认识你的电脑 #

或许电脑对你来说，是一个熟悉却又神秘的「黑箱」：它早已深植于我们的生活，人人都在使用，但我们却少有真正了解它的组成与结构。阅读完本章，你将找到这些问题的答案：

• 什么是「CPU」？他们说的「i5」「i7」都是什么？「双核」「四核」又是什么？
• 为什么说「内存」和「硬盘」不一样？存储东西的到底是内存还是硬盘？电脑特别卡，到底是内存不够还是硬盘不够？
• 我想玩游戏，选购电脑时应该关注什么方面？「显卡」是什么东西？
• 什么是「Windows」？那「Windows 11」又是什么？为什么那些用苹果笔记本的同学电脑界面看起来和我不一样？我在用什么系统？

也许你曾经打开或看别人打开过台式机的机箱，又也许你曾经拆过或请别人拆过笔记本电脑的底壳。在几乎「无所不能」的电脑内部，是各种各样的电子电路和元器件，它们是人类智慧的结晶。这些电子电路和元器件构成了一台电脑的「硬件」部分。而在冷冰冰的硬件之上，「软件」为它们赋予了功能——在今天，我们有各种各样的 app 来进行工作、学习和生活。「硬件」好比你的身体，「软件」如同你的思维，它们共同构成了「电脑」这个有机体。

本章将带领你认识自己的「电脑」——从构成「电脑」的关键硬件开始，逐一简要地介绍它们的功能，并分析它们对「性能」的影响。然后，我们会介绍在硬件之上的一层层「软件」，讲述它们与硬件的统一和配合，让你对「电脑」有更加清楚的认识。

电脑内部的硬件 #

这一节我们来介绍一台电脑内部的那些关键硬件。也许你并没有亲眼见过这些芯片和设备长什么样，但通过这一节的介绍，你应该能对它们有一个基本的了解。

在开始之前，我们先假设这样一个场景：老师收了一个班的一摞作业，现在需要批改这些作业。

1. 老师将这一摞作业堆在办公桌的一边，腾出办公桌的中央和另一边。
2. 现在，老师取下这一摞作业中的一小叠，放在办公桌中央，开始伏案批改。
3. 老师批改完了这一小叠作业，然后将它们放在办公桌的另一边，摞成新的一沓。
4. 重复步骤 2 和步骤 3，最终老师完成了全部作业的批改，这时批改完的作业全部在办公桌的另一边。

我们来借助这个例子理解电脑硬件上的各个结构。

处理器 / CPU #

中央处理器（Central Processing Unit），简称「处理器」，英文简写「CPU」，是电脑内部最重要的一枚芯片，可以想象成是电脑的「大脑」。在上面的例子中，「老师」就相当于电脑中的处理器：「老师」的作用是对「作业」进行批改，从而完成教学任务；处理器的作用是进行各种的运算，从而实现电脑不同的功能。

你一定注意到过，电脑会发热——热到需要用一个风扇给它降温，这热量中有很大一部分就是处理器发出来的。如果你有关注过时事和新闻，中美贸易战之中关键的一环，正是处理器芯片。下图中，左边是一枚台式机的 CPU，右边是一枚笔记本电脑的 CPU。

你可能会疑惑：这两个 CPU 为什么看起来「长」得很不一样？这是因为笔记本 CPU 为了节省空间，会直接将「晶片」（➋，芯片的核心部分，由硅制成）裸露在外；而台式机 CPU 为了保护晶片，会在其外罩上一层金属盖 ➊。

处理器是电脑工作的核心，因此，处理器的性能就很大程度上决定了电脑的性能，决定了我们使用这台电脑流不流畅、玩游戏卡不卡、工作效率高不高。在今天，全世界电脑芯片基本上是由两家美国公司设计¹的，其中一家叫做「英特尔」（Intel），另一家叫做「AMD」。

• 英特尔公司现在主要的 CPU 产品线称作「酷睿」（Core），而「酷睿」系列又分成了三个子系列，每个子系列都有不同档次的产品。

  	传统酷睿系列	酷睿 Ultra 系列	酷睿数字系列
  低端	酷睿 i3	酷睿 Ultra 3	酷睿 3
  中端	酷睿 i5	酷睿 Ultra 5	酷睿 5
  高端	酷睿 i7	酷睿 Ultra 7	酷睿 7
  超高端	酷睿 i9	酷睿 Ultra 9
  说明	传统的酷睿系列，自 2008 年沿用至今	2024 年发布的新系列，主要应用在高端笔记本电脑产品上，增加了针对 AI 应用的优化	2024 年发布的新系列，针对笔记本电脑产品进行了能耗方面的优化

