在做物联网树莓派的过程中，我们经常会直接和硬件打交道，而树莓派本身就是一台小电脑，这不可避免需要我们非常了解电脑的软硬件本质工作原理，才能更好的编写针对硬件的程序。在读书期间，对于课余时间我一直在思考电脑的工作原理，那些时候的理解，就算十年右后我也觉着很有用处。如今这些知识在脑海里不停与新的技术发展进行交织，才在脑海里形成了当下的知识网络体系，在和朋友进行技术交流的过程中，也会经常会用这些知识网络作为基础进行沟通，发现明白电脑是如何工作的，会对编写程序的人员有很大的帮助，因此有了现在写这篇文章的冲动

一.计算机的整体组成概述

了解电脑是怎么工作的，首先要了解，电脑是有哪些部分组成的。从大的方面，电脑是由软件和硬件组成的。

从硬件角度来讲，计算机组成原理课程上，我们知道电脑的几大组成部分：cpu，存储（寄存器，内存（rom,ram），硬盘,光盘，软盘，闪存等），适配器（显卡，网卡），输入设备（键盘，鼠标，耳麦），输出设备（显示器，耳机，音响），外设（如块设备 打印机等），主板，电源。这几大部分组成了电脑本身。

从软件角度来讲，电脑是操作系统，驱动程序，应用程序所组成。

软件和硬件的关系，其实就好像人的身体和人的灵魂之间的关系。当人睡觉了的时候，就好像电脑上面的程序停止工作了一样。当电脑没有安装操作系统的时候，就好像人没有灵魂一样，是无法工作的，这种还没有安装操作系统的电脑，我们通常称之为 裸机。只有在硬件上安装好操作系统之后，电脑整体才能启动运行，我们常说的安装操作 系统，就是说的这回事。

树莓派也是一台电脑，只是比电脑多个一个叫GUOP的引脚，这个引脚既有输入，也要输出，可以归到I/O部件。

二.计算机的详细概述

下面分开从硬件层面和软件层面来讲具体的组成部分

1.从硬件方面来讲，我们知道，计算机的组成分为 cpu，存储（寄存器，内存（rom,ram），硬盘,光盘，软盘，闪存等），适配器（显卡，网卡），I/O设备 输入设备（键盘，鼠标，耳麦），输出设备（显示器，耳机，音响），外设（如块设备 打印机等），主板，电源。那这几部分分别是干嘛的呢？

首先来讲，电源。我这里没有从cpu开始讲起，因为cpu与电源有着千丝万缕的联系。我们知道，我们国家的家庭用电标准是22v交流电。电脑作为一个人们直接接触的电子器件，如果电脑的工作环境电压太高，一旦漏电就会造成严重的安全隐患。因此我们的电脑直接运行的电压环境不能超过人体的安全电压（非持续接触36v，持续接触24v）,而且电脑是工作在高频脉冲下的（如cpu现在pc在3.0Ghz以上），而且普通家庭供电是交流电（50-60hz），差了好几个数量级，那么就需要把这个家庭用电转换成电脑可以使用的安全用电。这里就需要用到一个电源的部件：电源适配器。如果你有笔记本电脑，可以看下电源适配器上面的参数：输入100v-240v-1.6A 50~60HZ。输出：19.5v-3.34A.这个电源适配器就会把交流电转换成直流电源，再经过主板等各个部件进行频率转换进行使用。

讲到这里，我想很多人会有个疑问：cpu有个主频，显卡有个主频，网卡也有个主频。而且还都不一样，那电源是直流电，为何不同部件又有不同的主频呢？这里就需要讲到一个叫晶振的部件。简单来讲，主板，显卡，网卡，cpu都要一个独自的晶振。晶振的作用就是把直流电，根据时间来进行转换成脉冲。脉冲是一段电流的持续。脉冲一般是周期性规律的。比如1ms一个脉冲，那么1s就有1000/1=1000个脉冲，一秒有几个脉冲，就说明主频是多少。反过来讲，1ghZ,就说明1s能发送1G=1000*1000*1000个脉冲。一个脉冲的电流持续长度也就等于1000000000分之一秒。

