计算机硬件基础

Posted 2020-09-03

　　

什么是计算机？

计算机（computer）俗称电脑，是现代一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。

计算机发展

1946年2月14日世界上第一台电子计算机“电子数字积分计算机”（ENIAC Electronic Numerical And Calculator）在美国宾夕法尼亚大学问世了。

第一台计算机的诞生，宣告了一个新时代的到来，直到现在基本是人手一台计算机，计算机已成为我们不可缺少的一部分了。它的发展过程主要经历了下列四个时代。

1. 1946年—1957年  电子管时代

2. 1958年—1964年  晶体管时代

 

3. 1965年—1970年  集成电路时代

4. 1971至今   大规模超大规模集成电路时代

 计算机的构成

1. 硬件指的是可以看得到、摸得到的物件，是一个具体的实物。如显示器、鼠标等，试着举例一下还有那些是硬件。所有硬件共同组合在一起，形成的一个整体系统，我们称为硬件系统。
(1) 硬件系统主要有五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
(2) 运算器：是负责算术运算与逻辑运算。与控制器共同组成了中央处理器(CPU)。
(3) 控制器：是负责发送和接收指令。
(4) 存储器：是用来存储正在进行程序、将要进行程序的数据及刚处理完的数据。
(5) 输入设备：是用来进行输入的设备。如键盘，扫描仪等。
(6) 输出设备：是用来进行输出的设备。如显示器，音箱等。

计算机硬件和软件

软件是为了完成某一项特定工作而开发的程序，软件分为系统软件和应用软件。

系统软件：系统软件是指控制和协调计算机及外部设备,支持应用软件开发和运行的系统，是无需用户干预的各种程序的集合，主要功能是调度，监控和维护计算机系统；负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作。系统软件使得计算机使用者和其他软件将计算机当作一个整体而不需要顾及到底层每个硬件是如何工作的。系统软件举例：windows xp 、windows 7、windows 8、windows 10 、android（安卓手机系统） 、ios（苹果手机系统），unix，linux等

应用软件举例：爱奇艺视频，暴风影音，QQ，office等 

硬件、软件及用户的关系：

硬件是基础，硬件需要通过系统软件控制来启动硬件，并让各个硬件之间相互协同工作，在系统软件的基础上是用户，用户操控的是系统软件，并在系统软件的基础上安装相应的应用软件，来完成用户所需要的工作。所以说最底层的是硬件，硬件上一层是系统软件，系统软件上一层是应用软件，而最上层的则是用户。

计算机的工作原理

 取出指令：从存储器某个地址中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存。
 分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，译出该指令对应的微操作。
 执行指令：根据指令译码，向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的各种操作。
 为执行下一条指令作好准备，即取出下一条指令地址。

 计算机硬件介绍

处理器

CPU是计算机的核心，它从内存中取指令->解码->执行，然后再取指->解码->执行下一条指令，周而复始，直至整个程序被执行完成，每钟类型的CPU指令集都不相同，所以所有CPU内部都有一些用来保存关键变量和临时数据的寄存器。

寄存器的分类：通用寄存器、程序计数器、堆栈指针、程序状态字寄存器

　　通用寄存器用来保存变量和临时结果

　　程序计数器，它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令

　　堆栈指针，它指向内存中当前栈的顶端。该栈包含已经进入但是还没有退出的每个过程中的一个框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关的输入参数、局部变量以及那些没有保存在寄存器中的临时变量

　　程序状态字寄存器(Program Status Word,PSW),这个寄存器包含了条码位(由比较指令设置)、CPU优先级、模式（用户态或内核态），以及各种其他控制位。用户通常读入整个PSW，但是只对其中少量的字段写入。

内核态与用户态

　　多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态

　　内核态：当cpu在内核态运行时，cpu可以执行指令集中所有的指令，很明显，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能

　　用户态：用户程序在用户态下运行，仅仅只能执行cpu整个指令集的一个子集，该子集中不包含操作硬件功能的部分，因此，一般情况下，在用户态中有关I/O和内存保护

存储器

　　寄存器即L1缓存：用与cpu相同材质制造，与cpu一样快，因而cpu访问它无时延

　　高速缓存即L2缓存：最常用的高速缓存行放置在cpu内部或者非常接近cpu的高速缓存中。

　　cpu运算时会先在L1中寻找，如果找不到会去L2，再找不到去内存，内存没有去硬盘寻找

　　RAM是易失性存储，断电后数据全部消失

　　易失性随机访问存储如ROM（Read Only Memory，ROM），在电源切断之后，非易失性存储的内容并不会丢失

　　EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的

　　CMOS，它是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器来保持当前时间和日期。CMOS还可以保存配置的参数，CMOS存储器由一小块电池驱动

磁盘

8个bit称为一个字节bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我们平时所说的磁盘容量最终指的就是磁盘能写多少个2进制位。

每个磁头可以读取一段换新区域，称为磁道

把一个戈丁手臂位置上所以的磁道合起来，组成一个柱面

每个磁道划成若干扇区，扇区典型的值是512字节

数据都存放于一段一段的扇区，即磁道这个圆圈的一小段圆圈，从磁盘读取一段数据需要经历寻道时间和延迟时间

平均寻道时间

机械手臂从一个柱面随机移动到相邻的柱面的时间成为寻到时间，找到了磁道就以为着招到了数据所在的那个圈圈，但是还不知道数据具体这个圆圈的具体位置

平均延迟时间

机械臂到达正确的磁道之后还必须等待旋转到数据所在的扇区下，这段时间成为延迟时间

虚拟内存：

许多计算机支持虚拟内存机制，该机制使计算机可以运行大于物理内存的程序，方法是将正在使用的程序放入内存取执行，而暂时不需要执行的程序放到磁盘的某块地方，这块地方成为虚拟内存，在linux中成为swap，这种机制的核心在于快速地映射内存地址，由cpu中的一个部件负责，成为存储器管理单元

总线

北桥即PCI桥：连接高速设备

南桥即ISA桥：连接慢速设备