  大多数使用英特尔 CPU 的电脑，机器表面会贴一个类似左下图的蓝色（或灰色、黑色）贴纸。对于笔记本电脑，通常贴在键盘下方或机器背面；而对于品牌台式机，则通常贴在机器正面、侧面或顶面，如右下图所示。

• AMD 公司现在主要的 CPU 产品线称作「锐龙」（Ryzen），而「锐龙」系列也分成了 3 个档次——「R5」「R7」和「R9」²。大多数使用 AMD CPU 的电脑会粘贴类似下图的橙黑或橙灰色贴纸。

除了英特尔和 AMD 之外，亦有一些厂商能够生产电脑的 CPU，例如苹果、高通，以及国产厂商龙芯、华为等。不过，这些厂商生产的 CPU 与英特尔、AMD 的 CPU 往往并不兼容，使用这些 CPU 的电脑需要使用专用的系统和软件。想了解更多有关这些 CPU 的细节？请阅读本书超越篇的 「程序」是怎样炼成的。

我们常常说一台电脑是「双核」「四核」的，这里的「双核」「四核」就是处理器中的概念。今天，几乎所有 CPU 都在芯片中安装了多个「核心」，相当于一个个协同起来的独立的小处理器。例如，「双核」意味着在一枚处理器芯片上集成了两个核心，相当于两个大脑协同工作，当我们需要用电脑同时做很多事情的时候就有所裨益。同理，「四核」「八核」就是在一个芯片上集成了四个甚至是八个核心。现在，一些 CPU 还使用「大小核」设计，混合使用大小两种规格不同的核心，来实现性能和功耗之间的平衡。下国中，左方是一枚四核 CPU，右方则是一枚采用「大小核」设计的六核处理器（图片供示意，非实际比例）。

然而，核心数只能反映「脑子多不多」，但无法刻画「（单个）脑子快不快」。要衡量一颗 CPU 的性能，除了直观地根据厂商划定的这些低中高端系列之外，「主频」也是一个重要的参考。所谓「主频」指的是这 CPU 一秒种能够「工作」的次数，人们通常使用单位「GHz」来标注它。1 GHz 就表示「1 秒能『工作』10 亿次」。CPU 通常有一个「基准频率」和「加速频率」，前者是 CPU 正常工作时的稳定频率，后者则是在短时间内应对复杂任务时能达到的最高频率。目前，常见的台式机 CPU 的基准频率和加速频率能达到 3 GHz 和 5 GHz，而笔记本则在 2 GHz 和 4 GHz 左右。

需要强调的是，并不是说核心数越多、主频越高的处理器性能一定越好，更不是说 i7 处理器就一定比 i5 更好，也不是说英特尔和 AMD 有孰优孰劣之分。我们应该这样辩证地理解这些概念：每个品牌都会随着时间推移一代代地更新，每一代都有着的不同系列，有的系列高端，有的系列低端；每个系列也都有自己的不同型号，有的型号性能强，有的型号性能弱。CPU 的性能并不与某一个因素呈线性的关系，而是多个因素综合的结果。

按 Ctrl + Shift + Esc 打开「任务管理器」，选择【性能】页面，就能看见 CPU 的型号、基准频率（标注为【基准速度】）和核心数（标注为【内核】）。

内存 / RAM #

紧接着，我们介绍能直接与处理器交流的部件——内存，英文简写「RAM」。上一小节提到，处理器相当于大脑，但与大脑不同的是，处理器只能处理数据，而这些待处理的数据，需要依赖外部的元件来临时存放。内存就是用来临时存放数据的。

内存的核心组件是一个个黑色的「内存芯片」。目前，内存芯片的主要生产厂商集中在韩国和中国台湾。这些芯片通常被排列在条形电路板上，形成一个模块，方便插入电脑主板进行更换或升级。这样的整体被称为「内存条」。如下图所示，左侧展示的是台式电脑使用的内存条，而右侧则是笔记本电脑使用的版本。不过，为了节省内部空间，很多笔记本电脑选择将内存芯片直接「焊接」在主板上，这种设计的内存无法更换或升级。

