数据和程序表示

数字数据和数值数据

大多数计算机是数字计算机，它们使用特定的语言在内部进行通信以处理信息。例如，如果后台运行着程序，或者一个人正在输入一个文字文档，计算机需要能够解释人类输入的数据，以及与自身内部工作的组件进行通信。数字计算机使用的这种语言称为二进制代码，它是一种非常基本的语言，只包含两个数字：1 和 0。而英语由 26 个数字组成，我们通常称之为字母表，计算机使用只包含两个数字的语言，因此得名“二进制代码”。这些 1 和 0 被称为“位” - 它们是二进制计算机可以识别的最小数据单元。它们存在于计算机完成的每一个动作、内存、存储或计算中，例如创建文档、打开网页浏览器或下载媒体。为了适应更多动作、内存或存储，位必须组合在一起形成一个更大的单位，称为“字节”。

字节通常用于指代提供的信息的大小。例如，下载的歌曲可能包含数千字节，如果是一个完整的 CD 而不是仅仅一个音轨，甚至可能包含数兆字节。同样，图片和其他所有文档通常根据它们的大小或包含的字节数存储在计算机上。计算机上可以存储的信息量也以字节显示或显示，在存储了某些程序或文档后，计算机上剩余的信息量也是如此。由于字节可能非常长，我们想出了表示它们大小的前缀。这些前缀每三个十进制单位递增一次，因此千字节大约代表 1,000 字节，兆字节大约代表一百万字节 (1,000,000 字节)，吉字节大约代表十亿字节 (1,000,000,000 字节) 等。计算机组件变得如此之小，我们现在可以在相同尺寸的计算机中存储越来越多的数据字节，导致使用了其他更大的前缀，如泰拉、拍塔、艾克萨、泽塔和尧塔。以下是一张图表，概述了所用前缀的名称及其所代表的十进制次方。 [1]

数字数据表示，也称为计算机如何解释数据，是理解计算机数据处理以及整体功能的关键概念。数据由特定的编码系统表示。计算机识别编码系统 - 而不是用户看到的字母或短语。计算机理解编码系统的实际过程称为数字数据表示。数字计算机通过理解两种不同的状态来运行，开或关。这意味着数据由数字表示 - 0 和 1，被称为二进制计算机。二进制代码是计算机可以理解的非常基本的编码系统。数字数据计算的优势在于二进制编码系统。尽管二进制代码由于技术的进步在专业和娱乐领域越来越不受欢迎，但它们在编程中仍然有用。数字数据为准确地将信息从一台计算机复制到另一台计算机提供了一种简单的方法，这就是它今天仍然使用的原因。^[1] 最小数据单元的术语是位，它由单个数值 0 或 1 组成。另一方面，字节由多个位分组组成。字节使计算机硬件能够更快、更有效地工作。^[2]

(来自维基百科上的 SI 页面)

SI 前缀
名称	尧塔	泽塔	艾克萨	拍塔	泰拉	吉咖	兆	千	百	十
符号	Y	Z	E	P	T	G	M	k	h	da
因子	10²⁴	10²¹	10¹⁸	10¹⁵	10¹²	10⁹	10⁶	10³	10²	10¹
名称	分	厘	毫	微	纳	皮	飞	阿	仄	幺
符号	d	c	m	µ	n	p	f	a	z	y
因子	10^-1	10^-2	10^-3	10^-6	10^-9	10^-12	10^-15	10^-18	10^-21	10^-24

用数字计算机可以理解的方式表示数据称为数字表示，而二进制代码是最常用的形式。二进制代码是数据的数字表示，它只使用 1 和 0 来表示所有可能的数字。数学使用 10 个符号，从 1 到 0，包括 2、3、4、5、6、7、8 和 9。这种数据的数字表示称为十进制计数系统，因为它使用十个符号。如表所示，前缀 deci 代表十。在这两种系统中，每个数字的位置决定了该数字的幂。在十进制系统中，每个数字都乘以十，因此第一列等于 1 (10^1) 或十的第一次方，第二列等于 10 (10^2) 或十的平方，第三列等于 100 (10^3) 或十的三次方，等等。然而，由于二进制代码只操作两个符号，因此每个数字是二的幂而不是十的幂。在二进制中，第一列等于 1 (2^0) 或二的零次方，第二列等于 2 (2^1) 或二的第一次方，第三列等于 4 (2^2) 或二的平方，第四列等于 8 (2^3) 或二的三次方，等等。由于二进制系统利用了很少的符号，因此结果是，与十进制形式相比，使用了更多数字位置来表示同一个数字，即使是最简单的表达式也留下了长长的信息行。

