資料和程式表示

數字資料和數值資料

大多數計算機是數字計算機，它們使用特定的語言在內部進行通訊以處理資訊。例如，如果後臺執行著程式，或者一個人正在輸入一個文字文件，計算機需要能夠解釋人類輸入的資料，以及與自身內部工作的元件進行通訊。數字計算機使用的這種語言稱為二進位制程式碼，它是一種非常基本的語言，只包含兩個數字：1 和 0。而英語由 26 個數字組成，我們通常稱之為字母表，計算機使用只包含兩個數字的語言，因此得名“二進位制程式碼”。這些 1 和 0 被稱為“位” - 它們是二進位制計算機可以識別的最小資料單元。它們存在於計算機完成的每一個動作、記憶體、儲存或計算中，例如建立文件、開啟網頁瀏覽器或下載媒體。為了適應更多動作、記憶體或儲存，位必須組合在一起形成一個更大的單位，稱為“位元組”。

位元組通常用於指代提供的資訊的大小。例如，下載的歌曲可能包含數千位元組，如果是一個完整的 CD 而不是僅僅一個音軌，甚至可能包含數兆位元組。同樣，圖片和其他所有文件通常根據它們的大小或包含的位元組數儲存在計算機上。計算機上可以儲存的資訊量也以位元組顯示或顯示，在儲存了某些程式或文件後，計算機上剩餘的資訊量也是如此。由於位元組可能非常長，我們想出了表示它們大小的字首。這些字首每三個十進位制單位遞增一次，因此千位元組大約代表 1,000 位元組，兆位元組大約代表一百萬位元組 (1,000,000 位元組)，吉位元組大約代表十億位元組 (1,000,000,000 位元組) 等。計算機元件變得如此之小，我們現在可以在相同尺寸的計算機中儲存越來越多的資料位元組，導致使用了其他更大的字首，如泰拉、拍塔、艾克薩、澤塔和堯塔。以下是一張圖表，概述了所用字首的名稱及其所代表的十進位制次方。 [1]

數字資料表示，也稱為計算機如何解釋資料，是理解計算機資料處理以及整體功能的關鍵概念。資料由特定的編碼系統表示。計算機識別編碼系統 - 而不是使用者看到的字母或短語。計算機理解編碼系統的實際過程稱為數字資料表示。數字計算機透過理解兩種不同的狀態來執行，開或關。這意味著資料由數字表示 - 0 和 1，被稱為二進位制計算機。二進位制程式碼是計算機可以理解的非常基本的編碼系統。數字資料計算的優勢在於二進位制編碼系統。儘管二進位制程式碼由於技術的進步在專業和娛樂領域越來越不受歡迎，但它們在程式設計中仍然有用。數字資料為準確地將資訊從一臺計算機複製到另一臺計算機提供了一種簡單的方法，這就是它今天仍然使用的原因。^[1] 最小資料單元的術語是位，它由單個數值 0 或 1 組成。另一方面，位元組由多個位分組組成。位元組使計算機硬體能夠更快、更有效地工作。^[2]

(來自維基百科上的 SI 頁面)

SI 字首
名稱	堯塔	澤塔	艾克薩	拍塔	泰拉	吉咖	兆	千	百	十
符號	Y	Z	E	P	T	G	M	k	h	da
因子	10²⁴	10²¹	10¹⁸	10¹⁵	10¹²	10⁹	10⁶	10³	10²	10¹
名稱	分	釐	毫	微	納	皮	飛	阿	仄	么
符號	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

用數字計算機可以理解的方式表示資料稱為數字表示，而二進位制程式碼是最常用的形式。二進位制程式碼是資料的數字表示，它只使用 1 和 0 來表示所有可能的數字。數學使用 10 個符號，從 1 到 0，包括 2、3、4、5、6、7、8 和 9。這種資料的數字表示稱為十進位制計數系統，因為它使用十個符號。如表所示，字首 deci 代表十。在這兩種系統中，每個數字的位置決定了該數字的冪。在十進位制系統中，每個數字都乘以十，因此第一列等於 1 (10^1) 或十的第一次方，第二列等於 10 (10^2) 或十的平方，第三列等於 100 (10^3) 或十的三次方，等等。然而，由於二進位制程式碼只操作兩個符號，因此每個數字是二的冪而不是十的冪。在二進位制中，第一列等於 1 (2^0) 或二的零次方，第二列等於 2 (2^1) 或二的第一次方，第三列等於 4 (2^2) 或二的平方，第四列等於 8 (2^3) 或二的三次方，等等。由於二進位制系統利用了很少的符號，因此結果是，與十進位制形式相比，使用了更多數字位置來表示同一個數字，即使是最簡單的表示式也留下了長長的資訊行。

編碼系統

有幾種不同的編碼系統，EBCDIC、ASCII 和 Unicode。EBCDIC (擴充套件二進位制編碼十進位制交換碼) 是為大型機使用而建立的，由 IBM 開發。該程式碼使用 0 和 1 的獨特組合，長度為 8 位，允許 256 種不同的組合。ASCII (美國資訊交換標準程式碼) 是為更個人化的使用而建立的。ASCII 使用 7 位程式碼，但有一個擴充套件程式碼添加了一個額外的位，這幾乎使該程式碼可以表示的唯一字元數量翻倍。然而，Unicode 是一個長得多的程式碼串，介於 8 到 32 位之間。由於有超過一百萬種不同的可能性，每種語言都可以用這種程式碼表示，每個數學符號都可以表示，每個標點符號，以及來自任何文化的每個符號或標記。

