到了很好的應(yīng)用。圖形處理器和通用處理器的最大區(qū)別是通用處理器在任務(wù)處理時并不存在偏頗，而圖形處理器的目標處理對象就是用于屏幕顯示的數(shù)據(jù)；所以側(cè)重點不一樣?？梢宰鰝€比方：CPU是各科都還不錯的考試達人，能完成各科的作業(yè)，但是單科成績很一般；而GPU則是嚴重偏科的天才。但現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了CPU和GPU的融合，成為集成圖形處理或融合處理器（APU）。而隨著HSA架構(gòu)的出現(xiàn)，兩者之間的差別也正在進一步縮小。

總結(jié)

總結(jié)一下，計算機是能用來做算術(shù)和邏輯運算的機器。它處理的是二進制數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以存儲在存儲單元中，顯示在顯示器上。而操作系統(tǒng)是人機交互的橋梁，用戶可以使用操作系統(tǒng)和計算機進行高層次的交互 。你在顯示器上看到的一切都是二進制編碼的像素表現(xiàn)形式。二進制數(shù)據(jù)的基本形式是開和關(guān)（1和0），這兩種表現(xiàn)形式和計算機所用材料的性質(zhì)有關(guān)。目前計算機所使用的基本材料是半導(dǎo)體材料（主要是硅）。由半導(dǎo)體材料制備的晶體管具有快速開關(guān)的特性。計算機中的晶體管數(shù)量越多，計算機的處理性能就越強，目前的計算機芯片已經(jīng)能夠集成數(shù)十億個晶體管。而計算機系統(tǒng)也正向小型化和更多樣化的方向發(fā)展，將繼續(xù)在人類文明的進化中發(fā)揮愈加重要的價值。