认识硬件

打开一台台式电脑的机箱侧板,可以看到主板、CPU、内存条、硬盘、电源和散热器。在轻薄本或手机里,这些部件往往直接焊在同一块电路板上,没法随便拆换,但它们各自承担的功能是一样的。

打开侧板的台式电脑内部,标出 CPU 散热器、内存条、主板、电源与硬盘架 图:F ASTILY,Wikimedia Commons,CC BY-SA 4.0,标注为寻币添加

机箱里面积最大的那块电路板就是主板(Motherboard)。CPU、内存、显卡、硬盘和网卡都插在主板上或通过线缆连到主板,靠主板上的电路互相传输数据和供电。

CPU(中央处理器)

CPU(Central Processing Unit) 是计算机负责运算和控制的核心部件。软件里的每一行代码,最终都要变成一条条机器指令交给 CPU 执行。

一枚 AMD Ryzen 5 2600 桌面处理器的封装,正面是覆盖芯片的金属顶盖 图:Fritzchens Fritz,Wikimedia Commons,CC0

CPU 工作时不断循环执行三个步骤:取指(Fetch)→ 解码(Decode)→ 执行(Execute),即从内存中读取下一条指令、解析指令含义、完成运算。

查看 CPU 规格时最常见的两个参数是:

  • 核心数(Cores):一块多核 CPU 内部包含多个独立的计算核心,可以同时处理多个任务。
  • 主频(Clock Speed,单位 GHz):CPU 内部时钟每秒脉冲的次数。同代架构下主频越高运算越快,但跨代或不同架构之间不能只靠主频对比性能。

内存(RAM)

RAM(随机存取内存) 通常简称为内存,用于存放当前正在运行的程序和数据。双击打开浏览器或编辑器时,系统会先把程序文件从硬盘加载到内存中,再由 CPU 直接与内存高速读写。

桌面电脑内存条上的芯片和边缘连接触点 图:PantheraLeo1359531,Wikimedia Commons,CC BY 4.0

内存有两个基本特性:

  1. 断电清空(易失性,Volatile):内存依靠电力维持数据。一旦关机或断电,内存中尚未保存到硬盘的数据会全部丢失。
  2. 影响可同时运行的程序数量:如果同时打开的程序过多、占满了可用内存,操作系统只能将一部分暂不活跃的数据挪到硬盘上的交换空间(Swap)。由于硬盘读写速度远低于内存,此时系统响应会明显变慢。

注意

CPU 内部还集成有容量很小但速度更快的 CPU 缓存(L1/L2/L3 Cache)。按读写速度从快到慢排列依次为:CPU 缓存 > 内存(RAM) > 固态硬盘(SSD) > 机械硬盘(HDD)。

硬盘(SSD 与 HDD)

由于内存断电后数据会丢失,操作系统、应用程序和个人文件都需要存放在硬盘(Storage)中长期保留。常见的硬盘分为两类:

  • 机械硬盘(HDD):依靠内部高速旋转的磁性盘片和读写磁头存取数据,单位容量价格低,但读写速度较慢,且运行中怕震动。
  • 固态硬盘(SSD):使用闪存芯片存储数据,没有机械运动部件,读写速度远快于机械硬盘,目前普遍用作系统盘与主力存储。

左边是拆掉盖板的 3.5 英寸机械硬盘,能看到盘片与读写臂;右边是 2.5 英寸 SATA 接口的固态硬盘外观。两张照片各自缩放,画面大小不代表实物大小 图:左 Mk2010,Wikimedia Commons,CC BY 4.0;右 PantheraLeo1359531,Wikimedia Commons,CC BY 4.0

购买电脑或手机时常见的 16 GB + 512 GB 标示对应这两种不同的硬件:

  • 16 GB 指运行内存(RAM),决定系统能同时流畅运行多少程序;
  • 512 GB 指硬盘存储容量(SSD),决定一共能存放多少文件。

从硬盘中删除文件只会释放存储空间(512 GB),不会增加物理内存(16 GB)的容量。

增加硬盘能补足内存吗

练习

某程序明确要求至少 12 GB 的可用 RAM。电脑只有 8 GB RAM,另外还有一块空闲容量很大的 SSD。仅根据这些条件,哪项判断成立?

A. SSD 剩余空间很多,因此必然满足 RAM 要求。 B. 再删除几个文档,物理 RAM 容量就会增加。 C. 存储空间与 RAM 是不同资源,仅凭当前条件不能认为满足该内存要求。 D. 把程序安装到 SSD 而不是 HDD 上,就可以忽略它标注的 RAM 要求。

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题解 Hint

显卡、网卡与处理器架构

除了三大件,电脑里还有几个常见部件:

  • GPU(显卡):擅长同时做大量重复的并行计算。除了渲染游戏画面和解码视频,跑深度学习模型、用 Hashcat 暴力破解密码哈希时也主要靠 GPU。
  • 网卡(NIC):负责连网(插网线或连 Wi-Fi)。
  • 电源与散热器:电源给整机供电,风扇和散热片带走 CPU、显卡发出的热量。如果散热不好导致温度过高,CPU 会自动降频保护自己,电脑就会突然掉帧卡顿。

另外,不同系列的 CPU 使用的机器指令集不同,叫作指令集架构:

  • x86-64(常写作 x64 或 amd64):绝大多数 Intel 和 AMD 电脑处理器用的 64 位架构(amd64 是这类 64 位架构的通用代号,Intel 处理器也选它)。
  • ARM64(常写作 aarch64):手机、平板、苹果 M 系列芯片 Mac 以及部分云服务器使用的架构,功耗更低。

下载软件或虚拟机镜像时一定要看清架构:给 Windows x64 编译的程序,不能直接拿到 ARM64 的系统上运行。