Unicode 是一種通用編碼。它使用 0 和 1 來表示不同的資料，因此適用於全世界使用的任何語言。這種程式碼正在取代 ASCII（美國資訊交換標準程式碼），因為該程式碼中的字元可以轉換為 Unicode，而 Unicode 是一種更實用的資料系統。ASCII 被稱為字母程式碼，其編號程式碼範圍從 0 到 127，被認為是 7 位程式碼。字母因語言而異，但 0 和 1 在全世界都能被理解。Unicode 的問題在於它與當今使用的每個計算機系統都不相容。Windows 95/98 無法執行 Unicode，而其他 Windows 版本（如 NT 和 2000）則更接近於能夠執行 Unicode。Sun Microsystem 的 Java 軟體開發工具包是一個程式，允許您將 ASCII 格式的檔案轉換為 Unicode。雖然 Unicode 是當今編碼系統的巨大改進，但它無法處理所有可能的符號，這為新的系統將來取代它留下了空間。^[3]

圖形資料

多媒體資料的一種型別是圖形資料。這些資料是靜止影像，可以以點陣圖影像檔案的形式儲存。點陣圖影像是一種圖形，包含以網格狀排列的畫素或影像元素。^[4] 每個畫素都由一組特定的數字組成，這些數字對應於顏色和顏色的強度。儘管在確定影像的細節質量時還有其他一些關鍵因素，但畫素起著重要作用。具有更多畫素的影像可能具有更高的質量。但是，這並不意味著影像中更多的畫素一定會導致更高質量的圖片。^[5] 在購買數碼相機時，消費者必須注意其所用相機的百萬畫素數或畫素數。如今，希望拍攝體面且基本的日常照片的普通人對大約 800 萬畫素的相機感到滿意。事實上，許多新的智慧手機相機使用 1600 萬畫素，比如 HTC Titan 2，這款流行的智慧手機於 2012 年 4 月釋出。有不同意圖使用影像的人（也許是為了製作高畫質列印）將需要具有更多百萬畫素的相機。這將允許他們的列印尺寸很大，但質量適當且出色。^[6]

音訊資料

音訊資料與圖形資料非常相似，因為它以片段的形式理解。但是，音訊資料不是使用畫素，而是使用樣本。音訊資料通常透過麥克風或 MIDI 控制器等輸入裝置進行錄製。然後，每秒從錄製中獲取數千個樣本，當它們按相同順序播放時，它們會建立原始音訊檔案。由於每個聲音檔案包含許多樣本，因此檔案通常會壓縮成 MP3 或 MP4 等格式，以便它們佔用更少的儲存空間。這使得它們更容易下載、透過網際網路傳送，甚至儲存在您的 MP3 播放器中。

影片資料

影片資料也類似於圖形和音訊資料，但它不是使用畫素或樣本，而是使用幀來錄製。幀是靜止影像，每秒拍攝多次，當同時播放時會建立一個影片（大多數電影使用每秒 24 幀的速度拍攝）。^[7] 與音訊資料類似，由於影片資料包含大量資訊，因此檔案可以被壓縮，從而可以將包含數千幀的完整電影儲存在光碟上。

系統單元 - 主機板和 CPU

主機板

“主機板可以被認為是計算機的‘骨幹’。” 這句話來自文章主機板。系統單元內部包含主機板。主機板是計算機的“粘合劑”。它將 CPU、記憶體、硬碟驅動器、光碟機、顯示卡和音效卡連線在一起。主機板的正面是外設卡插槽。插槽包含連線到主機板的不同型別的卡。主機板的左側包含埠。埠連線到顯示器、印表機、鍵盤、滑鼠、揚聲器、電話線和網路電纜。^[8]

與計算機的許多元件一樣，主機板也不像今天這樣先進。早期 PC 上的主機板沒有很多直接位於板上的整合部件。相反，大多數裝置（如顯示介面卡和硬碟控制器）是透過擴充套件插槽連線的。隨著技術的進步，越來越多的裝置被直接內建到板子上。起初，這開始造成問題，因為製造商開始發現，如果主機板上的某個裝置出現故障或以某種方式損壞，則必須更換整個主機板。這促使製造商改變設計，使他們能夠輕鬆地移除有故障的部件並更換它們，尤其是那些快速發展和變化的部件，例如 RAM 或 CPU。如今，主機板配備了許多協同工作的部件。人們可以在靠近 CPU 的地方找到任何東西，從備份電池、鍵盤和滑鼠聯結器到快取記憶體晶片。隨著其元件彼此之間越來越近，計算機能夠更快地執行任務。技術的進步使這些部件變得更小、更強大，從而為主機板提供更多表面積來容納更多裝置。如今，通常會發現音訊和影片元件也內建其中。隨著技術發展如此之快，人們可能會想知道主機板在不久的將來將能夠包含哪些內容。^[9]