前文说，内存直接与处理器进行数据交流。与处理器那极快的运算速度相匹配，内存的读取与写入速度也是极快的。但内存有一个特点——断电即丢失数据。也就是说，当你电脑关机，内存中的数据便不复存在，又回到白纸一块。这种特性决定着，内存只能用来在电脑工作时临时存储信息。

回到前面老师批改作业的场景。办公桌的中央区域可以理解为「内存」：老师将作业放在办公桌中央批改，是因为这里改起来最方便；处理器将数据放在内存中处理，是因为这里读取和写入速度最快。办公桌中央不能总是放着东西，不然会弄乱、弄丢；内存中的数据一旦断电就会消失，因此总是临时的。

在 21 世纪初，电脑内存的容量不大，有 512 MB 已经不得了了。但随着科技发展，现如今，大容量内存已经司空见惯。在今天，要想让一台电脑能基本流畅运行，内存容量应当至少有 8 GB。当然这东西倒是多多益善，就像更大的桌子能摆更多东西一样，更多的内存意味着更多的空间来让处理器存放数据，也就意味着电脑能同时处理更多的任务，基本意味着电脑更加流畅。据我们的经验，在目前（2024 年），16 GB 的内存对于日常使用已经够用；但如果你有大型游戏、三维建模、大型软件开发等需求，选择 32 GB 乃至更大的内存会更加合适。

对应到手机中，内存有时会被手机厂商称为「运行内存」，不过我们不推荐如此称呼。原因请参见下面「硬盘」一节。

在任务管理器的【性能】页的【内存】一栏，你可以看见自己电脑的内存总量等信息。

硬盘 #

内存是用来临时存储数据的，而硬盘则是用来长久保存数据的。与内存相比，硬盘的读写速度要慢得多，但存在硬盘中的数据不会因为断电而轻易消失，因此，硬盘是数据的最初的起点和最终的归宿：处理器在一开始，从硬盘中取出数据放入内存，在内存中处理数据，处理完成之后，再将新的数据放回硬盘。

除了各种各样的「数据」——例如，各种文档、图片、音乐——之外，电脑上各种各样的软件（app）本身，也是存放在硬盘里面的。相信大家在手机上都有过这样的经验——手机的「存储空间」不够用，除了删掉一些不需要的照片、视频外，卸载不常用的 app 也是一个快捷的办法。在电脑上，情况是一样的：卸载软件，释放的其实就是硬盘上的空间。

在前面老师批改作业的场景当中，办公桌两侧堆作业的地方可以理解为「硬盘」：大量的作业被堆在那里，整齐摆放，不会弄散、弄丢，但老师总是要把作业取到趁手的地方（办公桌中央）来批改；大量的数据被存在硬盘里，不会因为断电就丢失，但处理器总是要把数据放在快速的地方（内存）来处理。

简单来说，硬盘现在分为两种，一种叫「机械硬盘」（Hard Disk Drive，简称「HDD」），如下图左侧所示，容量大、价格低、速度更慢，利用电磁原理存储数据。另一种叫「固态硬盘」（Solid State Drive，简称「SSD」），如下图右侧所示，容量小、价格高、速度较快（但远远没有内存那么快）。SSD 用芯片存储数据，但这种芯片和内存的那种不同，断电还能保持数据。不过，不管是哪种硬盘，如果硬盘许久不用（不给它通电），那里面的数据也会慢慢消失，固态硬盘大约是 3 至 5 年，而机械硬盘最多 20 年——所以，对于存了东西但没有装入电脑的备用硬盘，要定期拿出来通电运转一下。

在今天（2024 年），标称容量 1 TB 的固态硬盘大约 500 元，机械硬盘大约 300 元；标称容量 2 TB 的固态硬盘大约 800 元，机械硬盘大约 400 元。因此，有些电脑会用一块小容量（512 GB 及以下）的固态硬盘，搭配一块大容量（1 TB 及以上）的机械硬盘来实现各自功能的互补。但也有一些中高端电脑会直接选用一整块大容量（比如 1 TB 甚至 2 TB）的固态硬盘而不再使用机械硬盘。

