掀起你的盖头来──电脑是如何工作的
硬件周刊
编者按：
“很遗憾我以前没有怎么接触过计算机，因此对这方面的知识掌握得很少。我昨天在2003年第一期《电脑报》上看到有“学电脑”版块，非常感兴趣。我很希望先了解一些有关于电脑方面的基础的知识……”这是小编收到的一封读者来信。豆仔这里特别提醒大家一下，在本版块的前面几期为大家准备的都是必须了解的电脑基础知识，我们会通过比喻的手法，尽量避开一些高深的名词术语，为大家在后面的电脑应用知识学习做好铺垫。
另外先给大家透个风，在F3版(图说电脑)中，上期和本期让大家认识了电脑的外观，下期就要 “打入电脑内部”了，以图解的方式让大家认识电脑的内脏。在这里，我们先从它们的作用、工作原理上揭开它们的神秘面纱。
本文旨在让大家了解一些基础知识，对于电脑各部件的工作原理我们不必深入研究，只要了解就完成了学习目标。
一、电脑的基本工作流程
我们常用的计算机由中央处理器(CPU)、内存和硬盘等存储设备，负责连接各种设备的主板、键盘鼠标等输入设备以及显卡显示器等输出设备几大配件组成。电脑的工作模式与人脑的工作模式相当接近，这也是“计算机”之所以被称为“电脑”的原因之一。其输入设备、存储器、CPU、输出设备等部件分别与人的各种功能器官对应，完成信息的输入、处理、输出的流程。
举一个简单的例子来说明电脑和人脑接近的工作方式。比如人脑在做一道3+2-5=？的数学题时，首先要用眼睛或耳朵将此题目“输入”到大脑中，再经过思考，结合存储在大脑中的数学知识，算出3+2-5=0这一最终结果，最后用手或口将结果表达出来。总体来说人在做一道数学题时，先通过眼、耳等感觉器官将需要的信息输送到大脑中并存储起来，然后按某种规则对信息进行加工处理得到结果，再由大脑控制手、口等相关器官把最终结果以某种方式表达出来。与此类似，电脑在做一道计算题时，也先需要通过输入设备，如键盘、鼠标等接收相关信息及指令，并存储在内存中然后再由中央处理器(CPU)来处理这些指令，最后由显示器或打印机等输出设备输出计算得到的结果。当然这里只是做一个简单的比喻。其实电脑和人脑的实际工作过程都非常复杂，差异也是很大的。
从图中大家可以看到，要保证电脑正常工作，不可缺少的配件有CPU、内存、硬盘、主板、显卡、显示器和键盘鼠标等，下面我就分别谈谈这些重要配件以及部分外设的基本结构和大致的工作原理。使大家对“电脑是如何工作的”这一问题有一个基本了解。
二、计算机的大脑：CPU
如果把电脑视为一个人的话，CPU(中央处理器)就是电脑的大脑。CPU的原料是超纯净的硅晶片，在一块1平方厘米的硅片上用特殊方法蚀刻或光刻出成百上千万个晶体管，成组的晶体管联合起来可以存储数值，也可以进行逻辑运算和数字运算。简单地说，CPU就是一种专门处理二进制数据的数字设备。我们不要将CPU看得太神秘，不比我们已使用了几千年的算盘更复杂。对于CPU深入的技术知识我们不必了解和研究，我们只要知道它用来干什么就行了。
CPU内部主要包括了控制器、运算器、寄存器等三大部分。指令由控制单元分配到运算器，经过加工处理后，再送到寄存器里等待应用程序的使用。
影响CPU性能表现的重要因素就在于CPU内核的设计。现在广泛采用的“超标量(Superscalar)、流水线(Pipeline)”等设计听起来很抽象，其实它们的作用就是最大限度地利用CPU资源，使CPU每个部件在每个时钟周期尽量满负荷工作，从而提高了CPU的工作效率。
个人电脑CPU的发展是非常迅速的，以Intel系列为代表，从最初的8088到现在最常用的P4系列，主频已从5MHz增长到现在的3GHz。其内核体系也历经了六七代的发展。性能的提升是惊人的，遵循著名的“摩尔定律”，平均每18个月就翻一番。