RepRap 主機板 v1.1
主機板圖
主機板
主機板上的即時時鐘

擴充套件卡

擴充套件卡，也稱為擴充套件板、適配卡或附件板，是一種印刷電路板，可以插入主機板上的擴充套件插槽，為計算機系統增加功能。^[10] 三種最常見的擴充套件卡是音效卡、顯示卡和網絡卡。每種型別的擴充套件卡都有一個不言自明的名稱，它們都起到為計算機增加功能的作用。音效卡負責產生聲音，然後將聲音傳輸到揚聲器或耳機。音效卡通常內置於主機板上，但也可以單獨購買。顯示卡將 CPU 產生的資料轉換為能夠在計算機顯示屏上看到的影像。與音效卡一樣，顯示卡通常內置於主機板上，但可以單獨購買可以產生更高解析度影像的顯示卡。最後，網絡卡是一種將計算機連線到計算機網路的擴充套件卡。這允許計算機透過常用的協議（稱為 IEEE 802.11，俗稱無線區域網或 Wi-Fi）與計算機網路交換資料。^[11]

CPU

中央處理器，也稱為 CPU，負責執行稱為程式的一系列指令。計算機需要 CPU 才能正常執行。它被稱為計算機的大腦，在那裡進行計算。微處理器和處理器是中央處理器的另外兩個名稱。中央處理器連線到主機板上的 CPU 插槽。多核 CPU 包含多個處理器晶片。這種特定型別的 CPU 效率很高，因為它允許計算機同時處理多個任務，因為單個處理器可以在不同的核心上同時執行多條指令。此外，這些多核 CPU 比原始 CPU 產生的熱量更少，從而導致計算機出現的問題更少。

英特爾 i7 940
AMD 雙核

CPU 的歷史

有史以來第一個 CPU 是英特爾 4004，由費德里科·法金設計。在法金及其同事花了十個月的時間開發該晶片後，它於 1971 年 1 月由英特爾公司釋出。儘管這款第一代 4 位微處理器只能進行加減運算，但它在技術上是一個重大突破。令人驚歎的是，所有處理都集中在一個晶片上，而之前的計算機則使用多個晶片連線在一起。這項發明催生了第一臺行動式電子計算器。^[12]

雖然技術自 1971 年以來有了很大進步，但舊技術並不像人們想象的那樣過時。現在仍然使用 1970 年代和 1980 年代製造的 CPU 晶片。個人電腦，如 PC 和 Mac，使用更快、更新的 CPU，因為使用者會同時執行多個程式。然而，嵌入在汽車、印表機和微波爐中的更簡單的計算機仍然可以使用舊的微處理器形式。例如，著名的 CPU 之一是 MOS 6502，於 1975 年製造，並在 2009 年之前一直被用於許多家用電器。控制處理單元是任何計算機的關鍵元件，因此有時更簡單的風格最有效。^[13]

系統單元 - 記憶體、匯流排、埠

記憶體

記憶體指的是以晶片形式存在的資料儲存，用於臨時或永久儲存資料和程式。主要有兩種型別的記憶體儲存：隨機存取記憶體 (RAM) 和只讀記憶體 (ROM)。在系統單元內部，ROM 連線到主機板。隨機存取記憶體可以在相同的時間內從 RAM 讀取資料和寫入資料。RAM 容量以位元組為單位衡量。它是易失性的，這意味著當電源關閉時，儲存在其中的資訊/資料會丟失。為了在以後檢索重要檔案，需要將其儲存在單獨的、非易失性儲存介質（如快閃記憶體盤或硬碟驅動器）上，以便即使資訊從 RAM 中擦除，也會儲存在其他地方。RAM 有不同的插槽，用於儲存資料並跟蹤地址。只讀記憶體不能寫入，並且是非易失性的，這意味著無論電源是否關閉，它都保留其內容。快閃記憶體（固態）正在開始取代 ROM。它也是一種非易失性儲存晶片，用於儲存在手機、平板電腦、數碼相機等裝置上的資料。這種型別的記憶體通常可以以快閃記憶體盤、SD 卡和固態硬碟的形式找到。這樣做是為了能夠隨著時間的推移快速更新資料，同時與之前的資料相比，佔用更少的物理空間。與傳統硬碟驅動器等其他記憶體替代方案相比，快閃記憶體也更能抵抗外力，如電磁場或衝擊。

快取記憶體 和 暫存器 是特殊型別的易失性記憶體，允許計算機更快地執行某些任務。快取記憶體是一個高速電路，可以內建在 CPU 中，也可以靠近 CPU。暫存器內建在 CPU 中，用於儲存處理過程中的中間結果。HowStuffWorks 中的一個很好的類比將計算機比作圖書管理員，資料比作書籍，快取記憶體比作揹包。^[14] 假設有人走進圖書館，向圖書管理員索要一本名為“白鯨記”的書。圖書管理員回到裝滿書籍的房間，拿來那本書，然後交給讀者。當天晚些時候，讀者看完書，把書還給圖書管理員，圖書管理員把它放回同一個儲藏室。然後，第二個讀者走進來，要求借同一本書，“白鯨記”。圖書管理員不得不站起來，走到房間的另一頭才能拿到他剛處理過的書，這是浪費時間。相反，假設圖書管理員有一個揹包，可以存放多達 10 本書。當第一個人歸還“白鯨記”時，圖書管理員會把它放進揹包（在確保揹包中還沒有 10 本書的情況下）。然後，當第二個人進來要求借同一本書時，圖書管理員只需檢視他的包，把書拿出來，交給第二個人，而不必走到另一個房間。快取記憶體的工作原理類似於揹包，它將以前訪問的資料儲存在特定區域，該區域的記憶體有限，這樣處理器就可以更快地獲取這些資料。

