計算機系統004 - 硬件組件概況

有一段時間沒有更新，一來最近事務繁忙，二來也從新整理了下硬件及操做系統相關知識，以便造成部分後續章節內容概要，避免凌亂。但願遲來的更新對你們依然有所幫助，一樣，若有疑慮，歡迎提出以便及時修正。

上一篇計算機系統003 - 硬件體系從問題描述的角度着手，講解了一個天然語言的問題最終如何描述爲機器語言的指令以便可以順利執行。其中提到現今最爲流行的馮·諾依曼體系由五大組件組成，分別爲輸入單元、內存單元、處理單元、控制單元和輸出單元。

本篇假設讀者對計算機只是瞭解有限，將比較細緻地歸納計算機中主要單元的外觀及特性，所以溼貨較多，便於造成印象，如已有基礎，可選擇略過本篇內容。

1. 從主板看起

平常生活中，咱們能看到的計算機設備一般以下圖所示（筆記本電腦以及平板電腦可類比）。

從外觀來看，輸入/輸出單元很直觀，但內存、處理以及控制單元卻沒法直接看到，爲了進一步瞭解相關知識，不得不掀開機箱（所謂System Unit）的蓋頭來。

雖然上圖有一些英文標識，但略做整理，也應該能大體看懂：

• 電源和風扇（Power supply and fan & Fan）
  本系列文章的第一篇中就介紹了電學相關知識，電路交換中須要電流、電壓（電勢差）等條件。計算機硬件設備中雖然存在電子，但要造成電流就必須藉助外界設備，而這種設備就是電源。

我國電壓標準是220V 50Hz交流電，而計算機設備內部採用的是高密度集成電路等器件，不可能承受220V的高壓，所以使用前還須要降壓。降壓的原理前面也提過，兩邊的線圈自己存在必定電阻，有電阻就會產生熱能，所以須要風扇參與降溫，保證電源供電的穩定性，從而提供計算機設備器件穩健運行的基礎。

• 光盤驅動(Optical drive)
  一開始，電腦間並未組建網絡，如需分享文件或其餘資料（如操做系統、程序等）只能手動拷貝，常見設備爲1440KB的軟盤。
  

  

慢慢地，出現了局域網，但不管網絡規模仍是速度都極大限制了資訊的傳播，而隨着對電腦依賴程度增長，所需分享的資料反而愈來愈大，好在出現了新的存儲技術CD-ROM，以及更進一步的DVD，存儲介質俗稱光盤。

而光驅就是爲了可以讀取光盤才存在的，有了光驅，在未接通網絡或網絡不佳的電腦上也可以安裝大數據（4GB之內）的資料，但出現4GB以上軟件時，則不得不分割文件後使用多個盤片分別存儲，讀入電腦後從新拼接。

• 硬盤驅動（Hard disk drive）
  如上節所述，一方面有的光盤爲只讀屬性，另外一方面如需拷貝光盤數據後重組，則至少須要一個目標存儲器來存儲光盤中數據，這個任務就交給了硬盤。

若是你要問我爲何叫作硬盤，那能夠看看下圖，從盤片的顏色應該就能知道硬盤的硬，並不是浪得虛名。

• 接口及擴展插槽（Connectors & Expansion slots)
  以前咱們從電腦總體外觀看到有號稱爲輸入輸出設備的鼠標、鍵盤、音箱等，它們不可能剛好和機箱甚至主板一塊兒由一家制造，爲了保證各家制造的設備都可以兼容主板，所以你們指定了一些接口規範。
  

  

只有遵循遊戲規則，才能找到願意一塊兒玩耍的朋友，硬件廠商們也是同樣，誰都想壟斷市場制定標準，但誰也不可能單獨完成，所以只好各自博弈，創造出一套遊戲規則，保持正常運轉。

這些接口及擴展插槽主要用於支持輸入輸出設備，鍵盤也好，鼠標也罷，都經過各自線纜鏈接到接口上，開始協做。

• 主板（Motherboard）
  終於講到了主板，這裏囊括了內存單元、控制單元以及執行單元，具體以下圖所示：
  

  

  
  但從圖中咱們只能看到三類組件：

  • 中央處理器（CPU）
    CPU中包含了處理單元ALU和控制單元CU二者。主要負責將結合輸入和內存狀態，運算獲得輸出結果。
    

    

    
    

    

  • 內存（RAM）
    CPU內部其實是一堆運算電路，只負責運算，不負責狀態維護。所以如需使得CPU可以自動化完成一個任務，就必須首先輸入機器語言表示的任務描述，存儲到內存中，運行時CPU從內存中取出指令或數據，並將運算後所得結果輸出或存儲到內存另外一地址中。

    這裏的RAM實際上仍然是一些集成電路，只不過這些集成電路能夠保存電路狀態從而達到存儲效果。
    

    

  • 接口（I/O & PCIe & SATA）
    這裏的接口其實就是上一小節的「接口及擴展插槽」，存在的目的也是爲了知足不一樣需求的硬件設備，如網絡接口、PCIe卡等。

2. 總線

如今咱們對計算機內部硬件已經有了必定了解，實質上計算機完成的功能就是CPU處理RAM和接口送入的數據或指令，處理完畢後存放在RAM中或經過接口進行輸出。但有一個問題不能避開不談，那就是，CPU和RAM以及接口間是如何協做的？

從圖中能夠看出，CPU和RAM以及接口間均經過總線Bus來協做。總線是爲各計算機組件提供的一種數據傳送和控制邏輯的通用方式，每條線路在同一時間內都僅能負責傳輸一個比特，所以必須同時採用多條線路（並行）才能發送更多數據，這樣以後，全部總線可同時傳輸的數據數稱爲寬度，單位爲bit。而總線的帶寬則爲：總線帶寬 = 頻率x寬度（Bytes/sec）。

同時，圖中列出了3類總線：

• 控制總線（Control Bus）
  將CPU中控制單元CU的信號傳送到周邊設備，通常常見的爲USB Bus和1394 Bus。

• 地址總線（Address Bus）
  用來指定RAM之中存儲的數據的地址。

• 數據總線（Data Bus）
  在CPU和RAM之間來回傳送須要處理或存儲的數據。

這裏只是列出了抽象的概念，讓咱們再進一步，看看實際的主板上的總線到底是如何鏈接的。

兩個新概念，北橋和南橋。總體而言，北橋鏈接高速內部設備，南橋鏈接低速外部設備。具體以下：

• 北橋（NorthBridge）
  北橋一般處理在CPU、RAM、PCIe（或AGP）顯卡及南橋間通信，最近發展中，呈現將北橋集成進CPU中的趨勢，如AMD的Athlon 64。

• 南橋（SouthBridge）
  南橋包含大多數週邊設備接口、多媒體控制器和通訊接口功能。如PCI控制器、ATA控制器、USB控制器、網絡控制器及常見的鍵鼠等。

3. 總結

本篇主要目的是歸納性介紹硬件五大組件外觀、基本原理以及協做方式，對於五大組件，後面將分別成篇進行探討，這裏只須要了解到，計算機本質上是負責完成計算任務，計算方式（指令）以及數據所構成的任務描述需經過輸入設備進行輸入，也能夠其餘方式提早存儲到內存中，至於運算結果，便可選擇一樣存儲在內存中，也可選擇相應輸出設備進行輸出。