一块硬盘的空间可以被划分成不同的「盘」（学名叫「分区」）来更好地利用。双击桌面上的【此电脑】来打开「文件资源管理器」，你看到的「C 盘」「D 盘」就是各个分区。在下一章 文件与文件管理，我们将向你介绍如何管理好自己硬盘上的东西。

如果你在桌面上没有看到【此电脑】图标，你也可以按下 Windows + E 组合键来打开文件资源管理器，然后在左侧的导航栏中找到【此电脑】。

如果你想在桌面上显示【此电脑】图标，可以参考下面的操作速查卡。

硬盘对电脑使用体验的影响，主要是「打开软件的速度」，包括「开机的速度」。这是很容易理解的，因为数据和软件本身原先都是存在硬盘里的，处理器从硬盘里「拿」数据的速度就直接影响着软件启动或者说加载的时间。

手机中用类似固态硬盘一样的芯片来存储数据，有些手机厂商和商家会称之为「内置存储」「存储内存」甚至是「内存」，但它完全不是内存。这是为什么有人会弄混「内存」和「硬盘」的根源之一。大家常说的「手机内存不够」，指的往往是存储空间（可以称「手机的硬盘」）不够，而不是真正的「内存」不够。

打开「任务管理器」，切换到【性能】选项卡，可以看到一个更详细的硬件运行状态，其中【磁盘】相关栏目展示了你设备的硬盘数量和类型（机械硬盘 HDD、固态硬盘 SSD），还展示了分区和硬盘的关系。

显卡 / GPU #

对于喜欢玩游戏的同学来说，「显卡」是他们在选购电脑时会着重考虑的一个因素。

以前，「显卡」就是电脑里面的一个独立的模块，像一张「卡」一样插接在主板上。这个模块的功能是专门进行画面的绘制和图像的处理，因而得名「显卡」。所有显示在屏幕上的画面，都是由显卡「绘制」的。因而，显卡的好坏对游戏和图形相关的工作（比如三维制图、视频编辑）有较大影响。下图展示了一块老旧的电脑显卡，其中 ➊ 是用于连接显示器的端口，➋ 处则是与电脑主板连接的触点。➌ 为这块显卡的散热风扇，而在其下方压着的，就是显卡的核心部分——图形处理器（Graphics Processing Unit，简称 GPU）（➍）。

也就是说，GPU 是一枚芯片，而显卡是承载着这个芯片的模块。不过现在，人们习惯于将这两个词混用——既可以用「GPU」代指整个显卡，也可以用「显卡」或「显卡芯片」一词来特指 GPU 那枚芯片。强求区分它们显得过于古板学究气，因此在本书中，我们也会混合使用两种称呼。

为什么上面那段要加上「以前」两个字呢？因为随着半导体技术的发展，人们后来发现，GPU 可以被「集成」到处理器³中，换言之，就像多核处理器把几个核心放在一个芯片上一样，GPU 也可以和 CPU 做成一个芯片。容易想到，这样集成到一起之后，受限于芯片整体的大小，GPU 不能做得性能很强了：CPU 就在它边上，大家一起发热，一起分享能量。但是，通过这种方式，可以有效缩小硬件的体积，也能降低功耗。因而，发展到今天，GPU 在电脑中的形态有了以下两种：

• 集成显卡，简称「集显」，英特尔称「核芯显卡」，AMD 则将 GPU 和 CPU 构成的整体一同称为「APU」。GPU 被安排在处理器的同一片芯片上，性能相对较差，能应付大多数工作，但游戏、制图等特定工作就不太行了。集成显卡功耗很低，而且省去了用户单独购买显卡的麻烦。
• 独立显卡，简称「独显」。图形芯片仍然是一片独立的芯片，通常以独立的模块形式安装在主板上。这样的 GPU 比较强，但换来的是更高的功耗、更大的体积和更多的发热等。如果你喜欢玩游戏（尤其是大型 3D 游戏），又或者从事视频编辑、三维设计等工作，那么一台装有独立显卡的电脑可能是你的刚需。