编码系统

有几种不同的编码系统，EBCDIC、ASCII 和 Unicode。EBCDIC (扩展二进制编码十进制交换码) 是为大型机使用而创建的，由 IBM 开发。该代码使用 0 和 1 的独特组合，长度为 8 位，允许 256 种不同的组合。ASCII (美国信息交换标准代码) 是为更个人化的使用而创建的。ASCII 使用 7 位代码，但有一个扩展代码添加了一个额外的位，这几乎使该代码可以表示的唯一字符数量翻倍。然而，Unicode 是一个长得多的代码串，介于 8 到 32 位之间。由于有超过一百万种不同的可能性，每种语言都可以用这种代码表示，每个数学符号都可以表示，每个标点符号，以及来自任何文化的每个符号或标记。

Unicode 是一种通用编码。它使用 0 和 1 来表示不同的数据，因此适用于全世界使用的任何语言。这种代码正在取代 ASCII（美国信息交换标准代码），因为该代码中的字符可以转换为 Unicode，而 Unicode 是一种更实用的数据系统。ASCII 被称为字母代码，其编号代码范围从 0 到 127，被认为是 7 位代码。字母因语言而异，但 0 和 1 在全世界都能被理解。Unicode 的问题在于它与当今使用的每个计算机系统都不兼容。Windows 95/98 无法运行 Unicode，而其他 Windows 版本（如 NT 和 2000）则更接近于能够运行 Unicode。Sun Microsystem 的 Java 软件开发工具包是一个程序，允许您将 ASCII 格式的文件转换为 Unicode。虽然 Unicode 是当今编码系统的巨大改进，但它无法处理所有可能的符号，这为新的系统将来取代它留下了空间。^[3]

图形数据

多媒体数据的一种类型是图形数据。这些数据是静止图像，可以以位图图像文件的形式存储。位图图像是一种图形，包含以网格状排列的像素或图像元素。^[4] 每个像素都由一组特定的数字组成，这些数字对应于颜色和颜色的强度。尽管在确定图像的细节质量时还有其他一些关键因素，但像素起着重要作用。具有更多像素的图像可能具有更高的质量。但是，这并不意味着图像中更多的像素一定会导致更高质量的图片。^[5] 在购买数码相机时，消费者必须注意其所用相机的百万像素数或像素数。如今，希望拍摄体面且基本的日常照片的普通人对大约 800 万像素的相机感到满意。事实上，许多新的智能手机相机使用 1600 万像素，比如 HTC Titan 2，这款流行的智能手机于 2012 年 4 月发布。有不同意图使用图像的人（也许是为了制作高清打印）将需要具有更多百万像素的相机。这将允许他们的打印尺寸很大，但质量适当且出色。^[6]

音频数据

音频数据与图形数据非常相似，因为它以片段的形式理解。但是，音频数据不是使用像素，而是使用样本。音频数据通常通过麦克风或 MIDI 控制器等输入设备进行录制。然后，每秒从录制中获取数千个样本，当它们按相同顺序播放时，它们会创建原始音频文件。由于每个声音文件包含许多样本，因此文件通常会压缩成 MP3 或 MP4 等格式，以便它们占用更少的存储空间。这使得它们更容易下载、通过互联网发送，甚至存储在您的 MP3 播放器中。

视频数据

视频数据也类似于图形和音频数据，但它不是使用像素或样本，而是使用帧来录制。帧是静止图像，每秒拍摄多次，当同时播放时会创建一个视频（大多数电影使用每秒 24 帧的速度拍摄）。^[7] 与音频数据类似，由于视频数据包含大量信息，因此文件可以被压缩，从而可以将包含数千帧的完整电影存储在光盘上。

系统单元 - 主板和 CPU

主板

“主板可以被认为是计算机的‘骨干’。” 这句话来自文章主板。系统单元内部包含主板。主板是计算机的“粘合剂”。它将 CPU、内存、硬盘驱动器、光驱、显卡和声卡连接在一起。主板的正面是外设卡插槽。插槽包含连接到主板的不同类型的卡。主板的左侧包含端口。端口连接到显示器、打印机、键盘、鼠标、扬声器、电话线和网络电缆。^[8]

