计算机基础概论:构筑数字社会的硬件基础与交互技术

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文章目录

    • 🎯 引言
    • 💻 什么是计算机?
    • 🌱 计算机的起源与发展
    • 🛠️ 电脑硬件的五大核心组件
      • 1. 中央处理器 (CPU) - 智慧的心脏
      • 2. 随机存取内存 (RAM) - 快速的记忆体
      • 3. 存储设备 (硬盘HDD & 固态硬盘SSD) - 数据的长期仓库
      • 4. 输入设备 (Input Devices) - 人机交互的桥梁
      • 5. 输出设备 (Output Devices) - 结果的展示窗口
    • 💼 中央处理器 (CPU) - 智慧核心
      • 📌 两大核心组件:运算与控制的完美协奏
      • 📌 多核技术:并行处理的新篇章
      • 📌 指令集架构:CPU的思维模式
        • 精简指令集 (RISC)
        • 复杂指令集 (CISC)
      • 📌 未来趋势:跨界融合,持续创新
      • 📌 查看CPU信息
    • 🎮 RAM - 计算机的瞬时加速器
      • 📌 快速记忆体:计算反应的瞬时加速
      • 📌 存储层次与易失性本质
      • 📌 助力运行时的数据与指令
      • 📌 读写速度与系统优化
      • 📌 优化策略与系统性能提升
    • 💽 存储设备 (硬盘HDD & 固态硬盘SSD) - 数据的长期仓库
      • 📌 硬盘驱动器 (HDD):传统技术的存储仓库
      • 📌 固态硬盘 (SSD):存储速度的革命
      • 📌 存储技术的权衡:容量、速度与成本
    • 🖥️ 输入设备 (Input Devices) - 人机交互的指挥棒
      • 📌 物理输入设备 (Physical Input Devices)
      • 📌 触控输入设备 (Touch Input Devices)
      • 📌 人体学输入设备 (Ergonomic Input Devices)
      • 📌 语音与生物识别输入 (Voice & Biometric Input)
    • 🎞️ 输出设备 (Output Devices) - 数字成果的展示台
      • 📌 视觉输出设备 (Visual Display Systems)
      • 📌 声音输出设备 (Audio Output Devices)
      • 📌 打印与实体媒介输出 (Printers & Physical Media Outputs)
    • 🌐 总结

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🎯 引言

在当前这个迅速演变的数字化时代,计算机技术以其核心地位驱动着社会的进步和创新。从处理日常信息、运行企业级应用,到促进尖端科学研究、实现全球即时通讯,乃至开拓虚拟现实的无限疆域,计算机已经成为推动全球变革的关键力量。本篇文章致力于为计算机科学的初学者构建一座知识桥梁,系统地介绍计算机的基本构成、工作原理及其在现代社会中的广泛应用,帮助读者迈出探索数字世界的第一步。无论您是学生、职业转换者还是对技术抱有浓厚兴趣的爱好者,这里都将提供一条清晰的学习路径,深入浅出地揭示计算机科学的奥秘。


💻 什么是计算机?

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「计算机」是一种高度复杂的电子装置,其核心能力在于接收外部数据(输入),通过一系列预定义的指令(程序)对其进行处理,最终产生结果或响应(输出)。这些过程自动化且高效,能够在极短的时间内完成大量计算和逻辑操作,远超人力所能及。计算机的形态随着技术的发展日新月异,从早期占地庞大的巨型机,演进到桌面电脑笔记本电脑,直至今日几乎人手一部的智能手机和平板电脑,它们虽然体积、形态和应用场景各不相同,但都秉承了计算机的基本设计理念——自动化的信息处理。无论是在科研计算工业控制日常生活沟通还是娱乐休闲,计算机都扮演着无可替代的角色,深刻影响着现代社会的每一个角落

应用领域
影响
控制
沟通
平台
科研计算
工业控制
日常生活
娱乐休闲
巨型机
桌面电脑
笔记本
智能手机/平板

🌱 计算机的起源与发展

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📌 古典计算工具的起源

计算机的历史可追溯至古代文明,其中算盘是最古老的计算辅助工具之一,约始于公元2世纪的中国,通过珠子的移动执行数学运算。17世纪,法国数学家布莱兹·帕斯卡发明了帕斯卡计算器,标志着初步的机械计算能力。