今天，全世界生产独立显卡的厂商主要有两家，一家叫「英伟达」（NVIDIA），它旗下的显卡俗称「N 卡」；另一家是前文提到过造处理器的「AMD」，它推出的显卡俗称「A 卡」。如果你有涉足过游戏交流圈，玩家所说的「RTX 4090」「GTX 1080 Ti」等都是英伟达显卡的型号，而「RX 6800 XT」「RX 580」等都是 AMD 显卡的型号。下图是英伟达网站上出售的 《黑神话·悟空》联名款的 RTX 4070 Super 高端显卡，可以看到显卡上有三个大尺寸的散热风扇，这从侧面说明其功耗之大、发热之多。

除了英伟达和 AMD 之外，市面上也有一些其他品牌的独立显卡。或许来源于在集成显卡设计上的经验，英特尔也推出过自己的独立显卡系列。同时，我国公司 摩尔线程 也率先推出了面向民用市场的国产显卡，具有比较优秀的理论性能。然而，由于市面上的游戏、软件大都主要针对英伟达和 AMD 显卡进行设计、优化，这些产品的实际体验目前还有许多的提升空间。

一般来说，对于笔记本电脑，轻薄本大都使用集成显卡；而游戏本大都装配有独立显卡。显然，这是由它们的使用场景和目标人群不同所决定的。不过，因为笔记本电脑内部空间相当有限，笔记本内即使装配了独立显卡，它们的性能也要比同级别的台式机独立显卡要差。同时，笔记本的独立显卡往往不是「插」而是「焊」在主板上的，我们几乎不可能对它们进行更换、升级，更无法给没有独立显卡的笔记本电脑「加装」一块独显⁴。

我们可以把 GPU 的任务理解成「根据 CPU 的命令，画出图形并输出到显示器上」。为了完成这个任务，GPU 拥有属于自己的「内存」，称为「显存」。GPU 使用显存空间来暂时存放它正在「绘制」的画面，同时还要存放大量与图形有关的其他内容。这使得显存的大小成为了决定（独立）显卡性能和价格的一个重要因素。目前，高端的独立显卡拥有 10 GB 甚至 20 GB 以上的显存，这使得它们得以从容应对各种复杂的游戏画面。而至于集成显卡，它们则需要从电脑内存中「借」一部分空间充当显存，因此更难以应付大量的图形工作。

值得注意的是，近些年来，随着人工智能（AI）技术的发展，GPU 的功能已经不再局限于「打游戏」「制图」等图形工作上了——在 AI 模型的训练和推理过程中，GPU 的并行计算能力能提供比处理器更好的性能，同时独立显卡的显存还能提供比电脑内存更快的访问速度。如果你了解过 AI 绘画或 AI 作曲等技术，在它们的说明文档中，你一定会看到对 GPU 的需求。若你对这方面有兴趣，那么 GPU 的性能，尤其是显存的大小，就成了你选购电脑时的重要考虑因素。

想了解和 AI 有关的更多知识？没问题！请看超越篇的 从加减乘除到 AI 对话。

在任务管理器中，我们同样可以看到有关显卡的信息：在【性能】页面左侧的列表末尾，【GPU 0】【GPU 1】等就表示着我们电脑上的一张张显卡。

与我们「打交道」的软件 #

软件与操作系统 #

由处理器、内存、硬盘以及各种各样的外围电子元件，共同构成了一台电脑的「硬件」部分。而在「硬件」之上，硬件的具体工作任务是由「软件」来完成的。

我们可以用每天都在用的手机来理解：手机上，无论是我们自己安装的「QQ」「微信」「网易云音乐」等 app，还是手机预置的「电话」「短信」等工具，都属于「软件」。「QQ」「微信」指导硬件去利用网络收发信息，利用屏幕展示数据；「网易云音乐」指导硬件去播放声音，同时在屏幕上展示评论；「电话」「短信」指导硬件利用无线电模块发送和接收信号……同样一部手机，硬件还是那个硬件，但能通过不同的软件行使不同的具体功能。

而在「QQ」「微信」「电话」等 app 和纯粹的硬件之间，有一个更大，而且更「底层」的软件，被称为「操作系统」。简单地说，操作系统「夹」在各软件和硬件之间，为软件具体行使功能提供了一系列方便的「接口」。有了操作系统，网易云音乐 app 不再需要真正地去想「怎么让喇叭发声」，而只需要考虑「怎么告诉操作系统让喇叭发声」。「让喇叭发声」是一个带一些物理复杂知识的过程，但「告诉操作系统让喇叭发声」则相对简单得多。