与计算机的许多组件一样，主板也不像今天这样先进。早期 PC 上的主板没有很多直接位于板上的集成部件。相反，大多数设备（如显示适配器和硬盘控制器）是通过扩展插槽连接的。随着技术的进步，越来越多的设备被直接内置到板子上。起初，这开始造成问题，因为制造商开始发现，如果主板上的某个设备出现故障或以某种方式损坏，则必须更换整个主板。这促使制造商改变设计，使他们能够轻松地移除有故障的部件并更换它们，尤其是那些快速发展和变化的部件，例如 RAM 或 CPU。如今，主板配备了许多协同工作的部件。人们可以在靠近 CPU 的地方找到任何东西，从备份电池、键盘和鼠标连接器到缓存内存芯片。随着其组件彼此之间越来越近，计算机能够更快地执行任务。技术的进步使这些部件变得更小、更强大，从而为主板提供更多表面积来容纳更多设备。如今，通常会发现音频和视频组件也内置其中。随着技术发展如此之快，人们可能会想知道主板在不久的将来将能够包含哪些内容。^[9]

RepRap 主板 v1.1
主板图
主板
主板上的实时时钟

扩展卡

扩展卡，也称为扩展板、适配卡或附件板，是一种印刷电路板，可以插入主板上的扩展插槽，为计算机系统增加功能。^[10] 三种最常见的扩展卡是声卡、显卡和网卡。每种类型的扩展卡都有一个不言自明的名称，它们都起到为计算机增加功能的作用。声卡负责产生声音，然后将声音传输到扬声器或耳机。声卡通常内置于主板上，但也可以单独购买。显卡将 CPU 产生的数据转换为能够在计算机显示屏上看到的图像。与声卡一样，显卡通常内置于主板上，但可以单独购买可以产生更高分辨率图像的显卡。最后，网卡是一种将计算机连接到计算机网络的扩展卡。这允许计算机通过常用的协议（称为 IEEE 802.11，俗称无线局域网或 Wi-Fi）与计算机网络交换数据。^[11]

CPU

中央处理器，也称为 CPU，负责执行称为程序的一系列指令。计算机需要 CPU 才能正常运行。它被称为计算机的大脑，在那里进行计算。微处理器和处理器是中央处理器的另外两个名称。中央处理器连接到主板上的 CPU 插槽。多核 CPU 包含多个处理器芯片。这种特定类型的 CPU 效率很高，因为它允许计算机同时处理多个任务，因为单个处理器可以在不同的内核上同时运行多条指令。此外，这些多核 CPU 比原始 CPU 产生的热量更少，从而导致计算机出现的问题更少。

英特尔 i7 940
AMD 双核

CPU 的历史

有史以来第一个 CPU 是英特尔 4004，由费德里科·法金设计。在法金及其同事花了十个月的时间开发该芯片后，它于 1971 年 1 月由英特尔公司发布。尽管这款第一代 4 位微处理器只能进行加减运算，但它在技术上是一个重大突破。令人惊叹的是，所有处理都集中在一个芯片上，而之前的计算机则使用多个芯片连接在一起。这项发明催生了第一台便携式电子计算器。^[12]

虽然技术自 1971 年以来有了很大进步，但旧技术并不像人们想象的那样过时。现在仍然使用 1970 年代和 1980 年代制造的 CPU 芯片。个人电脑，如 PC 和 Mac，使用更快、更新的 CPU，因为用户会同时运行多个程序。然而，嵌入在汽车、打印机和微波炉中的更简单的计算机仍然可以使用旧的微处理器形式。例如，著名的 CPU 之一是 MOS 6502，于 1975 年制造，并在 2009 年之前一直被用于许多家用电器。控制处理单元是任何计算机的关键组件，因此有时更简单的风格最有效。^[13]

系统单元 - 内存、总线、端口

内存

内存指的是以芯片形式存在的数据存储，用于临时或永久存储数据和程序。主要有两种类型的内存存储：随机存取内存 (RAM) 和只读内存 (ROM)。在系统单元内部，ROM 连接到主板。随机存取内存可以在相同的时间内从 RAM 读取数据和写入数据。RAM 容量以字节为单位衡量。它是易失性的，这意味着当电源关闭时，存储在其中的信息/数据会丢失。为了在以后检索重要文件，需要将其存储在单独的、非易失性存储介质（如闪存盘或硬盘驱动器）上，以便即使信息从 RAM 中擦除，也会存储在其他地方。RAM 有不同的插槽，用于存储数据并跟踪地址。只读内存不能写入，并且是非易失性的，这意味着无论电源是否关闭，它都保留其内容。闪存（固态）正在开始取代 ROM。它也是一种非易失性存储芯片，用于存储在手机、平板电脑、数码相机等设备上的数据。这种类型的内存通常可以以闪存盘、SD 卡和固态硬盘的形式找到。这样做是为了能够随着时间的推移快速更新数据，同时与之前的数据相比，占用更少的物理空间。与传统硬盘驱动器等其他内存替代方案相比，闪存也更能抵抗外力，如电磁场或冲击。