📌 从机械到电子的跨越

进入19世纪,工业革命的浪潮推动了计算技术的革新。查尔斯·巴贝奇设计的差分机分析机概念,不仅实现了更复杂的计算,也为现代计算机设计奠定了理论基础。

📌 电子计算机的诞生与演进

20世纪中叶,ENIAC(电子数字积分计算机)的出现标志着电子计算机时代的到来,它解决了复杂的数学问题。随后,埃德SAC(埃德瓦克存储自动计算器)实现了存储程序的概念,为计算机科学的进步铺平道路。到了70年代,Altair 8800的发布揭开了个人计算机时代的序幕。

📌 微型计算机与个人电脑普及

1980年代,IBM PC的推出树立了个人电脑的标准。微软的Windows操作系统和苹果的Mac OS的相继成功,推动了个人电脑在全球范围内的广泛使用,计算机逐渐成为日常生活和工作的必需品。

📌 数字化时代与信息技术的飞跃

进入21世纪,互联网的普及彻底改变了信息传播模式。智能手机平板电脑等移动设备的广泛使用,伴随着云计算大数据人工智能技术的快速发展,将人类带入了一个新的数字化时代。信息技术的这些进步,不仅极大地提升了生活和工作的效率,也促进了全球范围内信息的自由流通和知识共享。

📌 互联网的深度整合与影响

随着万维网的创立,互联网不仅成为信息检索的中心,也催生了社交媒体、电子商务等全新业态。搜索引擎社交媒体平台的兴起,重塑了人们获取信息、社交互动的方式,极大地缩短了全球距离。

📌 人工智能的崛起

21世纪初,人工智能机器学习技术取得了显著进展,从IBM Watson的智力竞赛胜利到AlphaGo击败围棋世界冠军,人工智能展现出前所未有的智能水平,正逐步渗透到医疗、教育、交通等众多领域,推动着社会的智能化转型。

📌 物联网与智慧城市

物联网技术的发展,使得物体间通过互联网相互连接,推动了智慧城市的建设。从智能交通管理到环境保护,物联网技术的应用提升了城市的运行效率和居民生活质量,展现了未来城市的发展方向。

📌 网络安全与隐私保护

随着数字化程度加深,网络安全和个人隐私保护成为重要议题。面对数据泄露、网络攻击等威胁,国际社会不断加强法律法规建设和技术防护,确保数字世界的健康与安全。

📌 量子计算的未来展望

量子计算作为计算科学的前沿领域,正探索计算能力的极限。利用量子比特的特殊性质,量子计算机有望在特定领域实现指数级的计算速度提升,对加密、药物研发等产生深远影响,预示着计算技术的下一次革命。

计算机的发展史,是一部人类智慧不断探索与创新的历史,它不仅记录了技术的演进,更映射出社会、经济、文化的深刻变迁。


🛠️ 电脑硬件的五大核心组件

计算机硬件是构成计算机系统的物理组件,这些组件相互协作,共同支撑起复杂的信息处理任务。以下是构成现代计算机系统的五大基本单元,它们是理解计算机工作原理的关键所在。

控制与运算
指令与数据读写
用户输入
处理结果
临时数据支持
长期数据存储
中央处理器 (CPU)
随机存取内存 (RAM)
存储设备 (HDD/SSD)
输入设备
输出设备

1. 中央处理器 (CPU) - 智慧的心脏

  • 中央处理器,被誉为计算机的大脑,是执行程序指令和数据处理的核心部件。它由两个主要部分构成:控制单元(CU)算术逻辑单元(ALU)控制单元 负责指令的解码和程序执行的顺序控制,相当于计算机的指挥官;而算术逻辑单元 则专注于执行实际的数学运算和逻辑判断,如加减乘除、比较和布尔运算等。随着多核处理器的普及,现代CPU能够同时处理多个任务,大幅提升了处理效率。

2. 随机存取内存 (RAM) - 快速的记忆体

  • 随机存取内存,简称RAM,是一种易失性存储器,它为计算机提供运行应用程序和操作系统所需的短期存储空间。RAM的特点是读写速度快,能够让CPU迅速存取数据,但断电后,其中存储的信息会丢失。这意味着RAM主要用于临时存储程序运行时的数据和指令,而非永久保存信息