埠

埠位於系統單元的外部，用於連線硬體裝置。有物理埠和虛擬埠。物理埠是計算機的物理連線點，用於傳輸資料。這是將某物物理連線到計算機或其他裝置時的情況。虛擬埠允許軟體應用程式共享硬體資源，而無需彼此物理連線或相互干擾。^[15] 並行埠最常用於連線鍵盤、印表機或滑鼠，但它們更常見被稱為傳統埠。每個埠都有一個特定的聯結器，用於將其連線到計算機。不同型別的埠將是電源聯結器、VGA 監視器埠、USB 埠、Firewire 埠、HDMI 埠、網路埠、音訊埠和空插槽。聯結器將是監視器（VGA、HDMI）、USB、Firewire、網路和音訊聯結器。每個埠也有不同的用途和聯結器。幾乎所有 PC 都配備了序列 RS-232C 埠或 RS-4222 埠，用於連線調變解調器、滑鼠或鍵盤。它們還有並行埠，用於連線印表機。這些也被認為是 USB 埠，因為它們是物理埠，並且標準化了計算機和外設之間的通訊。USB 埠誕生於 1990 年代中期；USB 代表通用序列匯流排。還有用於將計算機連線到網路的網路埠。乙太網是在 1980 年代開發的，它是一個連線多個計算機系統以形成區域網 (LAN) 的系統。

序列埠用於將調變解調器連線到個人電腦。“序列”一詞表示，在一個方向上傳送的資料始終沿著電纜中的單根導線傳輸。最後一種主要的埠型別是 FireWire，用於透過 FireWire 聯結器將 FireWire 裝置連線到計算機。這些主要用於數碼攝像機和其他多媒體裝置。

雷靂埠

雷靂埠透過該電纜連線外圍裝置。這些埠允許您將更多裝置連線到計算機，並且速度非常快。雷靂埠使用單根電纜支援硬體控制器 I/O 協議。I/O 技術是輸入和輸出，是一種將資料傳輸到計算機外設的裝置（CD-ROM 就是 I/O 技術的一個例子）。該埠支援埠雙向的全部頻寬，從而使使用者能夠更快、更高效地使用連線的裝置。這種型別的技術允許人們將盡可能多的裝置插入到計算機中，同時不會降低任何這些裝置的速度。雷靂埠也很小，因此便於攜帶。^[16]

電源供應單元

計算機需要電力，電源供應單元（PSU）承擔著兩個主要功能。首先是將牆壁插座提供的電能型別（例如 110 V 60 Hz AC（交流電）或 230 V 50 Hz AC）轉換為計算機電路可使用的型別。另一個關鍵任務是根據裝置的需求向每個裝置提供低電壓。轉換電流可以由內建的電源（桌上型電腦、伺服器、大型機）或由配備內部可充電電池的計算機（筆記型電腦、平板電腦）的單獨電源介面卡來實現。計算機主要使用三種電壓：+3.3 V、+5 V 和 +12 V DC，通常邏輯電路和一些數位電子元件（主機板、介面卡卡和磁碟驅動器邏輯板）使用 +3.3 或 +5 電壓，而電機（磁碟驅動器電機和任何風扇）使用 +12 V 電源。電源必須提供穩定可靠的直流電源以確保系統正常執行。執行電壓與這些電壓不同的裝置必須透過板載電壓調節器供電。例如，CPU 執行在 1.5 V 和 2 V，需要非常穩定的電源和高功耗。 ^[17]

劇院中的乙太網線纜

乙太網線纜是當今普遍使用的線纜。你可能最熟悉它在家庭中與網際網路連線的用途，主要用於從調變解調器連線到另一臺計算機或連線到 Wi-Fi 路由器。然而，乙太網線纜在改變技術劇院方面起著至關重要的作用。在它出現之前，劇院中最常見的計算機線纜分別是 DMX 和 XLR，分別用於照明和聲音。問題在於，每根線纜只能傳輸一個裝置的資訊，無論是麥克風還是燈光。此外，如果這些線纜存放不當，可能會損壞傳輸的資訊。乙太網線纜更小，可以傳輸更多資料。此外，在存放線纜方面風險更低。乙太網線纜結合新的作業系統和裝置，使工作效率更高。例如，模擬調音臺必須有一根 XLR 線纜連線到每個麥克風，因此如果你要連線 40 個麥克風，你的調音臺必須有 40 個通道。此外，一根包含 40 根較小線纜的線纜的直徑可以達到一英寸，重量可能達到數百磅。現在，一臺數字調音臺可以透過一根乙太網線纜控制多達 100 個麥克風。

