在今天的数字时代，计算机已经成为我们生活中不可或缺的一部分，塑造了我们工作、学习、交流和娱乐的方式。从时尚的笔记本电脑到功能强大的台式机，这些机器以非凡的效率和精度执行无数任务。每台计算机的核心都是一组基本组件，它们协调工作，提供无缝的性能。本文概述了构成这些数字奇迹支柱的关键计算机要素。
什么是计算机？
计算机是一种根据一组指令处理数据以执行任务的电子设备。它由硬件和软件组件组成，它们协同工作以输入、处理、输出和存储数据。计算机的硬件主要包括中央处理器（CPU）、存储器、存储设备和输入/输出设备（如键盘、鼠标、监视器）。计算机使用包括操作系统和应用程序在内的软件进行操作，允许用户执行各种任务，如文字处理、浏览互联网、玩游戏等。它们是现代生活不可或缺的一部分，几乎用于商业、教育、娱乐和沟通的各个方面。
计算机的硬件组成部分
简单地说，硬件是你可以看到和触摸的东西，而软件是你看不到或摸不着的东西。计算机的硬件相当于人体，而软件就像人类的灵魂。
1. 中央处理器（CPU）
中央处理器，通常被称为计算机的“大脑”，负责执行指令和处理数据。它执行算术和逻辑运算，管理不同组件之间的数据流，并监督系统的整体操作。CPU的速度和性能由几个因素决定，包括内核数量、时钟速度、高速缓存大小以及制造过程中使用的技术。更快的CPU可以实现更快的响应时间和改进的多任务处理能力。
CPU架构：CPU架构是指处理器的设计和结构，包括其组织、功能和实现。它包括内核的数量和类型、缓存大小和组织、管道结构以及指令的执行方式等方面。
CPU指令集：CPU指令集是CPU可以直接执行的指令集。这些指令通常用机器代码表示，并定义CPU可以执行的操作，如算术运算（加法、减法）、逻辑运算（and、OR）、数据移动（加载、存储）和控制流（分支、跳跃）。
两者间的关系：
- 指令的实现：CPU体系结构决定如何实现指令集中的指令。不同的体系结构可以以不同的方式处理指令的执行，例如指令流水线中的级的数量或寄存器的大小和结构。x86体系结构支持复杂指令集（CISC），ARM体系结构主要支持精简指令集（RISC）。
- 支持的指令：CPU体系结构决定了处理器支持哪些指令。例如，一些体系结构可能支持更广泛的SIMD（单指令、多数据）指令用于并行处理，而另一些体系结构则可能更侧重于整数运算或浮点计算。
- 兼容性：为特定CPU体系结构编译的软件通常依赖于该体系结构的指令集。当软件为一个体系结构编译，但需要在具有不同指令集的不同体系结构上运行时，会出现兼容性问题。
- 性能：体系结构和指令集严重影响CPU的性能特性。高效的指令执行、优化的流水线设计以及专用指令的可用性都会影响处理器的整体性能。
虽然CPU体系结构定义了处理器的总体设计和功能，但CPU指令集指定了CPU可以理解和执行的实际操作和命令。体系结构和指令集相互交织，影响软件如何与CPU交互并利用CPU的功能。
2. 随机存取存储器
RAM作为计算机的短期存储器，使其能够快速访问数据和程序。与硬盘等永久存储设备不同，RAM是易失性的，这意味着当计算机关闭时，它会丢失所有存储的信息。计算机的RAM越多，它可以同时处理的数据就越多，从而实现更流畅的多任务处理和更快的应用程序加载时间。对于视频编辑、游戏或复杂模拟等繁重任务，高容量RAM至关重要。
3. 存储设备
存储设备保存计算机运行所需的所有数据和程序。存在两种主要类型的存储：主（或内部）存储和辅助（或外部）存储。
- 主存储：主要由硬盘驱动器（HDD）和固态驱动器（SSD）组成。HDD使用旋转磁盘来存储数据，而SSD使用闪存芯片来更快地访问和检索数据。固态硬盘通常更昂贵，但提供了更快的启动时间、应用程序启动和整体系统响应能力。
- 辅助存储：包括外部硬盘驱动器、USB驱动器、CD、DVD和云存储。这些设备允许用户备份数据、在计算机之间传输文件以及远程访问信息。
4. 主板
主板是计算机系统的主干，为所有其他组件提供了连接和通信的平台。它包含CPU、RAM和用于图形卡、声卡和网络接口等附加卡的各种扩展插槽。主板还包含BIOS/UEFI固件，该固件在启动期间初始化系统硬件，并促进基本输入/输出操作。