3. 存储设备 (硬盘HDD & 固态硬盘SSD) - 数据的长期仓库

  • 硬盘驱动器 (HDD) 通过旋转磁盘和移动读写头来存储和检索数据,因其较大的容量和较低的成本,长期以来是主流的存储解决方案。然而,其读写速度较慢,且存在机械磨损风险。
  • 固态硬盘 (SSD) 使用闪存技术存储数据,没有移动部件,因此读写速度更快,响应时间更短,耐震性更强,但价格相对较高。SSD的普及大大提升了系统启动速度和数据传输效率,成为现代高性能计算机的首选存储媒介。

4. 输入设备 (Input Devices) - 人机交互的桥梁

  • 输入设备使用户能够与计算机进行交互,将外部世界的物理动作或信息转换为计算机可理解的电子信号。常见的输入设备包括键盘,用于文本输入;鼠标,用于屏幕指针的定位和点击操作;还有扫描仪麦克风摄像头等,分别用于捕捉图像、声音和视频信息,丰富了计算机的输入维度。

5. 输出设备 (Output Devices) - 结果的展示窗口

  • 输出设备负责将计算机处理的结果转换为人类可感知的形式,如视觉、听觉信息。显示器 是最常见的输出设备,通过像素矩阵显示图像和文本;打印机 将电子文档转化为纸质文件;扬声器 则将数字音频信号转换为声音,传递给用户。此外,还包括图形打印机、投影仪等,它们在不同场景下提供多样化、高质量的输出方式。

这五大硬件单元共同构成了计算机的硬件基础设施,每一部分都在计算机的运行中扮演着不可或缺的角色,共同支撑着信息时代的繁荣发展。


💼 中央处理器 (CPU) - 智慧核心

包括
特性
实现
基础
展望
中央处理器 CPU
智慧核心
两大核心组件
控制单元 CU
算术逻辑单元 ALU
多核技术
并行处理
指令集架构
精简指令集 RISC
复杂指令集 CISC
ARM架构
x86架构
未来趋势
跨界融合
持续创新

📌 两大核心组件:运算与控制的完美协奏

中央处理器,计算机的智慧中枢,肩负着解析指令与数据运算的双重使命。其精密结构精心构建于两大核心组件之上:

  • 控制单元 (CU):犹如计算机的指挥中枢,精准解析每条指令,精心调度执行序列,确保计算流程的顺畅与高效。
  • 算术逻辑单元 (ALU):专注于数学运算与逻辑判断的高速执行,无论是简单的算术运算,还是复杂的逻辑比较,皆在瞬息间完成,为数据处理提供强大动力。

📌 多核技术:并行处理的新篇章

多核技术的诞生,引领CPU设计进入了一个全新的时代。通过集成多个处理核心于同一芯片,现代CPU得以并行执行多任务,显著增强了处理效率,提升了系统响应速度,重新定义了计算性能的边界。

📌 指令集架构:CPU的思维模式

CPU指令集架构(ISA),作为其处理信息的逻辑基础,分化出了两大经典体系:

精简指令集 (RISC)
  • 设计理念:追求极简高效,通过精简指令集,加速指令执行,优化硬件结构,实现能效最大化。
  • 实践典范:ARM架构,以低功耗、高效能的卓越表现,成为移动设备、嵌入式系统及物联网领域的统治者。
复杂指令集 (CISC)
  • 设计目的:整合多功能于一体,单指令完成复杂数步操作,简化编程负担,提升开发效率。
  • 行业标准:x86架构,作为CISC的旗舰,凭借其繁复的指令集与成熟的软件生态系统,牢固占据桌面与服务器市场的核心位置。

📌 未来趋势:跨界融合,持续创新

随着时间的推移,CPU设计逐步跨越RISCCISC的传统界限,融合两者优势,优化指令集以提升能效比,展现出前所未有的灵活性,积极应对接踵而至的多元化计算挑战,不断拓宽技术的探索领域。

📌 查看CPU信息

在Mac上,你可以通过终端(Terminal)来查看CPU信息:

  1. 查看CPU型号:

    sysctl -n machdep.cpu.brand_string
    
  2. 查看物理核心数:

    sysctl -n hw.physicalcpu
    
  3. 查看逻辑核心数(包括超线程):

    sysctl -n hw.logicalcpu
    
  4. 实时监控CPU使用情况:
    可以使用top命令,或者安装更友好的工具如htop(通过Homebrew安装:brew install htop)。

在Windows命令提示符(CMD)或PowerShell中,你可以使用以下命令来查看CPU信息:

  1. 使用WMIC(Windows Management Instrumentation Command-line):

    wmic cpu get Name,CurrentClockSpeed,NumberOfCores,NumberOfLogicalProcessors
    

    这个命令会显示CPU名称、当前时钟速度(MHz)、物理核心数和逻辑处理器数。

  2. 查看CPU使用率:
    在命令提示符中,可以使用以下命令来查看当前CPU使用率(每秒更新一次):

    typeperf "\Processor(_Total)\% Processor Time" -sc 1
    

    或者在PowerShell中使用更现代的Get-WmiObjectGet-CimInstance命令,尽管这些可能需要一些额外的参数来格式化输出。

请注意,Windows的命令可能根据系统版本和配置有所不同,且WMIC在较新的Windows版本中已被逐步淘汰,推荐使用 PowerShell 的 Get-CimInstance 命令代替。


🎮 RAM - 计算机的瞬时加速器

构成
位于
临时存储
特点
对比
提升
RAM
快速记忆体
存储层次
易失性存储
运行时数据
程序指令
读写速度
非易失性存储对比
优化策略
多任务处理
系统响应

📌 快速记忆体:计算反应的瞬时加速

随机存取内存(RAM),作为计算机体系中的瞬时加速器,扮演着数据流动的高速通道角色。它构成了计算机存储层次中至关重要的易失性部分,专注于为运行中的程序和操作系统提供即时的数据存取服务。

📌 存储层次与易失性本质

RAM位于计算机存储层次的顶端,其特点是读写速度极快,能够近乎即时地响应CPU的数据请求。然而,这种高效能的背后是其易失性的代价——断电后,RAM中的所有信息将不复存在。这与硬盘等非易失性存储形成鲜明对比,突显了RAM作为临时数据缓存的独特定位。

📌 助力运行时的数据与指令

在计算机运行期间,RAM临时存储着应用程序运行时需要的数据和操作系统的指令。这种即时访问能力确保了程序执行的流畅性和响应速度,是多任务处理和复杂计算场景下系统表现优异的关键。

📌 读写速度与系统优化

RAM的读写速度远超硬盘等其他存储媒介,这一点对于减少系统延迟、提升整体性能至关重要。通过对比,我们可以清晰看到RAM在数据处理速度上的显著优势,这也解释了为何增加RAM容量和提升其效率成为系统优化的常见策略。

📌 优化策略与系统性能提升

鉴于RAM对系统性能的直接影响,计算机用户和专业人士不断探索优化路径,如增加RAM容量,以支持更高效的多任务处理和更大的数据集操作,从而减少“内存不足”情况的发生,确保系统响应更加迅速,多任务切换流畅无阻。

综上所述,RAM作为计算机的快速记忆体,不仅是加速运算反应、实现流畅用户体验的幕后英雄,也是推动现代计算技术不断前进、适应多元化计算需求的核心要素之一。


💽 存储设备 (硬盘HDD & 固态硬盘SSD) - 数据的长期仓库

SSD
HDD
SSD
闪存技术
高速读写
无机械磨损
高抗震性
高性能成本较高
显著提速系统
HDD
传统技术
容量与成本优势
速度较慢
物理旋转磁盘
存储设备

📌 硬盘驱动器 (HDD):传统技术的存储仓库

硬盘驱动器 (HDD),作为数据存储的传统支柱,依赖于旋转磁盘和一个或多个移动读写头来保存与检索信息。这一技术因其高容量和成本效益而在历史上占据了主导地位,为大量数据提供了经济实惠的存储方案。然而,HDD的物理运动部件不仅限制了其读写速度,还增加了潜在的机械磨损和故障风险,影响了数据存取的效率与可靠性。