CPU 的工作原理

CPU 架構和元件

如本頁前面所述，CPU 是計算機中一個複雜的部件，由許多部分組成。這些部分在每個處理器內部的組合方式各不相同，但它們主要包含從一個裝置到另一個裝置的相同部分。CPU 中最豐富的部分是電晶體。現代 CPU 通常包含數億個電晶體，一些高階計算機包含超過十億個電晶體，這是有充分理由的。計算機中的計算能夠執行得益於電晶體的組合，這些電晶體要麼關閉要麼開啟。除了這些電晶體之外，CPU 還由幾個部分組成。其中包括算術邏輯單元（ALU）和浮點單元（FPU）、控制單元和預取單元。ALU 是 CPU 中負責處理涉及整數的數學運算以及使用這些數字進行的任何函式的部分。FPU 處理其他數字（如分數或帶小數點的數字）的數學運算。^[18] 這兩個部分協同工作，使用算術和邏輯過程，使你能夠執行你在計算機上執行的任何基本功能。控制單元負責控制資訊何時何地進出 CPU。當資訊離開控制單元時，通常會發送到 ALU/FPU，在那裡它可以被轉換為一個過程。預取單元，顧名思義，在需要資料之前獲取資料。它使用一系列過程來猜測接下來需要什麼資訊，並在需要的時候隨時提供資訊。CPU 的其他元件包括快取、解碼單元和匯流排介面單元。快取作為高速記憶體，用於 CPU 希望更快訪問的指令，換句話說，CPU 希望避免從 RAM 或硬碟檢索的指令。解碼單元，顧名思義，對指令進行解碼。預取單元獲取資料後，資料會透過解碼單元，以便控制單元能夠理解這些指令。匯流排介面單元允許核心與其他 CPU 元件之間的通訊。把它想象成一輛公共汽車，從一個地方獲取資訊並將其運送到其他地方。 ^[19]

內部時鐘

每臺計算機實際上都有兩個不同的時鐘。一個是虛擬時鐘或系統時鐘，它在計算機開啟並執行時執行和顯示。^[20] 另一個是即時時鐘或硬體時鐘，它持續執行，負責跟蹤正確的時間和日期。該裝置不會以天和小時來計量時間。相反，它只以每秒的次數來執行一個計數器。對於世紀來說，BIOS（基本輸入輸出系統）負責跟蹤這一點，並將其儲存在硬體時鐘的非易失性記憶體中。這兩個時鐘相互獨立執行。系統時鐘在物理上是一個位於主機板上的小型石英晶體。它還透過定期向所有部分發送訊號（或週期）來幫助同步所有計算機功能，就像人的心跳一樣。赫茲是用來計算每秒週期數的單位。例如，1 兆赫茲是系統時鐘的 100 萬次滴答。這個時鐘對 CPU 非常重要，因為 CPU 時鐘速度越高，它每秒處理的指令就越多。由於整個系統都與系統時鐘的速度相關聯，因此提高系統時鐘速度通常比提高處理器速度更重要。

過去，PC 只有一個統一的系統時鐘，它只有一個時鐘驅動處理器、記憶體和輸入/輸出匯流排。然而，隨著技術的進步，對更高速度（因此需要多個時鐘）的需求出現了。因此，典型的現代 PC 現在有多個時鐘，它們都以不同的速度執行，以使任何資料能夠在 PC 周圍“傳輸”。此外，兩個具有相同時鐘速度的 CPU 不一定會表現相同。例如，如果一箇舊的微處理器需要 20 個週期才能完成一個簡單的算術方程，而一個新的微處理器可以在一個時鐘週期內完成相同的計算。因此，即使這兩個處理器具有相同的時鐘速度，但新的處理器也會比舊的快很多。

系統時鐘以週期性的速率在 0 和 1 之間交替。

如前所述，CPU 是系統時鐘執行同步的很好的例子。為了同步，大多數 CPU 在下降沿（當時鍾從 1 變為 0 時）或上升沿（當時鍾從 0 變為 1 時）開始一個操作。所有與系統時鐘同步的裝置（如 CPU）都以系統時鐘速度或系統時鐘速度的一部分執行；因此，CPU 無法執行比時鐘更快的任務。例如，在每個系統時鐘週期期間，CPU 時鐘速度為 2 GHz 允許 CPU 時鐘“滴答” 10 次，執行一個或多個微程式碼片段。這種一次處理多個微程式碼片段的能力被稱為 *超標量*。 ^[21]

機器週期

機器週期是一個常用於討論時鐘的術語。它主要包括四個部分：取指、解碼、執行和儲存。每當 CPU 處理一條微程式碼時，就會發生機器週期。取指操作需要從快取或 RAM 中分別獲取程式指令。接下來，將指令解碼，以便 ALU 或 FPU 能夠理解它，這稱為解碼操作。然後，當執行指令時，就會發生執行操作。最後，來自 ALU 或 FPU 操作的資料或結果被儲存在 CPU 的暫存器中，以便以後檢索，這稱為儲存操作。週期中的第五個可能步驟是暫存器回寫操作，它發生在某些 CPU 中。RISC CPU（表示精簡指令集計算機處理單元）就是使用機器週期的第五步的一個例子。機器週期只能處理一條微程式碼，這迫使像加法或乘法這樣的簡單指令需要多個機器週期才能完成。為了使計算機更快，人們創造了一種稱為流水線的系統。最初，一個機器週期必須完成處理一條指令，然後才能透過第二個機器週期執行另一條指令。使用流水線，一旦一條指令透過機器週期的某個操作，第二條指令就可以開始該操作。例如，在一個指令被取指並繼續解碼之後，CPU 可以取指第二個指令。這項發明允許同時執行多個機器週期，從而提高了計算機的效能。此外，由於 CPU 可以使用流水線以多快的速度工作，它可以以每秒數百萬條指令的速度進行衡量。^[22]

