小白开发入门手册

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电脑硬件组成 ​

什么是计算机硬件？ ​

计算机硬件就是构成计算机系统的 物理实体，例如 CPU、内存、硬盘、显示器等。
它们就像一台电脑的“骨骼”和“肌肉”，是计算机系统运行的物质基础。

冯·诺依曼体系的计算机结构 ​

根据著名的 冯·诺依曼体系结构，一台计算机的核心硬件系统通常可以分为 五大功能部件，它们相互协作，完成“指令执行”和“数据处理”的全过程。

整体协作流程
可以把整个计算机想象成一个小型“工厂”：

  • 输入设备：送来原材料（用户输入的数据）。
  • 存储器：存放原料和产品（数据和程序）。
  • 控制器：像调度员，安排工人按计划干活。
  • 运算器：像工人，真正执行加工任务。
  • 输出设备：把加工好的成果交给用户（显示、打印、播放）。

Von-Neumann-architecture-of-computers

控制器（CU，Control Unit） ​

  • 功能：计算机的“指挥中心”。
  • 它负责：
    • 从存储器中读取指令；
    • 解析指令；
    • 控制其他部件按步骤协同工作。

简单理解

没有控制器，就像工厂没有调度员，工人（运算器）就不知道该干什么。

运算器（ALU，Arithmetic Logic Unit） ​

  • 功能：负责算术运算和逻辑运算，是计算机的“核心算力单元”。
  • 常见运算：
    • 算术运算：加、减（复杂的乘除也可以通过加减组合实现）。
    • 逻辑运算：与（AND）、或（OR）、非（NOT）、异或（XOR）。
    • 比较操作：比较两个数的大小关系。

简单理解

运算器就是“干活的工人”，所有的计算任务都要经过它来完成。

存储器（Memory） ​

存储器用来保存程序和数据，分为 内存储器 和 外存储器：

  1. 内存（Main Memory）

    • 定义：内存又称主存，是CPU能直接寻址访问的存储空间。
      在计算机工作的时候，所有的数据都要先经过内存，然后才能交由处理器去处理，内存也被称为，CPU与外存通信的桥梁。
    • 常见类型：RAM（随机存储器）、ROM（只读存储器）、Cache（高速缓存）。
    • 内存具有以下特点：
      • 速度快，容量相对小；
      • 用于临时存放正在运行的程序和数据；
      • 断电后数据会丢失。

  2. 外存（External Storage）

    • 定义：外存又称为辅存，是指除计算机内存及CPU缓存以外的存储器。
      CPU如果想访问外存中的数据，必须先把外存的数据保存到内存中，CPU再去读取内存中的数据。
    • 常见设备：硬盘（机械硬盘、SSD固态硬盘）、光盘、软盘、U盘等。
    • 外存具有以下特点：
      • 速度相对慢，容量大；
      • 用于长期存放操作系统、应用程序、个人文件；
      • 断电后数据不会丢失。

简单比喻

内存好比“工作台”，外存就像“仓库”。

输入设备（Input Device） ​

  • 功能：把外部信息（用户的指令、数据）转化为计算机能识别的 二进制信号。
    二进制信号只有两种状态：0 和 1，但计算机就是靠这种“开关”来理解所有复杂的信息。
  • 常见的输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、摄像头

输出设备（Output Device） ​

  • 功能：把计算机处理过的二进制结果转化为人类能理解的形式，如文字、图像、声音。
  • 常见的输出设备：显示器、投影仪、打印机、音箱

现代意义上的计算机结构 ​

中央处理器（CPU） ​

运算器（ALU）和控制器（CU）通常集成在一起，形成 CPU（Central Processing Unit）。
CPU 是大家日常最常听到的计算机核心部件，俗称“电脑的大脑”。

现代 CPU 的构成 ​

现代 CPU 不仅仅是 ALU + CU，还集成了更多组件，提升效率：

  • 内存管理单元（MMU，Memory Management Unit）：负责虚拟内存、地址映射。
  • 寄存器（Register）：CPU 内部的小型高速存储器，用于存放正在处理的数据和地址。
  • 缓存（Cache）：分为 L1、L2、L3 缓存，加速 CPU 访问数据。
  • 多核设计：一个 CPU 内包含多个核心，每个核心都能独立执行任务。
  • 图形核心（iGPU）：部分 CPU 内置显卡，用于日常显示。