📌 固态硬盘 (SSD):存储速度的革命

相比之下,固态硬盘 (SSD) 采用先进的闪存技术,摒弃了所有移动部件,实现了数据存储的质的飞跃。这一革新设计不仅极大提升了读写速度,缩短了系统启动与应用程序加载时间,还显著增强了抗震能力和整体耐用性,是现代高性能计算环境的理想选择。尽管初期成本高于HDD,但随着技术进步和生产规模的扩大,SSD的价格逐渐变得更加亲民,成为了越来越多用户升级系统、追求极致体验的首选。

📌 存储技术的权衡:容量、速度与成本

在选择存储解决方案时,用户需在存储容量、读写性能与成本之间做出权衡。HDD仍旧是寻求大容量存储预算有限用户的合理之选,而SSD则以其出色的读写速度和增强的系统响应性,满足了对性能有更高要求的应用场景。随着技术的不断演进,存储设备之间的界限正逐渐模糊,未来存储市场或将见证更多技术创新与融合,进一步推动数据存储技术的发展与应用。


🖥️ 输入设备 (Input Devices) - 人机交互的指挥棒

输入设备是用户与计算机交互的关键,负责捕捉用户的指令和信息,将其转化为计算机可理解的数据形式。这些设备跨越了物理动作、语音识别、图像捕捉等多个维度,确保了人机交互的流畅性与多样性。

物理输入设备
键盘
鼠标
触控输入设备
触摸屏
图形平板
人体学输入
游戏手柄
轨迹球
语音与生物识别
麦克风
指纹识别器

📌 物理输入设备 (Physical Input Devices)

  • 键盘 (Keyboards)
    作为最基础的文字与命令输入工具,键盘允许用户通过按键输入字符、执行命令和控制操作,适应从简单文档编写到高级编程的各种需求。其形态多样,包括机械键盘、薄膜键盘以及便携折叠式设计。

  • 鼠标 (Mice)
    鼠标使用户能够在二维平面上精确导航与选择,通过滚动、点击等操作与界面互动,对于图形界面操作至关重要。无线、有线、光电、激光等技术的演进,提升了其准确性和便捷性。

📌 触控输入设备 (Touch Input Devices)

  • 触摸屏 (Touch Screens)
    直观的触控操作已成为智能设备的标准配置,允许用户通过手指直接在屏幕上进行点选、滑动、缩放等手势操作,极大地简化了人机交互流程。

  • 图形平板 (Graphics Tablets)
    专为设计师、艺术家设计,通过压感笔捕捉细腻的手绘动作与力度,实现自然、精准的数字创作,尤其适合于精细绘图与艺术作品的数字化。

📌 人体学输入设备 (Ergonomic Input Devices)

  • 游戏手柄 (Game Controllers)
    为游戏体验而设计,具备方向键、操作按钮和模拟摇杆,提供更丰富的控制方式,增强游戏互动性与沉浸感。

  • 轨迹球 (Trackballs)
    作为一种替代鼠标的设计,轨迹球通过旋转球体来移动光标,减少手腕移动,适合长时间使用和有限桌面空间的场景。

📌 语音与生物识别输入 (Voice & Biometric Input)

  • 麦克风 (Microphones)
    语音输入的关键组件,用于捕捉用户语音指令,支持语音识别软件、在线会议、语音聊天等功能,随着人工智能技术的发展,语音控制成为越来越普遍的交互方式。

  • 指纹识别器 (Fingerprint Scanners)
    生物特征识别技术的应用之一,通过扫描并匹配用户的指纹信息进行身份验证,提供快速且安全的登录方式,广泛应用于移动设备和安全系统。

用户在选择输入设备时,应考虑其使用习惯、效率需求、特定应用兼容性及个人舒适度,以确保高效且舒适的交互体验。随着技术的不断进步,输入设备正不断向更高的灵敏度、更好的人体工程学设计以及更加智能化的方向发展。


🎞️ 输出设备 (Output Devices) - 数字成果的展示台

视觉输出设备
显示器
投影系统
声音输出设备
扬声器 & 音响系统
耳机
打印与实体媒介输出
打印机
3D打印机

输出设备是计算机与用户沟通的桥梁,负责将内部处理完成的信息转化为人类可直观识别的各种形式,实现数字世界到现实感官的转换。这一领域包括但不限于视觉、听觉及实体媒介的输出,确保丰富多彩的信息交流体验。