典型的 CPU 元件（續）

為了補充 CPU 內部的簡化清單，我們有解碼單元、暫存器和內部快取記憶體，以及匯流排介面單元。在 CPU 的剩餘三個部分中，解碼單元最容易理解，因為它的工作緊隨預取單元的工作。在預取單元收集資料之後，解碼單元會將資料解碼成一種更易於 ALU/FPU 理解的語言。它透過查詢 CPU 內部的 ROM 記憶體來做到這一點，該記憶體稱為微程式碼。^[23] 暫存器在處理過程中使用；它們是位於 CPU 內部的、高速記憶體的組，ALU 和 FPU 可以訪問它們，或者用於其他各種最佳化目的。雖然暫存器提供最快的記憶體速度，但它們的儲存空間極其有限。在少量暫存器空間不夠的情況下，快取可以發揮作用。快取由 CPU 用於反覆訪問的記憶體，它可以加快訪問時間，並且具有比暫存器稍大的儲存空間。^[24] 匯流排介面單元的作用與它的名字完全一致；它來回傳遞資料，連線 CPU 的核心以與其他元件互動。^[25]

CPU 的另一個方面是提高處理效能。過去，大多數為桌上型電腦設計的 CPU 只有一個核心，因此提高效能的唯一方法是提高 CPU 的速度；但是，提高速度也會導致 CPU 過熱。所以現在 CPU 具有多個核心，以提高效能。例如，新款 iPhone XS 將具有六個 CPU 核心。在一篇由 CNET 的 Stephen Shankland 於 2018 年 9 月 12 日發表的文章中，他解釋了新款 Apple iPhone XS CPU 如何能夠更快地執行。新款 Apple iPhone 將配備新的 A12 Bioinic 晶片。它將擁有更多的電晶體，如果你還記得的話，電晶體是由半導體材料製成的微型裝置，充當開關以開啟和關閉電路。根據 Shankland 先生的文章，這款新的 A12 晶片將擁有大約 70 億個電晶體。Shankland 先生在他的文章中指出，新款 A12 將比 2017 年的 iPhone X 快 15%，並且功耗降低 40%。截至目前，這些資訊來自蘋果公司分享的圖表和資訊。需要了解和認識的是，公司一直在努力提高效能，而重新設計 CPU 架構可以提高效能。^[26]

提高計算機效能

增加記憶體併購買單獨的硬碟驅動器

在技術方面，毫無疑問，更新意味著更好。新系統能夠更快地處理、儲存更多內容，並且可以同時執行更多應用程式。然而，對於每個人來說，在最新技術上市的那一刻就衝出去購買最新技術顯然是不現實的。技術很昂貴，因此瞭解你的選擇很重要。例如，如果你擁有一臺幾年前的計算機，那麼假設系統上的硬碟驅動器和記憶體開始變慢並不為過。然而，許多人可能不知道的是，購買一臺新計算機並不是解決問題的唯一方案。你可以透過購買新的記憶體卡並將其安裝到計算機硬體中，為舊系統新增記憶體。透過這樣做，你可以節省資金，併為你的計算機爭取更多的時間。^[27] 另一種無需投資全新計算機即可提高計算機速度的方法是購買第二個硬碟驅動器。當原始硬碟驅動器開始填滿時，只需為計算機購買內部或外部硬碟驅動器，就可以大幅提高執行速度。^[28]

升級到固態硬碟

由於固態硬碟 (SSD) 是使用快閃記憶體技術而不是硬碟磁碟的硬碟驅動器，因此它們沒有活動部件。它們也不再發出噪音，功耗更低，因此發熱量更少，並且比硬碟驅動器快得多。由於它們比硬碟驅動器快得多，因此計算機的效能也會得到提升。執行程式、開啟檔案、將內容儲存到磁碟，甚至瀏覽網頁的速度都會快得多。此外，對於機械硬碟驅動器，物理磁頭必須四處移動才能從磁碟讀取資料，而在固態硬碟中，資料可以在任何位置讀取和寫入，因此在效能方面沒有損失。固態硬碟不僅速度更快，而且價格也越來越低，因此升級到它們更加實惠和合理。此外，安裝固態硬碟並不太困難或複雜。它基本上與安裝普通硬碟驅動器相同。此外，如果升級到固態硬碟的決定顯得過於最終，則可以將固態硬碟與硬碟驅動器一起新增。這樣不僅有更多空間，而且還可以保留舊的機械驅動器。^[29]

升級你的網際網路連線

如果你的系統在使用網際網路時似乎執行不佳，則可能需要升級你的網際網路連線。升級你的網際網路連線可能會變得更加昂貴，但處理器會發生重大變化。你的第一步應該是討論任何升級，或檢查提供商是否需要以任何方式進行增強。然後，找到適合你的連線型別的瀏覽器。在說明這一點的情況下，你可以更改路由器上的設定，以加快網際網路連線速度。為了防止你的網際網路連線變慢，強烈建議設定密碼以訪問網際網路。此外，每個計算機所有者都應該為其計算機提供維護，以防止計算機可能收到的病毒或任何錯誤，但它還可以防止網際網路連線速度變慢。為此，請保持升級和清理計算機，因為計算機維護的任務越多，網際網路連線速度就可能越慢。^[30]