脉冲就好像脉搏，脉搏一次泵血供人体使用，而脉冲供的是电流。

那么脉冲这一股周期性的电流，是怎么驱动电脑运行的呢？这里就讲到cpu。

cpu我们知道是电脑的大脑。电脑的运行速度也是由cpu来决定的。但是为什么呢？这里不得不讲cpu的核心组成：加法器。我们都听说过，电脑识别的数据是二进制数据，要么0，要么1.之所以这样是因为电气属性导致的，就是电流要么有电流，要么没电流。在不同的硬件设计上，既可以把有电流设计为1，无电流为0,也可以把无电流设计为1，有电流设计为0.那这个有无电流，说白了就是一个脉冲（脉冲简单理解为一半有电流的时间，一半无电流的时间）。电脑所有的计算，软件的高级指令都会转变为汇编程序的指令，而汇编程序的指令最终都会转换为硬件指令集的指令（如复杂指令集的指令或者精简指令集中的指令），而这些硬件指令集中的指令最终会转换成加减乘除四种数学运算（为何说计算机是数学的一个分支），而加减乘除计算最终会转换成加运算和乘运算（逆运算）。而加法和乘法这两种运算最终才对应硬件cpu中乘法器和加法器，而乘法器也是由加法器进行组合而成的。所以电脑最终可以认为计算机中所有的运算就是加法器的加法运算。那加法运算我们大家都非常清楚，一个加数，一个被加数，一个运算符号，一个等号一个结果，就构成了加法运算。那cpu是怎么进行一次运算的呢？多久进行一次运算的呢？这个就是有脉冲决定的。当电流经过cpu中的晶振将电流转变成脉冲的时候，每一秒就会有主频个脉冲，而一个脉冲就会驱动cpu执行一次加法操作。cpu就是这样在脉冲电流的驱动下，一步步执行程序的。

前面说到，cpu加法器有加数，被加数和运算符，结果几个部分。那一次加法运算从哪里去取加数和别加数呢？我们很容易想到，肯定是从存储器中，因为数据都存在硬盘中的。是的，最终来源确实是从硬盘中读取的。但是我们刚说到，cpu的主频非常高，而硬盘，我们如果留意的话，机械硬盘是7200转，或者5200转，换算成数据，就是一秒读79-90mB字节（注意单位，一个字节(B)=8比特位（b）），而且我们计算机现在都是32位或者64位计算机，这个位数说的是一次可以执行的加数或者被加数的位数，以64位加法为例，那么就相当于cpu一秒可以执行的操作需要一个64位=64/8=8字节 被加数8字节 运算符 8字节 =24字节的数据。那么cpu相当于一秒需要的数据在1000*1000*1000*64个字节上，才能达到100%运行。而硬盘一秒就能提供100MB的数据，显然不够cpu用的，因此，在硬盘和cpu中间增加了一个临时存储数据的中间设备，这个设备价格比硬盘高。但是存取速度快。所以我们有了内存或者说手机中或者树莓派中的运行内存的部件。这个部件，有个特点，就是断电丢失，不会和硬盘一样，断电也能保存数据，内存是断电后数据就丢失了。这就是为什么我们需要保存文件操作，这个保存文件的本质，就是把内存中的文件，保存到硬盘（持久化存储设备）中去。

正是由于计算设备cpu与永久存储设备硬盘之间的主频之间的差异，才导致了内存的使用。有人会有疑问了，那为什么不直接使用内存做永久存储呢？答案是内存分成两部分，一部分是很贵的永久存储叫ram，另一部分是不怎么贵的断电丢失的存储部分，叫rom。主要考虑因素，就是经济问题，消费类的，就是要便宜。

但是实际上，内存的速度与cpu的运算速度也有差异，所以cpu内部又增加了一个缓存设备，来缓冲内存和cpu之间的主频速度差异。

类似的原理，显卡或者其他设备，都有类似的情形，这就是缓存的原理和本质。

我们经常说挖矿用显卡，也就是gpu，而不是cpu进行挖矿，为什么呢？因为显卡处理的是图像显示数据，这类数据有个特点，一大块一大块的。因此，显卡的设计上，一次读取的加数和被加数的位数很多，不是32位，也不是64位，因此说显卡计算能力更强，尤其在处理人工智能方面，另外显卡中的存储也很大，也是个优势。