学前知识

什么是计算机?计算机主要的组成组件是什么?计算机的五大硬件单元是什么?

提到计算机组成部分,从外观来看可以分为三类:输入单元、主机部分、输出单元
我们可以通过输入设备,例如鼠标、键盘将一些数据输入到主机上;然后经过主机处理后将结果传输到输出设备,如荧幕或者打印机等等。那么其中的主机究竟是什么呢?其实主机就是一片主机板,上面安插了中央处理器(cpu)和主内存要有一些界面卡装置。

那主机是怎么工作的呢?
整部主机的重点在于中央处理器(Central Processing Unit,CPU)。这里又有了新的疑问——CUP又是怎么工作的呢?其实CPU是一个具有特定功能的芯片,内置有微指令集,如果想要CUP进行特定的工作,就需要参考在这个CPU的微指令集,是否含有相关的功能。

那CPU从事哪些工作呢?
CPU主要负责管理与运算,因此在CPU中右分为了两个主要单元——算数逻辑单元与控制单元。算数逻辑单元主要负责程序运算与逻辑判断,控制单元则主要协调各周边组件与各单元工作。既然CUP是管理与运算的,那么运算的数据从哪里来呢?其实这些数据来自主内存。数据的流向是这样的:
首先主内存从输入单元读取数据,然后读到的数据提供给CPU做运算操作,等到操作完成再将数据写回主内存,最后由主内存传递到输出单元输出。

在这里就可以解决计算机硬件的五大单元是什么了:输入单元、输出单元、主内存与CPU中的算数逻辑单元和控制单元,其关系如下图:


image.png

CPU的种类有哪些?
CPU有两种:精简指令集(Reduced Instruction Set Computer,RISC)和复杂指令集(Complex Instruction Set Computer,CISC)

单有CPU是无法运作计算机的,除了输入和输出设备,还需要什么呢?
还需要的是周边设备,比如主机板,主机板的作用是将CPU和一些配置卡连接在一起,让设备可以沟通协调。

那么计算机的运作流程是什么呢?
如果把计算机比作一个人,那么他的大脑就是CPU,就像人使用大脑控制身体一般,CPU也是控制计算机的中心。脑中的记录区块就是主内存,我们接收到的信息经由记录区块传到大脑,然后在做出判断后传回记录区块,而脑中的记忆区块就是硬盘,可以存储想要存的信息。主机板可以比作是神经系统,将所有的重要的原件连接到一起。其他的设备好比四肢和身体,构成整个架构。

小知识:
假如我购买了500GB的硬盘,在格式化后只剩下460GB左右的容量,这是为什么?

因为硬盘制造商通常采用十进制的单位
500GByte是500100010001000Byte
在转换为容量单位时会使用二进制位(1024)466
102410241024Byte,所以就是466GB左右的容量了
之所以硬盘制造商要采用十进制是因为:硬盘最小物理容量为512Bytes,最小组成单位为磁区(sector),通常硬盘容量采用多少个sector计算,所以才会采用十进制来处理。

接下来详细说下五大硬件吧

CPU

首先是CPU,单核CPU只有一个运算单元,而多核CPU是在一颗CPU当中嵌入两个以上的运算核心,简单来说就是多核CPU含有两个以上的运算单元。
如何判断CPU性能的优劣呢?
CPU的不同微指令会导致CPU工作效率的优劣,并且CPU还一个属性叫做频率。频率就是CPU每秒钟可以进行的工作次数,因此,频率越高代表CPU能在单位时间内做更多的事情。

因为在CPU中内部和外部组件速度不一致,可能会导致内部或者外部有事情还没处理完。理论上,CPU内部和外部速度最好一致,但是实际情况却难以实现。此时CPU的开发商就在CPU上添加了一个加速功能——外频和内频
外频是CPU与外部组件进行传输时的速度
倍频是CPU内部用来加速工作效能的一个一个倍数。外频和倍频相乘才是CPU的频率速度

主内存与CPU的沟通速度靠的是外部频率, 那么每次工作可以传送的数据量有多大呢?
那就是系统总线的功能了。一般主机板芯片组有分北桥与南桥, 北桥的系统总线称为系统系统总线,因为是内存传输的主要通道,所以速度较快。 南桥就是所谓的输入输出(I/O)系统总线,主要在联系硬盘、USB、网络卡等周边设备。
北桥所支持的频率我们称为前端系统总线速度(Front Side Bus, FSB), 而每次传送的位数则是系统总线宽度。
与系统总线宽度相似的,CPU每次能够处理的数据量称为字长大小(word size), 字长大小依据CPU的设计而有32位与64位。我们现在所称的计算机是32或64位主要是依据这个 CPU解析的字长大小而来的!早期的32位CPU中,因为CPU每次能够解析的数据量有限, 因此由主内存传来的数据量就有所限制了。这也导致32位的CPU最多只能支持最大到4GBytes的内存。

内存

CPU所使用的数据都是来自於主内存(main memory),不论是软件程序还是数据,都必须要读入主内存后CPU才能利用。 个人计算机的主内存主要组件为动态随机访问内存(Dynamic Random Access Memory, DRAM), 随机访问内存只有在通电时才能记录与使用,断电后数据就消失了。因此我们也称这种RAM为挥发性內存。

什么是双通道设计?
传统的系统总线宽度一般大约仅达64位,为了要加大这个宽度,因此芯片组厂商就将两个主内存汇整在一起, 如果一支内存可达64位,两支内存就可以达到128位了,这就是双通道的设计理念。

什么是CPU内的第二层缓存内存?
我们知道CPU如果要与主内存交互需要经过北桥——桥接器。如果直接在CPU内部提供一个内存缓存,会不会提高效率呢?答案是肯定的,因为第二层缓存(L2 cache)整合到CPU内部,因此这个L2内存的速度必须要CPU频率相同。 使用DRAM是无法达到这个频率速度的,此时就需要静态随机访问内存(Static Random Access Memory, SRAM)的帮忙了。 SRAM在设计上使用的电晶体数量较多,价格较高,且不易做成大容量,不过由於其速度快, 因此整合到CPU内成为缓存内存以加快数据的存取是个不错的方式


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什么是只读内存(ROM)?
BIOS(Basic Input Output System)是一套程序,这套程序是写死到主机板上面的一个内存芯片中, 这个内存芯片在没有通电时也能够将数据记录下来,那就是只读内存(Read Only Memory, ROM)。 ROM是一种非挥发性的内存。

显卡

显卡又称VGA(Video Graphics Array)它在图形影像的显示当中扮演相当关键的角色
一般在图形影像的显示重点在于色彩深度和分辨率。因为每个图像显示的颜色会占用内存,因此显卡上面会有一个内存的容量,显卡上的内存容量会直接影响到分辨率和色彩深度。
早期一些3D运算是交给CPU处理的,随着3D技术的发展,一些厂商在显卡上设置了加速芯片,这也是GPU的由来

小练习:
假设你的桌面使用1024x768分辨率,且使用全彩(每个像素占用3bytes的容量),请问你的显示卡至少需要多少内存才能使用这样的彩度?
所需像素:1024*768=786432
占用内存:2.25MBytes
但是考虑到屏幕更新率(每秒钟屏幕的更新次数),所以显卡的内存越大越好

硬盘

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