PC工作原理

tomas 2010-10-22

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提到“技术”这个词时，大多数人都会想到计算机。事实上，我们生活中的方方面面都离不开计算机部件。家里的电器设备有内置的微处理器，例如电视机。甚至汽车里也装有计算机。但是，提到计算机大家首先想到的主要是个人计算机或PC。



	PC工作原理

PC是一种以微处理器为中心构造的通用工具。它有多个不同的部件协同工作，例如存储器、硬盘、调制解调器等。“通用”意味着您可以使用PC做许多不同的事情。您可以使用它输入文档、发送电子邮件、浏览网页以及玩游戏。

在本文中，我们将介绍一般意义上的PC以及它所包含的所有不同部件。您将了解它的不同部件以及它们是如何在一个基本操作会话中协同工作的。同时，您还将了解到计算机未来的发展前景。

让我们看一下一台典型台式计算机的主要部件。

中央处理器（CPU）——计算机系统的微处理器“大脑”被称为中央处理器。计算机执行的所有操作都由CPU监控。
存储器——这是用于保存数据的快速存储器。由于它直接与微处理器相连，因此它的速度必须很快。计算机中有几种特定类型的存储器：
- 随机存取存储器（RAM）——用于临时存储计算机当前正在处理的信息
- 只读存储器（ROM）——用于存储计算机内不会更改的重要数据的永久型存储器
- 基本输入/输出系统（BIOS）——计算机首次接通电源时，用于建立基本通信的一种ROM
- 高速缓存——与CPU直接相连的用于存储频繁使用数据的超快速RAM
- 虚拟内存——属于硬盘空间，用于临时存储数据并根据需要将数据转入转出RAM

点击各个PC部件的标签了解它们工作原理的更多信息。

定义PC以下是一种定义方法：PC是一种通用信息处理设备。PC可以从个人（通过键盘和鼠标）、设备（如软盘或CD）或网络（通过调制解调器或网卡）接收信息，然后对其进行处理。处理完毕后，信息将会显示给用户（通过显示器）、存储到设备上（如硬盘），或通过网络发送到其他地方（再一次通过调制解调器或网卡）。

日常生活中有很多专用处理器。MP3播放器是专门用于处理 MP3 文件的专用计算机。无法用来处理其他任何事情。GPS是专门用于处理GPS信号的专用计算机。无法用来处理其他任何事情。Gameboy是用于处理游戏的专用计算机，但它同样不能做其他任何事。而PC却是通用的，因此可用来从事所有工作。

主板——主板是连接所有其他内部部件的主电路板。CPU和存储器通常位于在主板上。其他系统可以直接安装在主板上或通过二次接线与主板相连。例如，声卡可以集成到主板上，也可通过PCI与之相连。
电源——计算机用来管理电的电力变压器。
硬盘——硬盘是用于存储程序和文档等信息的大容量永久性存储器。
操作系统——操作系统是用户与计算机交互的基本软件。
集成驱动电子设备（IDE）控制器——这是硬盘驱动器、CD-ROM和软盘驱动器的主要接口。
外围设备互连（PCI）总线——这是将附加部件连接到计算机的最普遍的方法，PCI 使用主板上的一系列插槽接入PCI卡。
SCSI——发音为“scuzzy”，全称是小型计算机系统接口，是向计算机添加附加设备（如硬盘驱动器或扫描仪）的方法。
AGP——加速图形端口，它是显卡用于与计算机交互的高速连接。
声卡——计算机使用声卡记录和播放音频，方法是将模拟声音转换成数字信息，然后再将数字信息转换成模拟声音。
显卡——显卡将计算机的图像数据转换成可以由显示器显示的格式。

连接：输入/输出

无论计算机的内部部件功能如何强大，你都需要一种与它们进行交互的方式。这种交互称为输入/输出（I/O）。PC中最常用的输入/输出设备为：

显示器——显示器是显示计算机信息的主要设备。
键盘——键盘是用于向计算机中输入信息的主要设备。
鼠标——鼠标是用于计算机浏览及与之交互的主要设备。
可移动存储器——可移动存储器设备使您可以非常轻松地向计算机中添加新信息，以及保存需要带到其他位置的信息。
- 软盘——软盘是可移动存储中最普通的形式，而且非常便宜，便于保存信息。
- CD-ROM——CD-ROM（光盘，只读存储器）是进行商用软件分发的常用形式。很多系统现在提供CD-R（可记录）和CD-RW（可重写），CD-RW也可用来记录信息。
- 闪存——闪存是一种基于名为电可擦可编程只读存储器 (EEPROM) 的ROM类型，可提供快速、永久性存储。CompactFlash卡、SmartMedia卡以及PCMCIA卡都属于闪存卡。
- DVD-ROM——DVD-ROM（数字多用途光盘，只读存储器）类似于CD-ROM，但可以存储更多的信息。

