第十七篇 计算机组成原理

第十七篇 计算机组成原理

1、组成计算机的五大硬件

（1）计算机的硬件

• 组成计算机有五大组成部分：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。其中控制器和运算器组成了计算机的中央处理器（CPU）

（2）CPU

• CPU相当于计算机的大脑或者说是指挥系统，控制着整个机器的运转，（控制硬件）
• CPU除了控制和指挥，它也在无时无刻的进行计算，主要进行逻辑运算（判断）和算术运算（计算求值）

（3）内存（主存）

• 计算机中存储器分为内存和外存。但是无论是内存还是外存，它们的存储数据的格式都是由1和0组成，即高低电压
• 计算机中一个存储单位是一个字节，即1Bytes，1Bytes = 8bit，8bit表示8个二进制数

• 内存的作用：内存是计算机内临时存储数据的硬件设备。由于内存读取数据速度较快，CPU下达的指令会直接传输给内存，即CPU会与内存直接交互。常见的内存有内存条

• 内存的优点：存取速度较快

• 内存的缺点：

  • 1、容量小；
  • 2、断电即消失（由于内存是基于电来存储数据的，因此当断电时数据会马上消失，即数据丢失）

（4）外存

• 外存的作用：外存是计算机永久存储数据的硬件设备。由于外存容量大，所以外存主要用于存储软件、操作系统等占用空间大的数据

• 外存的作用流程：当我们需要使用外存上的某个软件时，CPU下达的指令需要传输给内存后，内存再从外存中读取软件的信息。即CPU不与外存直接交互。常见的外存有磁带、磁盘和U盘等

• 外存的优点：

  • 1、容量大
  • 2、可以永久存储数据

• 外存的缺点：存取速度慢

（5）输入设备

• 计算机中用于输入信息（文字、图片、视频、软件程序等等）的硬件设备
• 常见的输入设备：键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、光电笔等等

（6）输出设备

• 计算机中用于输出信息的硬件设备
• 常见的输出设备：显示器、打印机、绘图仪......

（7）U盘：特殊存在，被称为IO设备。I（input）：输入，O（output）：输出

2、多核CPU

• 多核相当于计算机有多个大脑，可以同时控制多个事件的处理，比如常常听说的4核CPU电脑，表示它可以同时干四件事
• X86-64：X86是CPU的一种型号，64位表示CPU每次能读取64位二进制数的数据，即2⁶⁴ Bytes。X86-32：表示CPU每次能读取32位的二进制数的数据，即2³² Bytes
• 64位的电脑能够下载32位的软件，而32位的电脑如果下载64位的软件会丢失数据

3、硬盘的工作原理

（1）机械硬盘（HDD）

• 机械硬盘主要由机械手臂、磁道和扇区组成

• 机械手臂：机械硬盘是通过机械手臂读取数据的，机械手臂的末端是磁头

• 磁道：磁道是机械硬盘上的磁面中的一个一个圈，磁道用于存储数据

• 扇区：扇区的最小单位通常位512KB（也有每个扇区为4096Bytes大小的磁盘）。为了减小IO操作，机械硬盘也会将多个相邻的扇区组合在一起，形成一个块，这个块即是我们在Windows系统中常见的C、D分区

• “平均寻道时间”：由于数据存放在磁道上，因此机械手臂需要读取数据首先要找到磁道，这就需要很快的速度来达到很短的时间，受限于工业水平的限制，目前机械手臂找到磁道的时间为5ms，这个时间被称为平均寻道时间

• “平均延迟时间”：机械手臂寻道之后，需要寻找想要的数据，由于数据的位置是不确定的，而目前的机械硬盘寻找数据会从硬盘的头部开始一直扫描到尾部，这就会有一个延迟时间。以7200 r/min 的硬盘为例，如果碰巧在硬盘头部找到数据，时间约为0ms，如果目标数据在硬盘尾部，时间则约为8.3ms，因此我们取平均值 4.15ms 作为机械手臂在磁道找到数据的时间，这个时间被称为平均延迟时间

  • 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)

• 我们可以知道：机械硬盘找到数据的时间等于平均寻道时间与平均延迟时间的和

（2）固态硬盘（SSD）

• SSD是由电驱动的，它的内部组成是：主控--闪存--固件算法。SSD中的数据是以电荷的方式存储在每个NAND存储单位元内

4、总线

• 总线：用于串连起计算机中的所有硬件设备

5、ROM和CMOS

• ROM存储器：ROM是只读存储器（不可写），它在工厂中就被编程完毕，之后再也不能被修改（可以重刷BIOS）。它一般会存放BIOS（Basic input output system)程序，该程序一般用于启动计算机，或者用于处理底层设备的控制
• CMOS存储器（CMOS RAM，主存，直接与CPU交换数据的内存）：CMOS存储器由一块电脑内置的电池驱动供电，它一般用来保持当前时间和日期的更新，也就是说，即是计算机没电，时间也会持续更新，同时它也可以存储启动磁盘的路径（装机的时候一般会告诉计算机操作系统在计算机中的位置，如 C:/ ）

6、启动计算机的流程

1.计算机开启电源

2.BIOS开始运行，检测硬件：CPU、内存、硬盘灯

3.BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备等

4.从启动设备上读取第一个扇区的内容

5.根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统

6.操作系统询问BIOS，获得配置信息。对于每种设备，系统会检查其设备驱动是否存在，如果没有，系统则会要求用户安装设备驱动程序，一旦有了全部的设备驱动程序，操作系统则会将它们调入内核，然后初始有关的表格（如 进程表）

• 总结：1.读取ROM芯片中的BIOS系统（充当临时的操作系统）；2.BIOS找到CMOS中存储操作系统的路径以及硬件自检程序；3.操作系统启动，操作系统接管电脑

7、QQ软件的运行

1.双击QQ图标，CPU先向内存发出读取QQ的指令（CPU --> 内存）

2.内存通过QQ图标所链接的地址从硬盘中取出 “运行QQ” 的指令 （内存 -- 硬盘（”运行QQ“））

3.CPU中的控制器分析“运行QQ”的指令并告知运算器，运算器开始工作（内存("运行QQ") -- CPU（控制器-->运算器））

4.运算器进行一系列的算术运算和逻辑运算打开QQ，并从硬盘中读取QQ的代码至内存（CPU（运算器）+ 内存 + 硬盘）

5.计算机在内存中运行QQ的代码（内存）

6.如果此时从好友接收一个文件并下载，该文件将会永久保存在硬盘中（硬盘）

7.关闭QQ是CPU向内存发出关闭QQ的指令，内存关闭QQ并清理内存中的QQ代码（内存）