CPU 的架构 ​

在学习 CPU 架构时，最容易让人迷糊的是：为什么电脑和手机的 CPU 架构不一样？
其实可以这样理解：不同架构就是 CPU “说的语言”不同，软件必须用对应的“语言”编写才能运行。

x86 架构 ​

个人电脑（PC、笔记本）里最常见的是 x86 架构 的CPU。
它历史悠久，从 1978 年 Intel 8086 处理器开始，一直发展到今天，几乎垄断了 PC 市场。

x86 架构的 知识产权 主要归 Intel 与 AMD 所有。
x86 架构最初由 Intel 提出，后来 AMD 通过 交叉授权 并进一步推出了 64 位扩展
交叉授权（cross-licensing）意味着两家公司互相允许对方使用各自的专利技术，从而保证双方都能合法生产兼容的 CPU，同时避免专利纠纷。

主要厂商和产品系列：

  • Intel（英特尔）
    • 酷睿（Core）——主流消费级
    • 奔腾（Pentium）、赛扬（Celeron）——入门级
    • 凌动（Atom）——低功耗
    • 至强（Xeon）——服务器与工作站
  • AMD（超威半导体）
    • 锐龙（Ryzen）——主流消费级
    • 速龙（Athlon）——入门级
    • 线程撕裂者（Threadripper）——高性能工作站
    • 霄龙（EPYC）——服务器

x86 架构的两种主要形态：

  • x86（ia-32，i386） → 32 位
  • x86_64（amd64） → 64 位，最早由 AMD 提出，现已成为主流

所以：如果你用的是2013年之后生产的台式机或笔记本电脑，大概率就是 x86 架构 64 位的 CPU。

ARM 架构 ​

在手机、平板、嵌入式设备上，常见的是 ARM 架构 的CPU。
ARM 的特点是 低功耗、高能效比，非常适合电池供电的设备。相比传统的 x86 架构，ARM 更注重功耗控制和芯片面积优化，这使得它在移动设备和物联网领域占据主导地位。

ARM 架构的 知识产权 属于 ARM Holdings（安谋控股）公司。
公司自身不生产 CPU，而是提供 CPU 架构和指令集设计，把这些技术授权给其他半导体公司（如苹果、高通、联发科、三星、华为等）。
获得授权的厂商可以在 ARM 架构的基础上进行二次设计和优化，开发出自己的芯片产品。

主要厂商和产品系列：

  • Apple（苹果）
    • Apple Silicon 系列
      • A 系列（用于 iPhone、iPad 等）
      • M 系列（用于 iPad Air、iPad Pro、MacBook、Mac mini 等）
    • 特点：深度自研，性能与能效比都很突出，近年 M1/M2/M3/M4 芯片甚至在笔记本和台式机领域赶超传统 x86 架构的芯片性能。
  • Qualcomm（高通）
    • Snapdragon（骁龙）系列：智能手机和平板的主流芯片，分为 8 系（旗舰）、7 系（中高端）、6 系和 4 系（中低端）
    • 特点：集成 5G 基带，影像、AI 处理能力强，是安卓阵营的主流选择。
  • MediaTek（联发科）
    • Dimensity（天玑）系列：定位中高端，强调高性能与高性价比
    • Helio 系列：定位中低端，强调多核处理和低成本
    • 特点：价格亲民，近年来高端产品线天玑系列的性能逐渐逼近或赶超高通的骁龙系列。
  • SAMSUNG（三星）
    • Exynos（猎户座）系列：三星自研的 ARM 架构芯片，曾用于 SAMSUNG Galaxy 手机（部分市场版本）
    • 特点：与高通骁龙定位类似，但在 GPU 性能和发热控制上历来存在差距，目前逐渐减少在旗舰机型上的使用。
  • HiSilicon（海思，华为的子公司）
    • Kirin（麒麟）系列：面向智能手机和平板的 SoC，集成 CPU、GPU、NPU、基带等核心模块，代表作有 Kirin 9000、Kirin 990、Kirin 980，是华为移动设备的核心芯片
    • Kunpeng（鲲鹏）系列：基于 ARMv8 指令集的服务器 CPU，最高可达 64 核，代表作 Kunpeng 920，主要应用在数据中心、云计算和高性能服务器领域
    • 特点：强调国产自主可控，兼顾性能与能效，并在各自领域高度集成多功能模块。但因供应链问题，部分高端芯片生产受限。
  • Rockchip（瑞芯微）
    • RK 系列：面向平板、电视盒子、智能投影仪、车载娱乐系统的 SoC，代表作有 RK3576、RK3588
    • 特点：性价比高，多媒体处理能力强，主要应用于中低端消费电子和嵌入式市场
  • Allwinner（全志）
    • A系列：面向平板、教育类设备、智能硬件的 SoC，代表作有 A733、A537、A333
    • H系列：面向电视盒子、投影仪等多媒体设备的 SoC，代表作有 H618、H727
    • 特点：性价比高，多媒体处理能力强，主要应用于中低端消费电子和嵌入式市场