高速缓存 和 寄存器 是特殊类型的易失性内存，允许计算机更快地执行某些任务。高速缓存是一个高速电路，可以内置在 CPU 中，也可以靠近 CPU。寄存器内置在 CPU 中，用于存储处理过程中的中间结果。HowStuffWorks 中的一个很好的类比将计算机比作图书管理员，数据比作书籍，高速缓存比作背包。^[14] 假设有人走进图书馆，向图书管理员索要一本名为“白鲸记”的书。图书管理员回到装满书籍的房间，拿来那本书，然后交给读者。当天晚些时候，读者看完书，把书还给图书管理员，图书管理员把它放回同一个储藏室。然后，第二个读者走进来，要求借同一本书，“白鲸记”。图书管理员不得不站起来，走到房间的另一头才能拿到他刚处理过的书，这是浪费时间。相反，假设图书管理员有一个背包，可以存放多达 10 本书。当第一个人归还“白鲸记”时，图书管理员会把它放进背包（在确保背包中还没有 10 本书的情况下）。然后，当第二个人进来要求借同一本书时，图书管理员只需查看他的包，把书拿出来，交给第二个人，而不必走到另一个房间。高速缓存的工作原理类似于背包，它将以前访问的数据存储在特定区域，该区域的内存有限，这样处理器就可以更快地获取这些数据。

端口

端口位于系统单元的外部，用于连接硬件设备。有物理端口和虚拟端口。物理端口是计算机的物理连接点，用于传输数据。这是将某物物理连接到计算机或其他设备时的情况。虚拟端口允许软件应用程序共享硬件资源，而无需彼此物理连接或相互干扰。^[15] 并行端口最常用于连接键盘、打印机或鼠标，但它们更常见被称为传统端口。每个端口都有一个特定的连接器，用于将其连接到计算机。不同类型的端口将是电源连接器、VGA 监视器端口、USB 端口、Firewire 端口、HDMI 端口、网络端口、音频端口和空插槽。连接器将是监视器（VGA、HDMI）、USB、Firewire、网络和音频连接器。每个端口也有不同的用途和连接器。几乎所有 PC 都配备了串行 RS-232C 端口或 RS-4222 端口，用于连接调制解调器、鼠标或键盘。它们还有并行端口，用于连接打印机。这些也被认为是 USB 端口，因为它们是物理端口，并且标准化了计算机和外设之间的通信。USB 端口诞生于 1990 年代中期；USB 代表通用串行总线。还有用于将计算机连接到网络的网络端口。以太网是在 1980 年代开发的，它是一个连接多个计算机系统以形成局域网 (LAN) 的系统。

串行端口用于将调制解调器连接到个人电脑。“串行”一词表示，在一个方向上发送的数据始终沿着电缆中的单根导线传输。最后一种主要的端口类型是 FireWire，用于通过 FireWire 连接器将 FireWire 设备连接到计算机。这些主要用于数码摄像机和其他多媒体设备。

雷雳端口

雷雳端口通过该电缆连接外围设备。这些端口允许您将更多设备连接到计算机，并且速度非常快。雷雳端口使用单根电缆支持硬件控制器 I/O 协议。I/O 技术是输入和输出，是一种将数据传输到计算机外设的设备（CD-ROM 就是 I/O 技术的一个例子）。该端口支持端口双向的全部带宽，从而使用户能够更快、更高效地使用连接的设备。这种类型的技术允许人们将尽可能多的设备插入到计算机中，同时不会降低任何这些设备的速度。雷雳端口也很小，因此便于携带。^[16]

电源供应单元

计算机需要电力，电源供应单元（PSU）承担着两个主要功能。首先是将墙壁插座提供的电能类型（例如 110 V 60 Hz AC（交流电）或 230 V 50 Hz AC）转换为计算机电路可使用的类型。另一个关键任务是根据设备的需求向每个设备提供低电压。转换电流可以由内置的电源（台式机、服务器、大型机）或由配备内部可充电电池的计算机（笔记本电脑、平板电脑）的单独电源适配器来实现。计算机主要使用三种电压：+3.3 V、+5 V 和 +12 V DC，通常逻辑电路和一些数字电子元件（主板、适配器卡和磁盘驱动器逻辑板）使用 +3.3 或 +5 电压，而电机（磁盘驱动器电机和任何风扇）使用 +12 V 电源。电源必须提供稳定可靠的直流电源以确保系统正常运行。运行电压与这些电压不同的设备必须通过板载电压调节器供电。例如，CPU 运行在 1.5 V 和 2 V，需要非常稳定的电源和高功耗。 ^[17]