📌 视觉输出设备 (Visual Display Systems)

  • 显示器 (Monitors)
    作为视觉信息的主要展示载体,显示器将二进制信号转换为明亮清晰的图像与文字,支持用户进行浏览、编辑和娱乐互动。技术迭代自CRT至LCD、LED,乃至最新一代的OLED和量子点技术,不断提升分辨率、色彩饱和度与响应速度。

  • 投影系统 (Projectors)
    适用于教育讲座、商务演示及家庭影院场景,投影仪通过放大图像投射至幕布或墙面,实现大屏共享,强化视觉冲击力与沉浸感。

📌 声音输出设备 (Audio Output Devices)

  • 扬声器 (Speakers) & 音响系统
    将计算机处理的音频数据还原为真实世界的声波,从内置微型扬声器到外部环绕立体声音响,覆盖了从个人享受至公共广播的广泛需求,营造沉浸式听觉环境。

  • 耳机 (Headphones/Earphones)
    提供私人听觉空间,隔离外界噪音,无论是沉浸式游戏体验、高质量音乐欣赏还是网络会议沟通,耳机都是不可或缺的个人音频输出设备,其中主动降噪技术的引入进一步提升了使用体验。

📌 打印与实体媒介输出 (Printers & Physical Media Outputs)

  • 打印机 (Printers)
    将电子文档、图片等数据转化为纸质文件,从黑白激光到彩色喷墨,乃至3D打印技术,满足文档留存、设计打样、实物制造等多样化需求。

  • 3D打印机 (3D Printers)
    开创了实体创造的新纪元,将数字模型直接转化为实体物品,广泛应用于原型制作、个性化定制、教育实验及制造业创新,展现了数字化制造的无限可能。

在选择输出设备时,用户需依据具体应用场景、预算与质量要求综合考虑,以达到最佳的信息展示效果。随着技术的飞速发展,输出设备正朝着更高精度、更广色域、更快响应速度及更智能化的方向不断演进,持续拓展信息输出的边界。


🌐 总结

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计算机技术的迅猛发展,不仅塑造了现代社会的信息化框架,还不断推动着人类生活的变革。从中央处理器(CPU) 的智慧核心——处理信息的高速引擎,到随机存取内存(RAM) 的瞬时加速,确保了数据的流畅交换;从存储设备(HDD/SSD) 的数据仓库,保障信息的安全存储与高效访问,到输入设备 的多样化设计,搭建起用户与机器沟通的桥梁;再到输出设备 的多彩展示,将数字世界生动呈现给用户。这一系列硬件组件的协同工作,织就了信息技术的壮丽图景,让计算无处不在,服务于社会的每一个角落。

通过回顾计算机硬件的五大核心组件,我们见证了技术从简单到复杂,从单一到多元的演化历程。CPU 的多核并行处理、RAM 的高效瞬时响应、存储设备 的高速与大容量并重、以及输入输出设备 的人性化与智能化趋势,无一不揭示了科技进步对提升人类生活质量、促进信息交流、激发创新潜能的巨大价值。

展望未来,计算机技术将继续在量子计算、人工智能、物联网、以及更高级别的数据安全与隐私保护等领域突破,开启智能互联的新纪元。掌握计算机硬件的基础知识,即是掌握了开启未来数字大门的钥匙,为我们探索未知、创造更多可能奠定了基石。

总之,计算机不仅是工具,更是推动时代前行的力量。了解其内在构造,就是理解我们如何一步步构建起今天这个信息无界、智能融合的世界。未来的计算之旅,期待每个人都能成为积极参与者与创新者,共同书写数字时代的新篇章。


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一文了解 - GPS/DR组合定位技术

GPS Global Position System 全球定位系统这个大家都很熟悉&#xff0c; 不做太多介绍。 DR Dead Reckoning 车辆推算定位法&#xff0c; 一种常用的辅助的车辆定位技术。 DR系统的优点&#xff1a; 不需要发射和接收信号&#xff1b; 不受电磁波干扰。 DR系统的缺点&#x…