系統維護

為了使計算機能夠以最高效率執行，使用者必須意識到系統維護的重要性，因為隨著時間的推移，使用者可能會注意到系統性能下降。這可以歸因於導致效能下降的許多常見因素。一個主要原因是硬碟驅動器**碎片整理**。隨著更多程式安裝到硬碟驅動器上，這些程式上的檔案碎片需要更長的時間才能被找到。程式的較長片段變得越來越短，並且變得支離破碎，導致使用者在計算機搜尋這些分散的片段時等待的時間更長。與之相關的是，儘管對系統性能的影響遠不及碎片整理，但作業系統中未安裝程式的碎片和引用也會造成混亂。對於 Windows 使用者來說，這種情況發生在**登錄檔**中。使用者解除安裝程式後，登錄檔中會留下對該程式的引用，這可能會影響效能。但是，效能並不一定是個問題。例如，如果使用者要透過從 Nvidia 顯示卡切換到 AMD 顯示卡來更新系統，那麼不僅解除安裝所有驅動程式和相關程式，而且還要清除登錄檔中對 Nvidia 驅動程式和軟體的任何引用（以避免在安裝 AMD 顯示卡時出現可能的衝突）可能是一個好主意。這將確保硬體和軟體元件的“乾淨”安裝。可以使用的一個免費登錄檔清理實用程式是 CCleaner。^[31]

**臨時檔案**(例如，來自 Web 瀏覽器和安裝程式)如果在很長一段時間後沒有刪除，會佔用寶貴的儲存空間。此外，使用者應注意他們正在安裝的程式，並決定哪些特定程式在**啟動**時執行。過多的程式會減慢計算機的初始啟動時間，因為它必須啟動一個接一個的程式。應只包括那些必要的程式，要檢查這一點，請單擊“開始”(在左下角的 Windows 圖示中)，並在搜尋選項卡中輸入命令 *msconfig*。這將開啟系統配置視窗。在啟動選項卡下列出了在啟動時執行的程式。在這裡，使用者可以啟用或停用程式，這會影響啟動時間。

決定系統性能的另一個重要因素是系統檔案被**惡意軟體**損壞。病毒、蠕蟲、特洛伊木馬、間諜軟體和其他形式的惡意軟體可以透過各種方式感染系統，因此使用者務必瞭解並做好防禦。防病毒程式和其他安全軟體提供了對惡意軟體的保護，因此建議使用者安裝某種程式並定期掃描系統以查詢任何痕跡。

最後，**灰塵**會積聚在散熱風扇(例如，處理器和顯示卡)上以及散熱風扇、機箱風扇、埠、電源和主機板上。每個內部元件都會積累灰塵，這對系統完整性來說可能是一個重大問題，因為灰塵透過捕獲熱量充當絕緣體。灰塵過多的風扇執行效率低下，因為散熱片旋轉速度不快，這會加劇散熱問題。不僅如此，灰塵還會導致電路發生短路，從而不可逆地損壞元件。^[32] 要清潔計算機，請關閉系統電源，包括關閉電源。它不應連線到*任何*電源。然後開啟機箱，使用一罐壓縮空氣吹掉任何地方的灰塵。目標是清除機箱中任何灰塵殘留物。遵循這些步驟和其他上面列出的技巧將有助於確保計算機可靠的效能和更長的使用壽命。

未來趨勢

讓計算機更快、更高效的挑戰帶來了新的科技理念。其中一個理念就是奈米技術，它使用長度只有奈米級的微觀元件。碳奈米管由於其優異的導電效能，目前已應用於鋰離子電池等產品中。其他奈米技術包括奈米顆粒和奈米感測器。另一個近年來受到越來越多的關注的想法是量子計算。這些計算機超越了普通計算機的二進位制系統，使用量子位元，量子位元可以是 1、0 或同時是兩者。^[33] 雖然這些計算機目前只能執行看似簡單的任務，比如數獨遊戲，但它們在加密等任務方面的潛力巨大。光學計算是另一種未來技術形式，它使用光波傳輸資料。由於紅外光束不會相互干擾，光學計算機可以比電子計算機小得多，效率更高。事實上，一旦光學計算機被掌握，計算機將能夠以光速處理資訊，並且功耗非常低。^[34] 在未來的幾年裡，超級計算機的非凡能力預計將透過太級計算等技術，以驚人的速度應用於更常見的計算機中。