5. 图形处理单元（显卡GPU）
当CPU处理大多数计算任务时，GPU专门用于渲染图形和加速视觉输出。它对于游戏、视频编辑、3D建模和其他图形密集型应用程序尤其重要。现代GPU是高度并行的处理器，能够同时处理数百万次计算，是处理复杂图形数据的理想选择。
6. 输入/输出设备
计算机依靠输入设备从用户那里接收数据和指令，并依靠输出设备以易于理解的形式呈现结果。常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸板、麦克风和相机。另一方面，输出设备包括显示器、扬声器、打印机和投影仪。这些设备协同工作，实现有效的人机交互。
7. 电源设备单元（PSU）
PSU将墙上插座的交流电转换为计算机组件可以使用的直流电。这对于确保系统的电源稳定、安全、防止敏感组件损坏至关重要。PSU的额定功率表示其最大输出容量，该容量应足以满足所有已安装硬件的功率要求。
了解计算机的基本组件对于任何想要构建、升级或排除系统故障的人来说都至关重要。从CPU的计算能力到GPU的图形能力，每个组件在提供无缝高效的计算体验方面都发挥着至关重要的作用。随着技术的不断发展，这些组件将继续进步，突破数字领域的可能边界。
计算机的软件组成部分
计算机系统的软件组件可以大致分为两种主要类型：系统软件和应用软件。
系统软件
系统软件是一组程序，旨在管理和控制计算机的硬件和其他软件。它提供了其他软件运行的基础平台。系统软件的关键组件包括：
- 操作系统：操作系统是最基本的系统软件。它充当硬件和用户之间以及硬件和其他软件之间的接口。换句话说，操作系统是围绕计算机硬件的第一层软件。操作系统非常重要。没有它你就不能方便地使用电脑。你使用的几乎所有软件都必须建立在操作系统之上。大多数软件应用程序依赖于操作系统（OS）来提供基本服务和管理硬件资源。操作系统充当硬件和软件应用程序之间的中介，提供标准化平台和基本功能，如内存管理、文件管理和进程调度。因此，软件开发人员通常构建他们的应用程序以在特定的操作系统上运行，利用操作系统的功能来高效地执行任务并与硬件交互。简单地说，它管理内存、文件、输入/输出设备、进程和线程。操作系统的流行示例包括Windows、macOS、Linux和Android。
- 设备驱动程序：设备驱动程序是允许操作系统与硬件设备通信的软件程序。他们将操作系统的命令翻译成硬件能够理解的语言。如果没有设备驱动程序，操作系统将无法与打印机、键盘、显示器等进行交互。
应用软件
应用软件，也称为最终用户软件，设计用于为用户执行特定任务。它构建在系统软件之上，可分为以下几种类型：
- 生产力软件：包括文字处理器（如Microsoft word）、电子表格（如Excel）、演示软件（如PowerPoint）和数据库管理系统（如MySQL）。这些工具帮助用户创建和管理文档、数据和演示文稿。
- 图形和多媒体软件：此类别包括用于创建和编辑图像、视频和音频的软件。示例包括用于图像编辑的Adobe Photoshop、用于视频编辑的Premiere Pro和用于音频录制和编辑的Audacity。
- Web浏览器：Google Chrome、Mozilla Firefox和Safari等Web浏览器使用户能够访问万维网、浏览网站和查看在线内容。
4.游戏：电脑游戏是一种为娱乐而设计的应用软件。它们可以从简单的街机游戏到复杂的沉浸式模拟和虚拟世界。 - 业务软件：业务软件旨在自动化和简化各种业务流程。示例包括会计软件（如QuickBooks）、客户关系管理（CRM）系统和企业资源规划（ERP）软件。
- 教育软件：教育软件旨在帮助教学。它可以包括交互式模拟、语言学习工具和教育游戏。
计算机系统的软件组件由管理和控制硬件并为其他软件提供平台的系统软件和为用户执行特定任务的应用软件组成。这两种类型的软件协同工作，使计算机能够有效地工作。
编程语言
I think everybody should learn to program a computer, because it teaches you how to think.