三、电脑的骨架：主板
让我们再将计算机和人比较，可以发现主板不仅是电脑的骨架，也是电脑的循环和神经系统，其具体作用就是将计算机上不同的配件连接在一起，组成一个统一的整体，协调工作，并为部分配件提供“新鲜血液”──电能。而其中包含的“总线”，就像人的中枢神经一样，为计算机设备间交换信息提供通道。一块主板主要由芯片组、相关插槽、BIOS芯片等几大部分组成。
芯片组是管理主板正常运作的主要部件，大多数主板芯片组由南桥和北桥两枚芯片组成。北桥就是在主板上那枚最大的芯片，主要负责CPU、内存等的正常工作和相互协调。由于功能复杂，所以芯片面积很大，现在北桥芯片的复杂程度甚至与CPU不相上下。而南桥芯片一般与外部设备打交道，主要负责外部接口的工作管理。
主板上还有一个重要部件就是BIOS。所谓BIOS，就是基本输入输出系统(Basic Input-Output System)的缩写。BIOS是一个软硬结合的部件，从本质上说，是一个软件系统，其内容的载体是微机主板的一个EPROM存储芯片。
主板技术的发展从本质上说就是芯片组的发展。不断推出的新一代芯片组不仅对新型CPU、内存、显卡等提供完善支持，也扩充了对USB 2.0、IEEE1394、串行ATA等新接口技术的支持。
四、信息存储仓库：内存和硬盘
内存用具有两种稳定状态的物理器件来表示二进制数码“0”和“1”，就像一盏电灯具备“亮”和“灭”两种状态，这种器件称为记忆元件或记忆单元，组合在一起便能实现信息的存储。目前的计算机，其“存储程序”的基本工作原理决定了内存在整个系统中的作用非常重要，因为任何应用程序运行时都将首先被装入内存，CPU必须访问内存并从中取出指令才能执行任务。
由于内存只能用于暂时存放程序和数据(就像是草稿纸一样)，一旦关闭电源或发生断电，其中的数据就会丢失，而且内存容量也十分有限。因此计算机中的信息是分级存储的，大多数数据是存储在不需通电保存的大容量存储设备中，硬盘就是目前最常见的外部海量存储设备。
为了节省主板空间和增强配置的灵活性，现在的主板多采用内存条结构，即将存储芯片、电容、电阻等元件焊在一小条印刷电路板上组装起来合成一个内存模组(RAM Module)，即俗称的“内存条”，常见的容量有256KB、1MB、4MB、8MB、16MB、32MB、64MB、128MB、256MB、512MB等，虽然现在的内存容量越来越大、价格越来越便宜，但绝大多数用户使用的内存仍然不超过512MB。
硬盘是“硬盘存储器”的简称。由于存储介质是由若干个钢性磁盘片组成，硬盘的名称即由此而来。硬盘是计算机中最主要的外部存储设备之一，其他还有软盘、光盘、磁带等。硬盘的特点是存储容量大(一般以GB为单位)、存取速度快、可靠性高、防潮防霉防尘性好。但由于硬盘一般需要安装在主板上的EIDE接口上，因此携带就不太方便了，而且安装后还需要进行分区、格式化等操作。
硬盘内部结构复杂，主要是由磁头、碟片、电机以及控制电路板这四个主要部分构成，其中磁头负责数据的读取及写入。概括地说，硬盘的工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据。写的操作正好与此相反。
硬盘的出现尽管已有好几十年的历史，但基本结构和工作原理并没有什么本质的变化。
豆仔提示：硬盘与内存的主要区别
经常有初学者把这两样东东搞混，让我们来看看他们区别。
1.作用不同：硬盘可以永久存储数据，而内存只能暂时存放。