剧院中的以太网线缆

以太网线缆是当今普遍使用的线缆。你可能最熟悉它在家庭中与互联网连接的用途，主要用于从调制解调器连接到另一台计算机或连接到 Wi-Fi 路由器。然而，以太网线缆在改变技术剧院方面起着至关重要的作用。在它出现之前，剧院中最常见的计算机线缆分别是 DMX 和 XLR，分别用于照明和声音。问题在于，每根线缆只能传输一个设备的信息，无论是麦克风还是灯光。此外，如果这些线缆存放不当，可能会损坏传输的信息。以太网线缆更小，可以传输更多数据。此外，在存放线缆方面风险更低。以太网线缆结合新的操作系统和设备，使工作效率更高。例如，模拟调音台必须有一根 XLR 线缆连接到每个麦克风，因此如果你要连接 40 个麦克风，你的调音台必须有 40 个通道。此外，一根包含 40 根较小线缆的线缆的直径可以达到一英寸，重量可能达到数百磅。现在，一台数字调音台可以通过一根以太网线缆控制多达 100 个麦克风。

CPU 的工作原理

CPU 架构和组件

如本页前面所述，CPU 是计算机中一个复杂的部件，由许多部分组成。这些部分在每个处理器内部的组合方式各不相同，但它们主要包含从一个设备到另一个设备的相同部分。CPU 中最丰富的部分是晶体管。现代 CPU 通常包含数亿个晶体管，一些高端计算机包含超过十亿个晶体管，这是有充分理由的。计算机中的计算能够执行得益于晶体管的组合，这些晶体管要么关闭要么打开。除了这些晶体管之外，CPU 还由几个部分组成。其中包括算术逻辑单元（ALU）和浮点单元（FPU）、控制单元和预取单元。ALU 是 CPU 中负责处理涉及整数的数学运算以及使用这些数字进行的任何函数的部分。FPU 处理其他数字（如分数或带小数点的数字）的数学运算。^[18] 这两个部分协同工作，使用算术和逻辑过程，使你能够执行你在计算机上执行的任何基本功能。控制单元负责控制信息何时何地进出 CPU。当信息离开控制单元时，通常会发送到 ALU/FPU，在那里它可以被转换为一个过程。预取单元，顾名思义，在需要数据之前获取数据。它使用一系列过程来猜测接下来需要什么信息，并在需要的时候随时提供信息。CPU 的其他组件包括缓存、解码单元和总线接口单元。缓存作为高速内存，用于 CPU 希望更快访问的指令，换句话说，CPU 希望避免从 RAM 或硬盘检索的指令。解码单元，顾名思义，对指令进行解码。预取单元获取数据后，数据会通过解码单元，以便控制单元能够理解这些指令。总线接口单元允许核心与其他 CPU 组件之间的通信。把它想象成一辆公共汽车，从一个地方获取信息并将其运送到其他地方。 ^[19]

内部时钟

每台计算机实际上都有两个不同的时钟。一个是虚拟时钟或系统时钟，它在计算机开启并运行时运行和显示。^[20] 另一个是实时时钟或硬件时钟，它持续运行，负责跟踪正确的时间和日期。该设备不会以天和小时来计量时间。相反，它只以每秒的次数来运行一个计数器。对于世纪来说，BIOS（基本输入输出系统）负责跟踪这一点，并将其保存在硬件时钟的非易失性内存中。这两个时钟相互独立运行。系统时钟在物理上是一个位于主板上的小型石英晶体。它还通过定期向所有部分发送信号（或周期）来帮助同步所有计算机功能，就像人的心跳一样。赫兹是用来计算每秒周期数的单位。例如，1 兆赫兹是系统时钟的 100 万次滴答。这个时钟对 CPU 非常重要，因为 CPU 时钟速度越高，它每秒处理的指令就越多。由于整个系统都与系统时钟的速度相关联，因此提高系统时钟速度通常比提高处理器速度更重要。

过去，PC 只有一个统一的系统时钟，它只有一个时钟驱动处理器、内存和输入/输出总线。然而，随着技术的进步，对更高速度（因此需要多个时钟）的需求出现了。因此，典型的现代 PC 现在有多个时钟，它们都以不同的速度运行，以使任何数据能够在 PC 周围“传输”。此外，两个具有相同时钟速度的 CPU 不一定会表现相同。例如，如果一个旧的微处理器需要 20 个周期才能完成一个简单的算术方程，而一个新的微处理器可以在一个时钟周期内完成相同的计算。因此，即使这两个处理器具有相同的时钟速度，但新的处理器也会比旧的快很多。

