心率是指心脏跳动的频率,即心脏每分钟跳动的次数。人平静时平均每分钟 60 到 100 次,运动(恋爱)时心跳会加速,心肺功能越好的人心跳越慢。那么计算机有心率吗?如果有,计算机的心脏又是什么呢?
开始阅读前,假设你已经了解基本电路符号和电磁铁的工作原理。如果你不清楚这些的话,可以先阅读 这篇文章 中电磁铁与继电器的相关内容。
电子蜂鸣器(buzzer)
电可以让物体运动,这个道理人人都懂。只要稍微扫视一下我们的房间就会发现:很多电器中都装了电动机,比如钟表、电扇、吹风机、计算机。电同样可以使扩音器中的磁芯振动,正因如此我们的音响设备、电视机才能够产生声音,播放语音和音乐。有一类设备或许能很清晰地阐释电能驱使物体运动的最简单也最具代表性的方式,然而由于这类设备正在被能够实现同样功能的电子器件逐步取代,它们正在迅速地消失。在我看来,最令人赞叹的例子应该算是电子蜂鸣器和电铃了。
将继电器、电池、开关按如下形式连接。
如果你认为这个系统看起来有点古怪,说明你还没有发挥出想象力。或许以前我们没见过采用这种连接方式的继电器,因为我们通常所见过的继电器,其输入和输出是在两个回路当中的,而这里却构成了一个回路。当开关闭合后,电路就连通了。连通的电路使得电磁铁把金属簧片拉了下来。
当金属簧片的位置变化时,电路不再连通,电磁铁不再具有磁性,金属簧片又弹回原位。
实在脑补不出来同学的可以参考下图:如此一来,电路又一次连通了。从整个过程来看:开关一旦闭合,金属簧片就会上下跳动——电路也会随之连通或断开——声音也就会随之发出。如果金属簧片发出了一种刺耳的声音,这套系统就成为了一个蜂鸣器。如果金属簧片前端是一把小锤子,旁边只要放上一个锣,就构成了一个电铃。大家可以自行脑补一下。
振荡器(oscillator)
其实上面的电路还有另一种接法,下面的示意图中包含了一个标准电压符号和一个接地符号。
看到这幅图你或许立刻想起了非门(或者称反向器),因此电路可以简化为如下图所示。
反向器,顾名思义,当它的输入是 0 的时候,它的输出就为 1;而当其输入为 1 时,输出就为 0。电路中的开关一旦闭合,反向器中的继电器就会在连通与断开这两种状态之间反复交替。你也可以将电路中的开关省去,这样就可以使反向器连续地工作,如下所示。
这幅图似乎在表达着一种矛盾的逻辑,反向器的输出与其输入是相反的,但是在这里,输出同时又是输入!
然而,我们要牢牢记住,反向器在本质上就是一个继电器,而继电器将状态取反以得到另一个状态是需要一点点时间的。所以,即使输入和输出是相同的,输出也会很快地改变,成为输入的相反状态(当然,输出随即也会很快改变输入,如此反复)。
这个电路的输出到底是什么呢?其实就是要么提供电压,要么不提供电压,在两者之间切换。我们也可以用这种方式来表达——输出结果要么是 0, 要么是 1。我们把这种电路称为振荡器(oscillator) , 它和我们先前学到的所有东西存在本质上的区别。在此之前我们讲过的所有的电路,其状态的改变都依靠人为的干预(拨动开关)。但是振荡器却在不需要人干涉的情况下,可以完全自发地工作。
当然,单独的一个振荡器用处并不大。但是,在与其他电路连接后所组成的自动控制系统中,振荡器有着举足轻重的作用。为了使不同组件同步工作,所有计算机都配备着某种振荡器。
频率(frequency)
当采用 0 和 1 的交替序列来表示振荡器的输出时,我们一般使用下面这样的图来形象地描述输出。
我们可以通过这幅图来充分地了解电路的输出,水平坐标代表时间,垂直坐标用来表示输出是 0 还是 1。
这幅图表示随着时间的推移,振荡器的输出在 0 和 1 之间按照固有的规律交替变化。正因为这一点,振荡器又经常被称为时钟(clock)——通过振荡进行计数也是一种计时方式。
振荡器运行速度究竟有多快呢?换句话说,金属簧片多久会振动一次?或者每秒钟振动多少次呢?这很大程度上依赖于继电器的内部构造。你容易想到,一个又大又重的继电器只能缓慢地上下摆动;而一个又小又轻的继电器却可以高速地跳动。振荡器从某个初始状态开始,经过一段时间又回到先前初始状态的这一段间隔定义为振荡器的一个循环(cycle),或者称为一个周期,如下图所示。
一个循环所占用的时间就是该振荡器的周期(period)。假设我们使用的振荡器的周期恰好是 0.05s,任取一个时间点,将其设置为起始状态点,我们把它标注为零点,就可以在水平轴上标出相应的时间。
周期的倒数就是振荡器的频率(frequency)。在这个例子中振荡器的周期是 0.05s,那么其频率就是 1➗0.05s,即振荡器每秒钟产生 20 次循环,而相应的输出每秒钟也变化 20次。
每秒钟的循环次数与每小时穿越的公里数、每立方米水的重量、每份食物的卡路里数等概念一样都是很容易理解的,但这种描述方法已不常用。为了纪念发送和接收无线电波的第一人——亨利希·鲁道夫·赫兹(1857-1894), 后人使用『赫兹』这个词来表示这一概念。这种用法起源于 20 世纪 20 年代的德国,几十年之后逐渐被其他国家所广泛采纳。这样,上述振荡器的频率就是 20 赫兹,记做 20Hz。
计算机的心率
现在你应该清楚电脑主频这个参数的作用了吧。那么问题来了,现代计算机的振荡器还是由继电器构成的吗?是不是主频越高就意味着电脑的处理速度就越快呢?