有许多编程语言，每种语言的设计都考虑到了特定的目的、范例和应用程序。以下是根据编程语言的特点和用途对其进行的广泛分类：
低级语言：
- 机器语言：可由计算机的CPU以二进制形式直接执行。
- 汇编语言：使用助记符表示机器指令，直接映射到机器代码。
高级语言：
- 过程语言：专注于逐步执行操作的过程或函数（例如，C、Pascal）。
- 面向对象语言：围绕对象、数据和方法（例如Java、C++、Python）组织代码。
- 函数式语言：强调函数作为主要构建块（例如Haskell、Lisp）。
- 脚本语言：通常用于自动化和快速原型设计（例如Python、JavaScript）。
- 领域特定语言（DSL）：专为特定领域或任务设计（例如，SQL用于数据库，MATLAB用于数学计算）。
专用语言和标记语言：
- 标记语言：用于为文本的格式或结构（如HTML、XML）添加注释。
- 查询语言：用于从数据库（如SQL）中检索和操作数据。
面向并发的语言：
- 并行计算语言：专为并发和分布式系统（如Go、Erlang）设计。
密语：
- 为实验而创建：经常用于娱乐或探索不寻常的编程概念（例如Brainfuck、Whitespace）。
历史语言和遗留语言：
- 早期语言：开创性编程（如Fortran、COBOL）。
- 遗留语言：仍在使用，但在新开发中不太常见（例如Ada、ALGOL）。
编程语言不断发展，出现了新的语言来满足各种领域的特定需求，如机器学习（如Python，R）、数据科学（如Python、Julia）和网络开发（如JavaScript、TypeScript）。编程语言的多样性反映了不同领域和应用程序开发人员的不同需求和偏好。
GUI 和 CLI
图形用户接口（Graphical User Interface - GUI）
- 桌面环境：使用鼠标或触摸板与图标、窗口、菜单和按钮进行交互。
- 触摸屏手势：使用触摸输入直接与显示器交互，这在智能手机和平板电脑中很常见。
命令行接口（Command Line Interface- CLI）
- 在基于文本的界面中键入命令以执行任务。示例包括Windows命令提示符、Unix/Linux shell（例如Bash）和macOS终端。
在不同的操作系统中，实现相同功能的命令可能不同。有很多CLI命令，如cd、ls、dir、mv、rm等。有些命令用于Windows命令提示符，而另一些则用于Unix/Linux和MacOS。例如，在Windows的命令行中，用于列出当前文件目录中所有文件的命令是dir，而在Unix/Linux/MacOS中，则使用ls。
cd（更改目录）：
- 功能：更改当前工作目录。
- 用法：
cd directory_name：移动到指定的目录中。cd ..：向上移动一个目录级别（到父目录）。cd /：移动到根目录（Unix/Linux）。cd \：移动到根目录（Windows）。
mv （移动）：
- 功能：移动或重命名文件和目录。
- 用法：
mv source destination：将文件或目录从源移动到目标。mv file_name new_file_name：将file_name重命名为new_file_name。
ls（列表）：
- 功能：列出目录内容。
- 用法：
ls：列出当前目录中的文件和目录。ls directory_name：列出directory_name中的文件和目录。ls -l：列出有关文件的详细信息（权限、大小、所有者等）。ls -a：列出所有文件，包括隐藏文件（名称以.开头）。