连接：端口

并行端口——这种端口通常用于连接打印机。
串行端口——这种端口通常用于连接外部调制解调器。
通用串行总线（USB）——USB端口可以提供电源及多种用途，并且使用极其方便，正日益成为最受欢迎的外部连接端口。
火线(IEEE1394)——火线是用于将数字视频设备（如便携式摄像机或数码照相机）连接到计算机的比较受欢迎的方法。

连接：互联网/网络

调制解调器——调制解调器是连接至互联网的标准方式。
局域网（LAN）卡——多数计算机使用这种网卡，特别在使用以太网相互连接的办公室网络中较为常见。
电缆调制解调器——目前有些人家中使用有线电视系统连接到互联网。
数字用户线（DSL）调制解调器——这是使用标准电话线上网的高速连接。
高比特率数字用户线（VDSL）调制解调器——VDSL是DSL的较新演变，要求电话线是光纤电缆。

下面，我们将了解典型计算机会话的工作原理。

BIOS

现在，您已熟悉PC的各个部件，让我们了解一下从开启计算机电源到关闭的整个过程中，一个典型计算机会话的工作原理：

按下计算机和显示器上的“开启”按钮，
您将看到BIOS软件正在执行程序，这一过程称为上电自检（POST）。在许多计算机中，BIOS会显示描述这类数据的文本，包括计算机所安装的内存量以及计算机的硬盘类型等。在引导序列中，BIOS要执行大量工作以使计算机准备好运行。
- BIOS确定视频卡是否能够运行。多数视频卡自身具有一个微型的BIOS，它可初始化卡上的内存和图形处理器。如果视频卡没有进行初始化，则通常会在主板的另外一个ROM中存在BIOS可以加载的视频驱动程序信息。
- BIOS检查是否属于冷启动或重新启动。这一过程是通过检查位于内存地址0000:0472的值来完成的。如果值为1234h，则表示重新启动，在这种情况下，BIOS 会跳过其余的POST。任何其他值都视为冷启动。
- 在冷启动的情况下，BIOS会对每一个存储地址执行读/写检测以校验RAM。它会检查键盘和鼠标。还会查找PCI总线，如果找到，它将检查所有的PCI卡。如果BIOS在POST过程中找到任何错误，它将发出一连串的响声以示提醒，或者在屏幕上显示文本消息。这种情况下遇到的错误几乎都属于硬件问题。
- BIOS将显示有关系统的一些详细信息。通常包括以下信息：
  - 处理器
  - 软盘和硬盘驱动器
  - 内存
  - BIOS修订版和日期
  - 显示器
- 任何特殊驱动程序（如用于SCSI适配器的各驱动程序）都从适配器加载，并且BIOS将显示这一信息。
- BIOS将检查存储设备在CMOS设置中被识别为引导设备的顺序。“Boot”（引导）是“bootstrap”的简写，正如一句谚语“凭自己的力量站起来”。引导是指启动操作系统的过程。BIOS试图通过使用启动加载程序从第一个设备开始执行引导序列。
该动画演示将向你展示一个典型的PC会话。
引导加载程序将操作系统加载到内存，并使其开始运行。这项操作是通过设置装载操作系统、用户信息和应用程序的内存分区而完成的。然后，引导加载程序将创建用于在计算机子系统和应用程序中以及他们之间通信的数据结构。最后，引导加载程序将从控制计算机转而控制操作系统。

操作系统

加载完毕后，操作系统的任务将分为六大类别：

处理器管理——负责将任务分解为多个可管理的块并设定优先级，然后再将它们发送给CPU
内存管理——协调进出RAM的数据流并确定何时需要虚拟内存
设备管理——在连接到计算机的每个设备、CPU以及应用程序之间提供一个界面
存储器管理——指明数据将永久存储在硬盘驱动器及其他形式存储器的哪个位置
应用程序接口——在软件程序和计算机之间提供标准通信和数据交换
用户界面——计算机使用者与计算机进行通信与交互的平台

打开一个文字处理程序并键入一封信，将其保存并打印出来。这一过程的实现通过多个部件协同工作来完成：

键盘和鼠标将输入发送到操作系统。
操作系统确定文字处理程序为活动程序，并接收该程序输入的数据。
文字处理程序通过操作系统确定其中数据的格式，并将数据临时存储在RAM中。
文字处理程序中的每个指令由操作系统发送给CPU。这些指令先与操作系统当前管理的其他程序中的指令进行交互，然后才被发送至CPU。
最后，操作系统稳定地将显示信息提供给显卡，指示显示器上将要显示的内容。
当您选择保存这封信时，文字处理程序会将请求发送给操作系统，然后操作系统会提供一个用于选择信息保存位置以及可以命名的标准窗口。选择了名称和文件路径后，操作系统将把RAM中的数据保存到相应的存储设备中。

