第十七篇 計算機組成原理

第十七篇 計算機組成原理

一、組成計算機的五大硬件

（1）計算機的硬件

• 組成計算機有五大組成部分：控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備。其中控制器和運算器組成了計算機的中央處理器（CPU）

（2）CPU

• CPU至關於計算機的大腦或者說是指揮系統，控制着整個機器的運轉，（==控制硬件==）
• CPU除了控制和指揮，它也在無時無刻的進行計算，主要進行==邏輯運算==（判斷）和==算術運算==（計算求值）

（3）內存（主存）

• 計算機中存儲器分爲內存和外存。可是不管是內存仍是外存，它們的存儲數據的格式都是由1和0組成，即高低電壓
• 計算機中一個存儲單位是一個字節，即1Bytes，1Bytes = 8bit，8bit表示8個二進制數

• 內存的做用：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，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

• 內存的優勢：存取速度較快

• 內存的缺點：

  • 一、容量小；
  • 二、斷電即消失（因爲內存是基於電來存儲數據的，所以當斷電時數據會立刻消失，即數據丟失）

（4）外存

• 外存的做用：外存是計算機==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、操做系統等佔用空間大的數據

• 外存的做用流程：當咱們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的信息。即CPU不與外存直接交互。常見的外存有磁帶、磁盤和U盤等

• 外存的優勢：
  • 一、容量大
  • 二、能夠永久存儲數據

• 外存的缺點：存取速度慢

（5）輸入設備

• 計算機中用於==輸入信息==（文字、圖片、視頻、軟件程序等等）的硬件設備
• 常見的輸入設備：鍵盤、鼠標、觸摸屏、掃描儀、光電筆等等

（6）輸出設備

• 計算機中用於==輸出信息==的硬件設備
• 常見的輸出設備：顯示器、打印機、繪圖儀......

（7）U盤：特殊存在，被稱爲IO設備。I（input）：輸入，O（output）：輸出

二、多核CPU

• 多核至關於計算機有多個大腦，能夠同時控制多個事件的處理，好比經常據說的4核CPU電腦，表示它能夠同時幹四件事
• X86-64：X86是CPU的一種型號，64位表示CPU每次能讀取64位二進制數的數據，即2^64^ Bytes。X86-32：表示CPU每次能讀取32位的二進制數的數據，即2^32^ Bytes
• 64位的電腦可以下載32位的軟件，而32位的電腦若是下載64位的軟件會丟失數據

三、硬盤的工做原理

（1）機械硬盤（HDD）

• 機械硬盤主要由機械手臂、磁道和扇區組成
• 機械手臂：機械硬盤是經過機械手臂讀取數據的，機械手臂的末端是磁頭
• 磁道：磁道是機械硬盤上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位512KB（也有每一個扇區爲4096Bytes大小的磁盤）。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==，這個塊便是咱們在Windows系統中==常見的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，這就須要很快的速度來達到很短的時間，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，須要尋找想要的數據，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開始一直掃描到尾部，這就會有一個延遲時間。以7200 r/min 的硬盤爲例，若是碰巧在硬盤頭部找到數據，時間約爲0ms，若是目標數據在硬盤尾部，時間則約爲8.3ms，所以咱們取平均值 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
  • 7200/60=120 (r/s)
  • 1/120=0.0083 (s/r)
  • 0.0083/2=0.00415 (s/r)
  • 0.00415 (s/r) = 4.15 (ms/r)
• 咱們能夠知道：機械硬盤找到數據的時間等於平均尋道時間與平均延遲時間的和

（2）固態硬盤（SSD）

• SSD是由電驅動的，它的內部組成是：主控--閃存--固件算法。SSD中的數據是以電荷的方式存儲在每一個NAND存儲單位元內

四、總線

• 總線：用於串連起計算機中的全部硬件設備

五、ROM和CMOS

• ROM存儲器：ROM是隻讀存儲器（不可寫），它在工廠中就被編程完畢，以後不再能被修改（能夠重刷BIOS）。它通常會存放BIOS（Basic input output system)程序，該程序通常用於啓動計算機，或者用於處理底層設備的控制
• CMOS存儲器（CMOS RAM，主存，直接與CPU交換數據的內存）：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，便是計算機沒電，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:/ ）

六、啓動計算機的流程

1.計算機開啓電源

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，系統則會要求用戶安裝設備驅動程序，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）

• 總結：1.讀取ROM芯片中的BIOS系統（充當臨時的操做系統）；2.BIOS找到CMOS中存儲操做系統的路徑以及硬件自檢程序；3.操做系統啓動，操做系統接管電腦

七、QQ軟件的運行

1.雙擊QQ圖標，CPU先向內存發出讀取QQ的指令（CPU --> 內存）

2.內存經過QQ圖標所連接的地址從硬盤中取出 「運行QQ」 的指令 （內存 -- 硬盤（」運行QQ「））

3.CPU中的控制器分析「運行QQ」的指令並告知運算器，運算器開始工做（內存("運行QQ") -- CPU（控制器-->運算器））

4.運算器進行一系列的算術運算和邏輯運算打開QQ，並從硬盤中讀取QQ的代碼至內存（CPU（運算器）+ 內存 + 硬盤）

5.計算機在內存中運行QQ的代碼（內存）

6.若是此時從好友接收一個文件並下載，該文件將會永久保存在硬盤中（硬盤）

7.關閉QQ是CPU向內存發出關閉QQ的指令，內存關閉QQ並清理內存中的QQ代碼（內存）