2.结构不同：硬盘是个大家伙，3.5英寸呢，而内存的尺寸就要小得多了。
3.容量不同：硬盘的容量一般以GB为单位，内存的容量一般以MB为单位。
4.要求不同：硬盘在使用前必须进行安装、分区、格式化等操作，而内存插到主板后即可使用。
五、信息显示：显卡和显示器
显示卡是一台电脑重要的必备部件，它的主要作用是负责将 CPU 送来的影像数字信号数据处理成显示器 可以识别模拟信号，再送到荧光屏上形成影像。
最初的显卡仅具备简单字符显示能力，而现在的显卡能够处理复杂的3D图形，从本质上说就是图形加速卡，主要作用是对图形函数进行加速。图形加速卡拥有自己的图形函数加速器(显示芯片)和显存，这些都是专门用来执行图形加速任务，因此就可以大大减少CPU所必须处理的图形函数。举例来说，过去我们想在显示器上画个红色的圆圈，CPU要考虑用什么颜色、怎么生成圆圈等细节。但是如果使用图形加速卡，CPU只需要告诉显卡“给我画个直径8厘米的红色圆圈”即可，剩下的工作就由加速卡来进行，这样CPU就可以执行其他更多的任务，从而提高了计算机的整体性能。
显示器是计算机最重要的输出设备。目前PC机上普遍使用的显示器由阴极射线管(简称CRT)、一些附加电路和扫描偏转电路等组成。CRT显示器技术从诞生到现在实际上一直没有什么大的变化，不过目前新一代显示设备──液晶(LCD)显示器正在得到广泛应用，大有取代CRT显示器的势头。
总的来说显卡和显示器是密切相关的，显卡把电脑主机以二进制输出的数字信息生成特定的模拟信号送到显示器，最后完成信息的显示工作。
六、信息输入：键盘、鼠标
键盘一直是计算机最重要的外部输入设备之一，是人们与电脑交流的主要工具。人们依靠键盘向计算机输入各种指令，指挥计算机工作；依靠键盘向计算机输入程序、数据；依靠键盘修改、调试程序；甚至还依靠键盘来进行复杂的游戏。计算机键盘的结构很简单，可以分为外壳、按键和电路板三大部分。其功能就是通过按键位置的键扫描电路及时发现被按下的键，并将该按键的信息送入计算机。
鼠标出现的时间比较晚，但在Windows图形操作系统出现后，已是计算机不可缺少的重要输入设备。其工作原理并不复杂，简单说它是利用自身的移动，把移动距离及方向的信息变成脉冲信号送给计算机，再由计算机把脉冲信号转换成光标的坐标数据，从而达到指示位置的目的。
七、让电脑能写会看：打印机和扫描仪
打印机是电脑重要的输出设备，可以将电脑中相关信息输出到纸张上，便于分发传播并长期保存。主要分为针式、喷墨、激光等三大类。目前家庭中最常用的为喷墨打印机，基本工作原理可以说有些类似我们日常广泛使用的钢笔，靠液体的喷射进行工作。打印机就是电脑手中的笔。
而扫描仪则是电脑重要的输入设备之一，便于图形信息的快速输入。其基本工作原理就是利用光电转换器件CCD，将所扫描物体的明暗、色彩等信息转换为电子信号后送到电脑内。可以说这些设备就是电脑的眼睛。
八、电脑也能说会唱：声卡和音箱
上个世纪80年代，创新公司推出了让电脑发声的配件，并起了一个很有气势的名称：“声霸卡”。“声霸卡”的出现不仅让电脑“开口说话”，让个人电脑进入了有声有色的“多媒体时代”，成为推动电脑快速进入家庭的功臣。其基本工作原理与显卡很类似，就是将电脑内数字化的声音信号经过加工处理后转化为可使音箱发声的模拟信号。
前面我谈到显示器与显卡配对使用，和声卡配对使用的就是音箱(或耳机)了。
当然现在的电脑不仅能够发声，也能“听话”，麦克风就是电脑用来“听话”的“耳朵”。
编后语：本文仅简单谈到电脑主要硬件的工作流程和原理，其实电脑是软硬件紧密结合的产品，软件才是电脑的“灵魂”，离开软件电脑是无法工作的。