dir:
- 功能：列出目录下的内容（特指 Windows 的命令提示符）。
- 用法：
dir：列出当前目录下的文件或目录。dir /s：递归地列出文件（包括子目录）。dir /p：在每满一屏信息后暂停。
rm （移除）：
- 功能：删除文件和目录。
- 用法：
rm file_name：删除file_name。rm -r directory_name：递归删除directory_name及其内容（请谨慎使用）。rm -f file_name：在不提示确认的情况下强制删除file_name。
mkdir （创建目录）：
- 功能：创建一个新目录。
- 用法：
mkdir directory_name：创建一个名为directory_name的新目录。mkdir -p path/to/new/directory：沿指定路径创建嵌套目录。
命令提示符（Windows）与外壳终端（Unix/Linux）：
命令提示符：这是Windows中的命令行解释器。命令和语法可能与Unix/Linux终端略有不同。
shell 终端：在Unix/Linux中，这是指用户可以通过键入命令与操作系统交互的命令行界面。
这些命令是通过命令行界导航和操作文件和目录的基础，提供了在不需要图形界面的情况下管理系统和文件的有效方法。
环境变量
当你从操作系统的命令行输入命令时，操作系统会按照一定的顺序和规则搜索可执行文件（或命令）的路径，而环境变量path在这个过程中起着至关重要的作用。
搜索命令的过程：
当前目录：
操作系统将首先在当前目录中搜索与输入命令同名的可执行文件。如果存在，则直接执行该文件。这是因为在许多情况下，用户可能在当前目录中工作，并希望在该目录中执行程序。
别名（在某些情况下可能会在当前目录之前检查，但通常会在之后立即检查）：
系统将检查是否存在与输入命令同名的别名。如果存在，请执行别名指向的命令。别名是用户或系统为简化命令输入而设置的命令替换字符。
Shell内置命令：
如果输入命令是Shell的内置命令，系统将直接执行该命令，而不需要外部程序来执行。Shell内置命令通常是为了提高效率和安全性而设计的，如cd、echo等。
环境变量（PATH）：
如果在当前目录、别名或Shell内置命令中找不到相应的命令，系统将根据环境变量path中定义的路径顺序搜索可执行文件。PATH环境变量是一个字符串，包含多个由特定分隔符分隔的路径（如冒号：在Linux中，分号；在Windows中）。系统将从path的第一个路径开始搜索，直到找到与输入命令同名的可执行文件。如果找到，执行该文件；如果未在所有路径中找到该命令，系统将报告一个错误，表示找不到该命令。
需要注意的是，path环境变量中的路径顺序很重要，因为系统按此顺序搜索可执行文件。因此，如果用户将具有相同名称的可执行文件放在PATH的不同路径中，系统将只执行它在PATH中首先找到的文件。
环境变量PATH的功能是告诉操作系统在哪些目录中搜索可执行文件。当您在命令行上输入命令时，操作系统将根据PATH变量的设置在这些路径中搜索相应的可执行文件，以查找并执行您输入的命令。操作系统搜索命令的优先级大致为：当前目录（或别名，Shell内置命令，取决于具体情况）>环境变量path中定义的路径。此顺序确保系统能够高效、准确地查找和执行用户指定的命令。
您也可以使用C/C++自己编写程序，将其编译为可执行文件，并将此可执行文件的路径放置在环境变量中。这样，您编写的命令可以在命令行上的任何文件目录中使用，并将其视为操作系统的命令。