CPU 和 SoC 的区别

  • CPU（Central Processing Unit，中央处理器）：单独的计算核心，负责执行指令和运算，需要搭配外部芯片（GPU、内存控制器等）才能组成完整系统。
  • SoC（System on Chip，片上系统）：在同一颗芯片上集成 CPU、GPU、NPU、内存控制器和外设等功能模块，集成度高，占用空间小，功耗低，适合手机、平板和嵌入式设备。

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ARM 架构的演进：

  • armv7：32 位（早期安卓手机）
  • armv8：支持 32 位和 64 位（iPhone 5s 开始使用）
  • armv9：只支持 64 位（最新安卓旗舰、苹果 M 系列）
其他架构 ​

除了 PC 设备的 x86、移动设备的 ARM，还有一些在特定领域使用的架构：

  • RISC-V

    • 开源的指令集架构，近年来发展迅速。
    • 灵活、免费，适合嵌入式和未来可能的 PC/服务器。

  • MIPS

    • 经典的精简指令集架构，曾广泛用于路由器、机顶盒。
    • 现逐渐被 ARM 和 RISC-V 替代。

  • PowerPC

    • 曾用于早期苹果电脑（2006 年前的 Mac）。
    • 现多用于汽车电子、工业控制。

  • s390x（IBM Z 系列）

    • 大型机架构，用于银行、保险、电信行业。
    • 以高可靠性和高安全性著称。

内存条（RAM） ​

  • 作用：运行程序时的临时存储器。
  • 规格：DDR3、DDR4、DDR5（代数越高速度越快）。
  • 容量：常见 8GB、16GB、32GB、48GB。
  • 通道：单通道 / 双通道 / 四通道，通道越多，数据传输带宽越大。

举例

如果说硬盘是仓库，内存就是操作台。
仓库再大，如果操作台太小，工人（CPU）也没法高效干活。

主板（Mainboard） ​

  • 作用：主板是所有硬件的“连接平台”，相当于电脑的“神经系统”。决定了电脑支持什么 CPU 和扩展设备。
  • 主要插槽：上面有 CPU 插槽、内存插槽、PCIe插槽、硬盘插槽 等。
  • 常见尺寸：EATX（加长型）、ATX（标准型）、MATX（中小型）、ITX（迷你型）

电源（Power Supply，PSU） ​

  • 作用：为电脑各个部件提供稳定电力。
  • 额定功率：表示电源能持续提供的最大功率，常见 550W、650W、850W、1000W 等。如果电脑内有高性能显卡，则需要搭配更大功率的电源。
  • 转换效率：表示电源把交流电转换为直流电的效率。高效率意味着电能浪费少，发热低，更省电也更稳定。是其中业界标准的衡量方式是 80 Plus 认证，包含 铜牌/金牌/白金/钛金 4个等级。

注意

劣质电源可能导致电压不稳，轻则死机，重则烧毁硬件。

硬盘（Storage） ​

硬盘是计算机用于长期存储数据的设备，根据存储介质和接口类型可以分为多种。

存储介质 ​

  • 机械硬盘（HDD, Hard Disk Drive）
    • 特点：基于磁盘和磁头，容量大、价格低，读写速度慢（通常 100–300 MB/s）
    • 接口类型：SATA、SAS
    • 适用场景：大容量存储、备份、归档
  • 固态硬盘（SSD, Solid State Drive）
    • 特点：基于闪存，无机械结构，速度快、抗震、功耗低
    • 接口类型：SATA、SAS、PCIe / NVMe
    • 适用场景：操作系统盘、软件安装盘、高速数据读写需求