由于上层的软件（app）需要依赖操作系统来实现功能，而每个操作系统留给软件的接口细节上也有所不同，因此，针对不同操作系统开发的软件是不能直接通用的。App 厂商一般会为不同的操作系统开发同一款 app，这样就能照顾到使用不同系统的用户。

今天，主流的手机操作系统有「安卓」（Android）、「iOS」以及「鸿蒙」（Harmony OS）。安卓系统是开放的，因此被各个手机厂商广泛使用，而 iOS 和鸿蒙目前则分别用在苹果和华为的设备上。如果你在网上下载过手机 app，一定会注意到软件厂商根据操作系统提供不同的下载入口，这正是因为不同系统上的软件相互不兼容。

而在电脑上，「Windows」「Linux」及「macOS」是最常见的三种操作系统。Windows 最为普遍，几乎所有的个人电脑都运行着 Windows 系统。Linux 是一种开源的操作系统，主要在服务器上使用，一些专业人士也会在日常使用；macOS 则是苹果推出的电脑操作系统，理论上只能用于苹果的电脑。下图中，(a) 至 (c) 依次是 Windows 11、Linux（使用 GNOME 桌面环境）和 macOS Sonoma 的界面。

Windows 操作系统 #

我们绝大多数人都在使用 Windows 操作系统，《你缺计课》亦是一套基于 Windows 的电脑教程。所谓「Windows XP」「Windows 7」和「Windows 10」则是 Windows 操作系统的不同版本。

Windows 由美国的微软公司所开发，诞生于 1985 年。到今天（2024 年），Windows 已经经历了数个大版本的更新⁵。今天，除了苹果以外几乎所有品牌的个人电脑都运行着 Windows 系统。目前最新的 Windows 版本是 Windows 11（发布于 2021 年 10 月 5 日），它与 Windows 10 一同占领了大部分电脑。在有些地方，一些稍旧的计算机运行着「Windows 7」，而更老的 Windows 版本（如 Windows XP）目前已经鲜有使用。不同版本 Windows 系统之间会有操作细节、使用体验上的不同，不过往往最直观的不同是它们的「外观」。下图中，(a) 和 (b) 分别展示了 Windows 11 和 Windows 10 的界面。

通过右键桌面上的【此电脑】并点选【属性】，或打开系统设置，选择【系统】→【系统信息】（Windows 10 则是【关于】），你可以看到自己电脑 Windows 系统的版本。

本书假定读者使用的系统是 Windows 11 或者 Windows 10，其中所有的操作都是基于 Windows 11 或者 Windows 10 简体中文版系统来描述的。不过，本书所介绍的知识是通用的，如果你使用的是 Windows 7、Windows 8 或者 Windows 8.1，本书提到的多数操作你也能正常使用。一些明确仅能用于 Windows 10 和 / 或 Windows 11 的操作和技巧一般会特别标注。

练习 #

1. 通过任务管理器和【此电脑】→【属性】，查看自己电脑的 Windows 版本、CPU 型号和核心数、内存大小、硬盘大小和类型、显卡大小和类型。
2. 你使用的是游戏本还是轻薄本？亦或是介于二者之间的所谓「全能本」？尝试翻到笔记本的底面，上网搜索它底面所写的型号，了解关于你自己机器的更多信息。
3. 你对「电路」的认知有多少？你是否好奇 CPU 是怎么运作的？从开关、导线、电池、灯泡组成的最简单「电路」到几乎无所不能「电脑」之间到底发生了什么奇妙的变化？在本书超越篇的 「程序」是怎样炼成的 一章中，我们会简要向你进一步介绍这些问题。但限于《你缺计课》篇幅，我们是没法告诉你这些的。但是，你若有兴趣，可以去学习「电路电子技术」「计算机体系结构」「计算光刻」「纳米测量技术」等相关内容。近年来，国际形势风云变幻，我国在芯片领域仍然存在许多短板。我们希望越来越多的有志青年能投身于包括但不限于体系结构、硬件组成、数字电路乃至微电子、集成电路制造、半导体材料等领域，为我国芯片行业「补上短板」贡献自己的力量。