单击“打印”。文字处理程序将请求发送给操作系统，操作系统将会把数据转换成打印机可识别的格式，并将RAM中的数据送入您所请求打印机的相应端口。

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打开网络浏览器，然后查看博闻网。操作系统将再一次协调所有操作。但是这一次，计算机将接收其他来源（互联网）和您本人的输入。操作系统将无缝集成所有输入和输出信息。
关闭网络浏览器并选择“关机”选项。
操作系统将关闭当前所有的活动程序。如果一个程序中包含没有保存的信息，在关闭该程序以前，该程序会提示您保存它。
操作系统将当前设置写入一个特殊的配置文件，从而使下次启动时使用相同的设置。
如果计算机提供电源软件控制功能，则在完成自身的关闭周期后，操作系统将完全关闭计算机。否则，您需要手动关闭计算机电源。
下面，我们将了解一下PC的未来。

EUVL芯片制造

在过去的40多年中，硅微处理器一直是计算世界的核心。当时，制造商们都努力将更多的电子元件集成到微处理器中。根据摩尔定律，微处理器上的电子元件数量每18个月会增长一倍。摩尔定律是以英特尔的创始人戈登·摩尔的名字命名的，他于1965年预言微处理器的复杂程度每两年会增加一倍。很多人预测摩尔定律不久会因为硅微处理器的物理限制而达到极限。

目前用于将越来越多晶体管组装到芯片上的技术被称为深紫外光微影（DUVL），这是一种类似摄影术的过程，即通过透镜将光聚焦在硅片上刻制电路图。到2005年左右，DUVL将达到它的极限。那时，芯片制造商不得不寻求其他技术，以将更多的晶体管嵌入硅片，从而生产功能更强大的芯片。许多芯片制造商已经考虑采用极紫外光刻（EUVL），它至少可以将硅的使用寿命延长到2010年。EUVL使用镜子而不是透镜聚焦光线，这可以产生更短的光波，从而可以更加精确地聚焦在硅片上。要了解有关EUVL的更多信息，请参见极紫外光刻（EUV）芯片制造技术。

DNA和量子

除EUVL之外，研究人员还在寻求传统微处理器设计的可替代品。DNA计算机和量子计算机就是众多有趣的新兴技术中的两种。

DNA计算机具备将计算技术推向新高的潜力，将在摩尔定律不再适用时继续发展。使用DNA代替硅具有以下几点优势：

只要有细胞组织，就可以提供DNA。
DNA的大量供应使之成为一种廉价的资源。
与传统微处理器（制作时使用的是有毒材料）不同，制造DNA生物芯片不会产生污染。
DNA计算机比目前的计算机小许多倍。

DNA的主要优势在于，与先前出现的所有计算机相比，它使计算机体积更小，同时又增大了存储容量。453.6克DNA具备的存储容量超过已制造出来的所有电子计算机。只有眼泪大小的DNA计算机（使用DNA逻辑门）的运算能力，将会超过世界上功能最强大的超级计算机。多于10万亿的DNA分子可以正好安装在不超过1立方厘米的区域。使用少量的这种DNA，计算机就可以存储1万吉字节的数据，并且一次可以运算10万亿次。通过添加更多的DNA，还可以执行更多次计算。

与传统计算机不同，DNA计算机可以同时执行多项运算任务。传统计算机进行线性操作，一次只能处理一项任务。DNA计算机的并行运算使其可以在数小时内解决复杂的数学问题，而电子计算机则可能需要数百年才能完成这项运算。有关DNA运算的更多信息，请参见DNA计算机工作原理。

当今的计算机通过处理以两种状态存在的位进行操作，即0状态或1状态。量子计算机则不限于这两种状态；它们可以将信息编码为量子位（或昆比特）。昆比特可以是1或0，还能够以叠加态存在，即同时为1和0或者处于两者之间。昆比特表示为计算机存储器和微处理器协同工作的原子。因为量子计算机可以同时包含这几种状态，所以它可能是比当今功能最强大的超级计算机还要强大数百万倍的计算机。一台30昆比特的量子计算机的处理能力与一台每秒可执行10万亿次运算（或每秒执行数万亿次运算）的传统计算机相当。当今运算速度最快的超级计算机已经达到约每秒2万亿次运算的速度。有关量子计算机的发展潜力，请参见量子计算机工作原理。

非台式计算机

我们已经领略了非台式计算机的强大功能。笔记本电脑和个人数字助理（PDA）已经使人们可以在办公室以外的空间处理事务。还将出现内置到衣服和珠宝中的可穿戴式计算机也将在未来出现，无论我们走到哪里，都会有计算机相伴。