接口类型 ​

  • SATA（Serial ATA）
    • 特点：常见接口，兼容性好，几乎所有主板都有 SATA 接口，最大传输速率约 6 Gbps
    • 适用场景：HDD 和入门级 SSD
  • SAS（Serial Attached SCSI）
    • 特点：企业级接口，速度快、可靠性高，可热插拔，常见传输速率约 12 Gbps
    • 适用场景：服务器硬盘、企业级存储阵列
  • PCIe / NVMe
    • 特点：直接通过 PCIe 通道访问，速度远超 SATA（NVMe SSD 可达 7000 MB/s+）。
    • 物理形态：M.2、U.2、AIC
      • M.2：常用于笔记本和台式机，体积小。
      • U.2：企业级接口，类似 2.5 英寸盘，支持热插拔，多用于服务器。
      • AIC：像显卡一样的扩展卡接口，直接插在主板的 PCIe 插槽上
    • 适用场景：高性能需求，如游戏、视频剪辑、大数据处理。

使用建议 ​

  • 家用台式机 / 笔记本：
    • 系统盘：优先 NVMe SSD（PCIe 4.0/5.0），大幅提升开机、程序加载速度。
    • 数据盘：通常也是 NVMe SSD，HDD 已几乎不再用于消费级设备。
  • 企业服务器 / 数据中心：
    • 核心业务盘：优先 U.2 或 NVMe SSD，保证低延迟和高并发性能。
    • 大容量存储：通过将 HDD 用于 NAS、SAN 等存储设备，搭配 RAID 或对象存储方案，实现容量与成本平衡。

显卡（GPU） ​

GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）主要负责计算机中的图形渲染，也擅长大规模并行计算。它可以减轻 CPU 的压力，提高图形显示性能和计算效率。

  • 图形渲染：游戏画面、视频播放、3D 建模、CAD 设计等
  • 计算加速：深度学习、AI 训练、科学计算、矿机挖矿等

选用建议

  1. 游戏和创作电脑推荐 独立显卡，办公和轻量使用可选 集成显卡
  2. 流处理器数量、显存大小 和 显卡核心频率 是衡量显卡性能的重要指标

显卡类型 ​

  • 集成显卡（iGPU，Integrated GPU）
    • 特点：内置于 CPU 或主板芯片组中，无需额外显卡，功耗低，成本低
    • 适用场景：办公软件、网页浏览、视频播放、轻量级游戏
    • 代表产品：Intel Iris Xe、Intel UHD Graphics、AMD Radeon Vega Graphics
  • 独立显卡（dGPU，Discrete GPU）
    • 特点：单独的显卡芯片，拥有自己的显存（VRAM），性能强大，可用于高性能图形处理和计算任务
    • 适用场景：大型游戏、视频剪辑、3D 渲染、AI 训练等
    • 显存大小：4GB、8GB、12GB、24GB 不等，显存越大，处理高分辨率图形或复杂计算时越流畅

主要厂商及产品系列 ​

  • NVIDIA（英伟达）
    • GeForce 系列：面向游戏玩家和家庭用户，如 RTX 50 系列、RTX 40 系列、GTX 16 系列
    • Quadro / RTX A 系列：面向专业设计、建模和渲染
    • Tesla 系列：面向科学计算和 AI 训练，如 GB200、H100、A100、V100、T4 等
  • AMD（超威半导体）
    • Radeon RX 系列：面向游戏和娱乐，如 RX 7000 系列、RX 6000 系列
    • Radeon Pro 系列：面向工作站和专业创作
    • Radeon Vega / 600M / 700M 系列：集成显卡，用于轻薄笔记本和办公台式机
  • Intel（英特尔）
    • Arc 系列：独立显卡，面向轻中度游戏、创意设计和办公
    • UHD / Iris Xe 系列：集成显卡，用于轻薄笔记本和办公台式机

CUDA ​

  • 定义：CUDA 是 NVIDIA 提出的 通用并行计算平台和编程模型，可以让开发者用 GPU 进行通用计算，而不仅仅是图形渲染
  • 作用：
    • 加速深度学习训练和推理
    • 科学计算模拟、数据分析、高性能计算
  • 特点：
    • 仅支持 NVIDIA GPU
    • 利用 GPU 的数千个并行核心，实现大规模并行计算
    • 常用框架：PyTorch、TensorFlow、CUDA Toolkit、cuDNN

散热器（Cooler） ​

  • 作用：负责带走 CPU / GPU 产生的热量。
  • 分类：
    • 风冷：靠风扇吹走热量，常见、性价比高。
    • 水冷：液体循环降温，散热强，但价格高。

机箱（Case） ​

  • 作用：机箱是电脑的“外壳”，为电脑硬件提供物理保护与放置空间。
  • 常见尺寸：和主板尺寸类似，有 EATX、ATX、MATX、ITX 这 4 种。

参考资料 ​