計算機組成原理

計算機組成原理

計算機分爲五大組成部分，分別爲：控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備。其中控制器+運算器是計算機的中央處理器（CPU），至關於人類的大腦。

1、控制器

計算機的指揮系統。大腦指揮全身的器官運做，可是大腦不會隨意的指揮身體行動，大腦只有在接受指令後纔會控制身體行動（若是你患有急性注意缺陷多動障礙（多動症），你能夠找Doctor Nick）。

2、運算器

運算器是計算機的運算系統。大腦除了指揮，無時無刻還在運算。即實現算術運算和邏輯運算。

3、控制器+運算器(計算機的中央處理器CPU)

吃飯流程示例。

1. 當你吃飯的時候，大腦會接受吃飯的指令，以後把指令翻譯成你身體須要進行的動做（控制器）
2. 若是吃的是西餐，則使用勺子；若是吃的是中餐，則使用筷子（運算器）。

4、存儲器

計算機的存儲系統。須要注意的是：不管是內存仍是外存，計算機存儲的數據格式都是01，01的形式，0和1由電壓的電頻控制（瞭解知識點）。計算機的存儲的一個二進制單位稱爲1bit，8bit=1Bytes稱爲一個字節，1024Bytes=1KB，1024KB=1MB，1024MB=1GB，1024GB=1TB，1024TB=1PB。

下圖展現了目前市面上經常使用的存儲器，從圖中能夠看出存儲器的速度、容量和價格是相互矛盾的。

4.1內存

內存是計算機內臨時存儲數據的硬件設備。因爲內存讀取數據速度較快內存，CPU下達的指令會直接傳輸給內存，即CPU會與內存直接交互。常見的內存有內存條。

1. 優勢（較於外存）：
   1. 存取速度快。
2. 缺點（較於外存）：
   1. 容量小。
   2. 因爲內存基於電存儲數據，所以斷電數據立刻會消失。

4.2外存

外存是計算機內永久存儲數據的硬件設備，因爲外存容量大，因此外存主要用於存儲軟件等佔用量大的數據。當須要使用外存上的某個軟件時，CPU下達的指令須要傳輸給內存後，內存再從外存中讀取軟件信息，即CPU不與外存直接交互。常見的外存有磁帶、磁盤和u盤等。

1. 優勢（較於內存）：
   1. 容量大
   2. 能夠永久存儲數據。
2. 缺點（較於內存）：
   1. 存取速度慢。

5、CPU+內存+外存(計算機的三大核心組件)

電腦打開QQ流程示例。

1. 雙擊QQ圖標，CPU先向內存發出取指的命令（CPU+內存）
2. 內存從硬盤中取出 運行QQ 的指令（硬盤）
3. 控制器分析 運行QQ 的指令並告知運算器工做（控制器）
4. 運算器進行一系列的算術運算和邏輯運算打開QQ，並從硬盤從讀取QQ的代碼至內存（運算器+內存+硬盤）
5. 計算機在內存中運行QQ的代碼（內存）
6. 若是此時從QQ好友接受一個文件並下載，該文件將會永久保存在硬盤中（硬盤）
7. 關閉QQ時CPU向內存發出關閉QQ的指令，內存關閉QQ並清理內存中QQ的代碼（內存）

6、輸入設備

計算機輸入信息（程序、數據、聲音、文字、圖形、圖像等）的設備。

常見的輸入設備有：鍵盤、鼠標、圖形掃描儀、觸摸屏、條形碼輸入器、光筆等。外存儲器（U盤等）也是一種輸入設備。

7、輸出設備

計算機輸出信息的設備。

常見的輸出設備有：顯示器、打印機和繪圖儀等。外存儲器也是一種輸出設備。

注意：因爲外存儲器便是一種輸入設備，也是一種輸出設備，所以外存儲器也被稱爲IO設備，其中I爲Input（輸入）；O爲Output（輸出）。

8、計算機五大組成部分補充

補充部分做爲選看部分，主要是爲了介紹計算機的啓動流程

8.1CPU相關

多核CPU：多個CPU，電腦能夠同時幹多件事，如4核CPU的電腦能夠同時幹四件事。

X86-64位：X86是CPU的一種型號，64表示CPU每次能取64位二進制數。X86-32表示CPU每次取32位二進制數。CPU具備向下兼容性，即64位電腦能下載32位的軟件，而32位的軟件下載64位的軟件會丟失數據。

8.2存儲器相關(瞭解)