系统时钟以周期性的速率在 0 和 1 之间交替。

如前所述，CPU 是系统时钟执行同步的很好的例子。为了同步，大多数 CPU 在下降沿（当时钟从 1 变为 0 时）或上升沿（当时钟从 0 变为 1 时）开始一个操作。所有与系统时钟同步的设备（如 CPU）都以系统时钟速度或系统时钟速度的一部分运行；因此，CPU 无法执行比时钟更快的任务。例如，在每个系统时钟周期期间，CPU 时钟速度为 2 GHz 允许 CPU 时钟“滴答” 10 次，执行一个或多个微代码片段。这种一次处理多个微代码片段的能力被称为 *超标量*。 ^[21]

机器周期

机器周期是一个常用于讨论时钟的术语。它主要包括四个部分：取指、解码、执行和存储。每当 CPU 处理一条微代码时，就会发生机器周期。取指操作需要从缓存或 RAM 中分别获取程序指令。接下来，将指令解码，以便 ALU 或 FPU 能够理解它，这称为解码操作。然后，当执行指令时，就会发生执行操作。最后，来自 ALU 或 FPU 操作的数据或结果被存储在 CPU 的寄存器中，以便以后检索，这称为存储操作。周期中的第五个可能步骤是寄存器回写操作，它发生在某些 CPU 中。RISC CPU（表示精简指令集计算机处理单元）就是使用机器周期的第五步的一个例子。机器周期只能处理一条微代码，这迫使像加法或乘法这样的简单指令需要多个机器周期才能完成。为了使计算机更快，人们创造了一种称为流水线的系统。最初，一个机器周期必须完成处理一条指令，然后才能通过第二个机器周期执行另一条指令。使用流水线，一旦一条指令通过机器周期的某个操作，第二条指令就可以开始该操作。例如，在一个指令被取指并继续解码之后，CPU 可以取指第二个指令。这项发明允许同时执行多个机器周期，从而提高了计算机的性能。此外，由于 CPU 可以使用流水线以多快的速度工作，它可以以每秒数百万条指令的速度进行衡量。^[22]

典型的 CPU 组件（续）

为了补充 CPU 内部的简化清单，我们有解码单元、寄存器和内部缓存内存，以及总线接口单元。在 CPU 的剩余三个部分中，解码单元最容易理解，因为它的工作紧随预取单元的工作。在预取单元收集数据之后，解码单元会将数据解码成一种更易于 ALU/FPU 理解的语言。它通过查询 CPU 内部的 ROM 内存来做到这一点，该内存称为微代码。^[23] 寄存器在处理过程中使用；它们是位于 CPU 内部的、高速内存的组，ALU 和 FPU 可以访问它们，或者用于其他各种优化目的。虽然寄存器提供最快的内存速度，但它们的存储空间极其有限。在少量寄存器空间不够的情况下，缓存可以发挥作用。缓存由 CPU 用于反复访问的内存，它可以加快访问时间，并且具有比寄存器稍大的存储空间。^[24] 总线接口单元的作用与它的名字完全一致；它来回传递数据，连接 CPU 的核心以与其他组件交互。^[25]

CPU 的另一个方面是提高处理性能。过去，大多数为台式机设计的 CPU 只有一个内核，因此提高性能的唯一方法是提高 CPU 的速度；但是，提高速度也会导致 CPU 过热。所以现在 CPU 具有多个内核，以提高性能。例如，新款 iPhone XS 将具有六个 CPU 内核。在一篇由 CNET 的 Stephen Shankland 于 2018 年 9 月 12 日发表的文章中，他解释了新款 Apple iPhone XS CPU 如何能够更快地执行。新款 Apple iPhone 将配备新的 A12 Bioinic 芯片。它将拥有更多的晶体管，如果你还记得的话，晶体管是由半导体材料制成的微型设备，充当开关以打开和关闭电路。根据 Shankland 先生的文章，这款新的 A12 芯片将拥有大约 70 亿个晶体管。Shankland 先生在他的文章中指出，新款 A12 将比 2017 年的 iPhone X 快 15%，并且功耗降低 40%。截至目前，这些信息来自苹果公司分享的图表和信息。需要了解和认识的是，公司一直在努力提高性能，而重新设计 CPU 架构可以提高性能。^[26]

