计算机硬件基础

Posted 2020-11-08 itone

1. 中央处理器CPU

• CPU由控制器、运算器和寄存器组成

• CPU的主要作用是管理和运算，可以指定硬盘等硬件来工作
• CPU从内存中取指、解码（翻译成二进制）、执行（交给相应硬件执行），周而复始，直至程序执行完成

1. 控制器

• 控制器从存储器中取出指令（比如从内存或磁盘中取出指令）

• 然后将指令交给运算器运算，将运算结果翻译成二进制

• 最后交给主板上的各个硬件，控制各个组件根据指令协调工作

  2. 运算器

  • 运算器的作用是进行算数运算和逻辑运算

• 运算指令，解释翻译，交给硬件运行

  3. 寄存器

  • 寄存器是和CPU速度相近的设备，集成在CPU上，预先从内存中调入少量的数据到寄存器，高速暂存指令、数据和地址，提高CPU的执行效率

• 但是不能作为存储的主力

4. CPU的分类

• CPU分为指令集分为精简指令集和复制指令集

• 所有的软件最后都要转换成CPU的指令集去执行，不同的CPU支持的指令集不同
• CPU有什么指令集，就可以做什么事情

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X86_64的含义:

• X86：表示CPU的架构型号，属于复杂指令集

• 64位：表示CPU每次从内存中，取出64bit的数据量

2. 存储器

• 存储器的作用是存、取数据

存储器的分类

• 内存储：临时存储，存取速度快，一般指内存

• 外存储：永久存储，存取速度慢，一般指磁盘

存储器的速度：

• 寄存器 > 高速缓存 > 内存 > 磁盘

• 高速缓存，在CPU和内存之间，为了提升速度
• 寄存器即L1缓存；高速缓存即L2缓存

RAM

• RAM（随机访问存储），一般指内存，特点是可读可写

• 易失性存储，断电后数据丢失

ROM

• ROM（非易失性随机访问存储），一般出厂就编写完成，特点是只能读，不可修改，断电不丢失

• Bios（Basic Input/Output System）就存放在ROM中
• BIOS就是一个基本的操作系统，操作系统本质是控制硬件

CMOS

• CMOS（易失性存储），断电后数据丢失，因此需要电池驱动

• 用于存储日期、存储BIOS的配置参数，比如BIOS的启动项等

计算机的启动过程

• 通电开机

• BIOS开机自检，检查CPU、内存、硬盘等
• BIOS读取CMOS存储的BIOS参数，根据启动项，选择启动设备
• 从启动设备上MBR引导，读取第一个扇区的内容，（MBR主引导记录512字节，前446为引导信息，后64为分区信息，最后两个为标志位），启动操作系统
• 开机后BIOS可能会检查硬件驱动

3. 磁盘

• 数据是以二进制的形式（0和1），存放在磁盘的磁道上

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平均寻道时间

• 大概为5ms，即机械手臂寻找数据的平均时间，受限于工业水平，目前固定

平均延迟时间

• 目前唯一能提高的是转速，以7200转/分钟为例，转一圈为8ms，平均为4ms

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说明：

• 因此，对于一个磁盘来说，总时间=平均寻道时间+平均延迟时间=5ms+4ms=9ms
• 磁盘的速度就受限于平均寻道时间和平均延迟时间
• 磁盘往内存存放数据的时间，大概也为9ms

扩展：

• 分区：柱面和柱面之间的空间就是分区的大小
• 扇区：扇区是磁盘的最小单位，一个扇区的大小512字节，表示磁盘一次可以写512字节
• 512字节的作用是，减少寻道时间，减少IO
• 往磁盘中写数据，也是先写到内存，再写到磁盘，比如两个磁盘对拷贝数据，先是程序将数据调到内存，再写入磁盘?

程序的运行过程

• 程序先存放在磁盘上，运行程序时，程序会加载到内存中

• CPU从内存中取数据，CPU运行完程序后，内存会释放掉程序

二进制

• 计算机以二进制的方式工作，使用0和1来表示低电压和高电压

• 0或1也称为一个二进制位，即bit（比特），bit是计算机的最小单位
• 8bit=1Bytes（字节）；1024Bytes=1KB