ROM存儲器：ROM只讀存儲器（不可寫）在工廠中就被編程完畢，而後不再能修改。它通常存放BIOS（Basic input output system）程序，該程序通常用於啓動計算機，或用於處理底層設備的控制。

CMOS存儲器：CMOS存儲器由一塊電腦內置的電池驅動供電，它通常用來保持當前時間和日期的更新，也就是說，即便計算機沒有充電，時間也會持續更新；同時它也能夠存儲啓動磁盤的路徑。（裝機的時候通常會告訴計算機操做系統在計算機中的位置，如C:/）

8.3總線

總線至關於人類的神經、血管，鏈接計算機的全部硬件設備。

8.4啓動計算機的流程(瞭解)

1. 計算機加電。
2. BIOS開始運行，檢測硬件：CPU、內存、硬盤燈。
3. BIOS讀取CMOS存儲器中的參數，選擇啓動設備等。
4. 從啓動設備上讀取第一個扇區的內容。
5. 根據分區信息讀入bootloader啓動裝載模塊，啓動操做系統。
6. 操做系統詢問BIOS，得到配置信息。對於每種設備，系統會檢查其設備驅動是否存在，若是沒有，系統則會要求用戶按照設備驅動程序，一旦有了所有的設備驅動程序，操做系統則會將它們調入內核，而後初始有關的表格（如進程表）。

8.5硬盤工做原理

現在市場上的硬盤分爲機械硬盤和固態硬盤兩大類，咱們將從這兩大類出發和同窗們介紹硬盤的工做原理

8.6機械硬盤

機械硬盤主要由機械手臂、磁道和扇區組成，接下來咱們將從這三個方面展開介紹機械硬盤的工做原理。

• 機械手臂：機械硬盤經過機械手臂讀取數據，機械手臂的末端是磁頭。
• 磁道：磁道是機械硬盤的磁面中的一個一個圈，磁道用於存儲數據。
• 扇區：扇區的最小單位一般爲512KB（因爲磁盤大小不斷增大，也有部分廠商設定每一個扇區的大小是4096字節）。爲了減少IO操做，機械硬盤也會將多個相鄰的扇區組合在一塊兒，造成一個塊，這個塊便就是咱們在Windows系統中看到的C、D分區。
• 平均尋道時間：因爲數據存放在磁道上，所以機械手臂須要讀取數據首先要找到磁道。受限於工業水平的限制，目前機械手臂找到磁道的時間爲5ms，這個時間被稱爲平均尋道時間。
• 平均延遲時間：機械手臂尋道以後，須要尋找數據。因爲數據的位置是不肯定的，而目前的機械硬盤尋找數據會從硬盤的頭部掃描到尾部。以7200r/min的硬盤爲例，若是碰巧在硬盤頭部找到數據，時間約爲0ms；若是在硬盤尾部找到數據，時間約爲8.3ms，所以咱們採用一個平均時間4.15ms做爲機械手臂在磁道找到數據的時間，這個時間被稱爲平均延遲時間。

\[ 平均延遲時間：\\ 7200/60=120(r/s)\\ 1/120=0.0083(s/r)=8.3(ms/r)\\ 8.3/2=4.15(ms/r)(1)(2)(3)(4) \]

從上述描述能夠得出：

​ 尋找數據的時間=平均尋道時間+平均延遲時間

8.7固態硬盤

隨着人們對數據需求增多，存儲系統的瓶頸愈來愈明顯。而在嵌入式領域移動設備和工業自動化控制等惡劣環境下，傳統硬盤機械結構已經沒法知足要求，而全部這一切隨着固態存儲（SSD）的到來而發生了改變。

傳統的機械硬盤（HDD）運行主要是靠機械驅動頭，包括馬達、盤片、磁頭搖臂等必需的機械部件，它必須在快速旋轉的磁盤上移動至訪問位置，至少95%的時間都消耗在機械部件的動做上。SSD卻不一樣機械構造，無需移動的部件，主要由主控與閃存芯片組成的SSD能夠以更快速度和準確性訪問驅動器到任何位置。傳統機械硬盤必須得依靠主軸主機、磁頭和磁頭臂來找到位置，而SSD用集成的電路代替了物理旋轉磁盤，訪問數據的時間及延遲遠遠超過了機械硬盤。SSD有如此的「神速」，徹底得益於內部的組成部件：主控--閃存--固件算法。SSD經過這套組成部件，讓數據以電荷的方式存儲在每一個NAND存儲單元內。

上面講了這麼多，牢記一點：固態硬盤是基於固態電子（SSD，斷電數據也會保留）和算法實現數據存儲的。