提高计算机性能

增加内存并购买单独的硬盘驱动器

在技术方面，毫无疑问，更新意味着更好。新系统能够更快地处理、存储更多内容，并且可以同时运行更多应用程序。然而，对于每个人来说，在最新技术上市的那一刻就冲出去购买最新技术显然是不现实的。技术很昂贵，因此了解你的选择很重要。例如，如果你拥有一台几年前的计算机，那么假设系统上的硬盘驱动器和内存开始变慢并不为过。然而，许多人可能不知道的是，购买一台新计算机并不是解决问题的唯一方案。你可以通过购买新的内存卡并将其安装到计算机硬件中，为旧系统添加内存。通过这样做，你可以节省资金，并为你的计算机争取更多的时间。^[27] 另一种无需投资全新计算机即可提高计算机速度的方法是购买第二个硬盘驱动器。当原始硬盘驱动器开始填满时，只需为计算机购买内部或外部硬盘驱动器，就可以大幅提高运行速度。^[28]

升级到固态硬盘

由于固态硬盘 (SSD) 是使用闪存技术而不是硬盘磁碟的硬盘驱动器，因此它们没有活动部件。它们也不再发出噪音，功耗更低，因此发热量更少，并且比硬盘驱动器快得多。由于它们比硬盘驱动器快得多，因此计算机的性能也会得到提升。运行程序、打开文件、将内容保存到磁盘，甚至浏览网页的速度都会快得多。此外，对于机械硬盘驱动器，物理磁头必须四处移动才能从磁盘读取数据，而在固态硬盘中，数据可以在任何位置读取和写入，因此在性能方面没有损失。固态硬盘不仅速度更快，而且价格也越来越低，因此升级到它们更加实惠和合理。此外，安装固态硬盘并不太困难或复杂。它基本上与安装普通硬盘驱动器相同。此外，如果升级到固态硬盘的决定显得过于最终，则可以将固态硬盘与硬盘驱动器一起添加。这样不仅有更多空间，而且还可以保留旧的机械驱动器。^[29]

升级你的互联网连接

如果你的系统在使用互联网时似乎运行不佳，则可能需要升级你的互联网连接。升级你的互联网连接可能会变得更加昂贵，但处理器会发生重大变化。你的第一步应该是讨论任何升级，或检查提供商是否需要以任何方式进行增强。然后，找到适合你的连接类型的浏览器。在说明这一点的情况下，你可以更改路由器上的设置，以加快互联网连接速度。为了防止你的互联网连接变慢，强烈建议设置密码以访问互联网。此外，每个计算机所有者都应该为其计算机提供维护，以防止计算机可能收到的病毒或任何错误，但它还可以防止互联网连接速度变慢。为此，请保持升级和清理计算机，因为计算机维护的任务越多，互联网连接速度就可能越慢。^[30]

系统维护

为了使计算机能够以最高效率运行，用户必须意识到系统维护的重要性，因为随着时间的推移，用户可能会注意到系统性能下降。这可以归因于导致性能下降的许多常见因素。一个主要原因是硬盘驱动器**碎片整理**。随着更多程序安装到硬盘驱动器上，这些程序上的文件碎片需要更长的时间才能被找到。程序的较长片段变得越来越短，并且变得支离破碎，导致用户在计算机搜索这些分散的片段时等待的时间更长。与之相关的是，尽管对系统性能的影响远不及碎片整理，但操作系统中未安装程序的碎片和引用也会造成混乱。对于 Windows 用户来说，这种情况发生在**注册表**中。用户卸载程序后，注册表中会留下对该程序的引用，这可能会影响性能。但是，性能并不一定是个问题。例如，如果用户要通过从 Nvidia 显卡切换到 AMD 显卡来更新系统，那么不仅卸载所有驱动程序和相关程序，而且还要清除注册表中对 Nvidia 驱动程序和软件的任何引用（以避免在安装 AMD 显卡时出现可能的冲突）可能是一个好主意。这将确保硬件和软件组件的“干净”安装。可以使用的一个免费注册表清理实用程序是 CCleaner。^[31]

**临时文件**(例如，来自 Web 浏览器和安装程序)如果在很长一段时间后没有删除，会占用宝贵的存储空间。此外，用户应注意他们正在安装的程序，并决定哪些特定程序在**启动**时运行。过多的程序会减慢计算机的初始启动时间，因为它必须启动一个接一个的程序。应只包括那些必要的程序，要检查这一点，请单击“开始”(在左下角的 Windows 图标中)，并在搜索选项卡中输入命令 *msconfig*。这将打开系统配置窗口。在启动选项卡下列出了在启动时运行的程序。在这里，用户可以启用或禁用程序，这会影响启动时间。

决定系统性能的另一个重要因素是系统文件被**恶意软件**损坏。病毒、蠕虫、特洛伊木马、间谍软件和其他形式的恶意软件可以通过各种方式感染系统，因此用户务必了解并做好防御。防病毒程序和其他安全软件提供了对恶意软件的保护，因此建议用户安装某种程序并定期扫描系统以查找任何痕迹。