複習定義

**應用程式軟體：**使使用者能夠在計算機上執行特定任務的程式，例如編寫信件或玩遊戲。

**計算機：**一種可程式設計的電子裝置，它接受資料輸入，對這些資料執行處理操作，並輸出和儲存結果。

**資料：**原始的、未組織的事實。

**資訊：**已處理成有意義形式的資料。

**計算機網路：**相互連線的計算機和其他硬體裝置的集合，用於共享硬體、軟體和資料，以及彼此進行電子通訊。

**硬體：**計算機系統的物理部件，例如鍵盤、顯示器、印表機等等。

**網際網路裝置：**一種專門的網路計算機，主要用於網際網路訪問和/或電子郵件交換。

**作業系統：**系統軟體的主要組成部分，它使計算機能夠執行，管理其活動及其控制下的資源，執行應用程式，並與使用者互動。

**輸出：**呈現處理結果的過程；也可以指結果本身。

**軟體：**用於告訴計算機應該做什麼的指令，也稱為計算機程式。

**儲存：**儲存資料、程式或輸出以供將來使用的操作。

**URL：**一個網際網路地址(通常以 http:// 開頭)，它唯一地標識一個網頁。

**Web 瀏覽器：**用於檢視網頁的程式。

**全球資訊網 (WWW)：**透過網際網路提供的網頁集合。

**Web 伺服器：**一臺始終連線到網際網路並託管可透過網際網路訪問的網頁的計算機。^[35]

複習問題

1) CPU 的關鍵元素是什麼？

2) 系統單元外部用於連線外部硬體裝置的聯結器是什麼？

3) 資料在其間傳輸的電子路徑是什麼？

4) _________ 是主機板上的位置，_________ 可以插入其中，以將這些卡連線到主機板。

5) 計算機執行時，用來儲存作業系統基本部分的是什麼？

6) ______________________ 包括各種電路和元件，這些電路和元件被封裝在一起並直接連線到主機板

7) _________ 是一種薄板，包含計算機晶片和其他電子元件。

8) 系統單元內的主要電路板稱為 ___________。

9) 計算機在執行任何程式指令之前，例如請求使用者輸入、將檔案從一個儲存裝置移動到另一個儲存裝置或在螢幕上開啟一個新視窗，它必須將指令轉換為二進位制程式碼，稱為 ____________。

10) 為了同步計算機的所有操作，使用 _________。^[36]

複習答案

1) 電晶體 2) 埠 3) 匯流排 4) 擴充套件槽，擴充套件卡 5) RAM 6) 中央處理器 7) 電路板 8) 主機板 9) 機器語言 10) 系統時鐘

參考文獻

[1] ttp://courses.cs.washington.edu/courses/cse100/99au/FIT100-99.L5.pdf

[2] ttp://compnetworking.about.com/cs/basicnetworking/f/bitsandbytes.htm

[3] ttp://www.peachpit.com/articles/article.aspx?p=31286&seqNum=16

[4] ttp://desktoppub.about.com/od/glossary/g/bitmap.htm

[5] ttp://www.cambridgeincolour.com/tutorials/digital-camera-pixel.htm

[6] ttp://www.cambridgeincolour.com/tutorials/digital-camera-pixel.htm

[7] ttps://en.wikipedia.org/wiki/Frame_rate

[8] ttp://pcsupport.about.com/od/componentprofiles/p/p_mobo.htm

[9] ttp://www.pctechguide.com/motherboards/evolution-of-the-motherboard

[10] ttps://en.wikipedia.org/wiki/Expansion_card

[11] ttps://simple.wikipedia.org/wiki/Network_card

[12] ttp://www.howstuffworks.com/microprocessor.htm

[13] ttp://www.cpushack.com/life-cycle-of-cpu.html

[14] ttp://computer.howstuffworks.com/cache2.htm

[15] ttp://www.computerports.net/

[16] ttp://www.tomshardware.com/reviews/thunderbolt-performance-z77a-gd80,3205.html

[17] ttp://www.instructables.com/id/Power-Supply-For-Arduino-power-and-breadboard

[18] ttp://www.techterms.com/definition/alu

[19] ttp://education-portal.com/academy/lesson/central-processing-unit-cpu-parts-definition-function.html#lesson

[20] ttp://scholar.lib.vt.edu/vtpubs/spectrum/sp970911/3b.html

[21] ttps://courses.engr.illinois.edu/ece390/books/artofasm/CH03/CH03-2.html

[22] ttp://www.jegsworks.com/lessons/lesson4/lesson4-4.htm

[23] ttp://www.hardwaresecrets.com/printpage/How-a-CPU-Works/209

[24] ttp://www.moreprocess.com/devices/computer-memory-hierarchy-internal-register-cache-ram-hard-disk-magnetic-tape

[25] ttp://www.electronics.dit.ie/staff/tscarff/BIU/bus_interface_unit.htm

[26] ttps://www.cnet.com/news/iphone-xs-a12-bionic-chip-is-industry-first-7nm-cpu/

[27] ttp://www.pcworld.com/article/129177/article.html

[28] ttp://windows.microsoft.com/en-us/windows7/install-or-remove-a-hard-disk-drive

[29] ttp://www.howtogeek.com/194750/its-time-why-you-need-to-upgrade-to-an-ssd-right-now/

[30] ttp://www.auslogics.com/en/articles/speed-up-internet/

[31] ttp://www.piriform.com/ccleaner

[32] ttp://www.computerdust.com/downloads/special_report_on_the_effect_of_dust_on_electronics.pdf

[33] ttp://www.dwavesys.com/quantum-computing

[34] ttp://www.extremetech.com/extreme/187746-by-2020-you-could-have-an-exascale-speed-of-light-optical-computer-on-your-desk

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

[36] ttp://ng.cengage.com/static/nb/ui/index.html?nbId=7345&nbNodeId=1013914#!&parentId=1013922

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