最后，**灰尘**会积聚在散热风扇(例如，处理器和显卡)上以及散热风扇、机箱风扇、端口、电源和主板上。每个内部组件都会积累灰尘，这对系统完整性来说可能是一个重大问题，因为灰尘通过捕获热量充当绝缘体。灰尘过多的风扇运行效率低下，因为散热片旋转速度不快，这会加剧散热问题。不仅如此，灰尘还会导致电路发生短路，从而不可逆地损坏组件。^[32] 要清洁计算机，请关闭系统电源，包括关闭电源。它不应连接到*任何*电源。然后打开机箱，使用一罐压缩空气吹掉任何地方的灰尘。目标是清除机箱中任何灰尘残留物。遵循这些步骤和其他上面列出的技巧将有助于确保计算机可靠的性能和更长的使用寿命。

未来趋势

让计算机更快、更高效的挑战带来了新的科技理念。其中一个理念就是纳米技术，它使用长度只有纳米级的微观组件。碳纳米管由于其优异的导电性能，目前已应用于锂离子电池等产品中。其他纳米技术包括纳米颗粒和纳米传感器。另一个近年来受到越来越多的关注的想法是量子计算。这些计算机超越了普通计算机的二进制系统，使用量子比特，量子比特可以是 1、0 或同时是两者。^[33] 虽然这些计算机目前只能执行看似简单的任务，比如数独游戏，但它们在加密等任务方面的潜力巨大。光学计算是另一种未来技术形式，它使用光波传输数据。由于红外光束不会相互干扰，光学计算机可以比电子计算机小得多，效率更高。事实上，一旦光学计算机被掌握，计算机将能够以光速处理信息，并且功耗非常低。^[34] 在未来的几年里，超级计算机的非凡能力预计将通过太级计算等技术，以惊人的速度应用于更常见的计算机中。

复习定义

**应用程序软件：**使用户能够在计算机上执行特定任务的程序，例如编写信件或玩游戏。

**计算机：**一种可编程的电子设备，它接受数据输入，对这些数据执行处理操作，并输出和存储结果。

**数据：**原始的、未组织的事实。

**信息：**已处理成有意义形式的数据。

**计算机网络：**相互连接的计算机和其他硬件设备的集合，用于共享硬件、软件和数据，以及彼此进行电子通信。

**硬件：**计算机系统的物理部件，例如键盘、显示器、打印机等等。

**互联网设备：**一种专门的网络计算机，主要用于互联网访问和/或电子邮件交换。

**操作系统：**系统软件的主要组成部分，它使计算机能够运行，管理其活动及其控制下的资源，运行应用程序，并与用户交互。

**输出：**呈现处理结果的过程；也可以指结果本身。

**软件：**用于告诉计算机应该做什么的指令，也称为计算机程序。

**存储：**保存数据、程序或输出以供将来使用的操作。

**URL：**一个互联网地址(通常以 http:// 开头)，它唯一地标识一个网页。

**Web 浏览器：**用于查看网页的程序。

**万维网 (WWW)：**通过互联网提供的网页集合。

**Web 服务器：**一台始终连接到互联网并托管可通过互联网访问的网页的计算机。^[35]

复习问题

1) CPU 的关键元素是什么？

2) 系统单元外部用于连接外部硬件设备的连接器是什么？

3) 数据在其间传输的电子路径是什么？

4) _________ 是主板上的位置，_________ 可以插入其中，以将这些卡连接到主板。

5) 计算机运行时，用来存储操作系统基本部分的是什么？

6) ______________________ 包括各种电路和组件，这些电路和组件被封装在一起并直接连接到主板

7) _________ 是一种薄板，包含计算机芯片和其他电子元件。

8) 系统单元内的主要电路板称为 ___________。

9) 计算机在执行任何程序指令之前，例如请求用户输入、将文件从一个存储设备移动到另一个存储设备或在屏幕上打开一个新窗口，它必须将指令转换为二进制代码，称为 ____________。

10) 为了同步计算机的所有操作，使用 _________。^[36]

复习答案

1) 晶体管 2) 端口 3) 总线 4) 扩展槽，扩展卡 5) RAM 6) 中央处理器 7) 电路板 8) 主板 9) 机器语言 10) 系统时钟

参考文献

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[35] ttp://coursemate.cengage.com/CPReader/View/9781133114598/default.aspx?eISBN=9781133114598#70a7d313-0a5d-4ddc-ba5c-766e5fb0dc77

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