003❤计算机组成原理

前言

	计算机主要有五大组成部分，分别为：控制器，运算器，存储器，输入设备，输出设备。其中控制器+运算器=CPU，CPU就是*处理器，相当于人类的大脑。

一.、控制器

控制器是计算机的指挥系统，相当于人类的大脑，大脑指挥人的身体进行运动，大脑会在接收到指令的时候才会指挥身体运动，而不是不会随意的进行指挥，除非你生病了，不受控制，这时候你可以多去找Doctor Shine.

二.、运算器

运算器是计算机的运算系统，大脑在进行指挥的同时也进行着运算操作。

运算分为两种：

1. 算术运算：1+1=2
2. 逻辑运算：学习困了要睡觉

三、 CPU

控制器+运算器=CPU（计算机的*处理器）

喝水的流程：

1. 当你口渴了，大脑会接受指令，然后把指令翻译为你身体要进行的运动（由控制器进行操作）
2. 如果是夏天和凉白开，如果是冬天喝温水（运算器进行的运算）

四、存储器

存储器是计算机的存储系统。

注意：无论是内存还是外存，计算机的存储格式都是0和1组成的二进制，0和1由高低压电频控制。计算机存储的一个二进制单位成为1bit，8bit=1Bytes称为一个字节，1024Bytes=1KB，1024KB=1MB，1024MB=1GB，1024GB=1TB，1024TB=1PB。

4.1 内存（主存）

内存是计算机内临时存储信息的设备。内存的读取速度较快，CPU下达的指令会直接传输给内存，即CPU会直接与内存交互。常见的内存有内存条。它的优缺点是：

• 优点（相较于外存）：存取速度快
• 缺点（相较于外存）：
  1. 容量较小，且价格较高
  2. 由于内存基于电存储，因此信息断电就会消失。

4.2 外存

外存是计算机内永久保存信息的设备，由于外存容量较大，所以外存一般用于存储软件等占用空间较大的数据。当需要使用外存上的某个软件时，CPU会下达指令传输给内存，内存再从外存读取软件的信息，即CPU不予外存直接交互，常见的外存有磁带，磁盘，U盘等，他们的有缺点是：

• 优点（相较于内存）：
  1. 容量较大，价格较便宜
  2. 只要硬件不发生损坏，理论上可以永久的存储信息
• 缺点（相较于内存）：存取速度较慢

五、计算机三大核心组件之间的配合

CPU+内存+外存是计算机的三大核心组件

以下用启动QQ的流程为例子，介绍三大核心组件启动应用时的配合：

1. 双击QQ图标，CPU会想内存发送出取指的命令（CPU+内存）
2. 内存从硬盘中取出运行QQ的指令（内存+外存）
3. 控制器分析运行QQ的指令并告知运算器进行工作（控制器）
4. 运算器进行一系列的算术运算以及逻辑运算打开QQ，并从硬盘读取QQ的代码至内存（运算器+内存+外存）
5. 计算机在内存中运行QQ的代码（内存）
6. 如果此时保存QQ好友发送的一张图片，改文件将永久的保存在硬盘中（外存）
7. 关闭QQ时CPU向内存发出关闭QQ的指令，内存关闭QQ并清理内存中QQ的代码（CPU+内存）

六、输入设备

    计算机输入信息（如图片，音频，视频，文档等）的设备。

    常见的输入设备有：键盘，鼠标，图形扫描仪等，外存储器（U盘等）也是一种输入设备

七、输出设备

计算机输出信息的设备。

常见的输出设备有：显示器，打印机，绘图仪等，外存储器（U盘等）也是一种输出设备

注意：由于外存储器（U盘等）既可以进行信息的输入，也可以进行输出信息，所以我们也称它为输入输出设备（IO设备）：I为input（输入），O为output（输出）

八、计算机五大组成部分的补充

8.1 CPU相关知识介绍

• 多核CPU

  多核处理器是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核，此时处理器能支持系统总线上的多个处理器，由总线控制器提供所有总线控制信号和命令信号。多核技术的开发源于工程师们认识到，仅仅提高单核芯片的速度会产生过多热量且无法带来相应的性能改善，先前的处理器产品就是如此。他们认识到，在先前产品中以那种速率，处理器产生的热量很快会超过太阳表面。即便是没有热量问题，其性价比也令人难以接受，速度稍快的处理器价格要高很多。

• IA32、x86

  IA-32为Intel Architecture 32bit简称，即英特尔32位体系架构，在英特尔公司1985年推出的80386微处理器中首先采用。通常也被称为i386、x86-32、 x86等。

• IA64

  IA64是后来intel和惠普联合推出的64位体系架构，但是不兼容原有的32位体系结构的应用程序,导致市场惨淡。

• AMD64、x86-64、 x64

  后来AMD推出了兼容32位的64位集关于IA-32的扩展，之后改名为AMD64, Intel后来也采用该架构,称为x86- 64或者x64。

• CPU具有向下兼容性，即64位的操作系统可以下载并运行32位的软件，但是32位不可以运行64位的软件，那样会造成数据的丢失。

8.2 存储器相关知识介绍

• ROM存储器： 只读存储器（不可以进行写操作）在工厂中就被编写完毕，然后再也不做修改。它一般存放于BIOS程序中，该程序用于启动计算机，或用于控制底层的设备。
• CMOS存储器：CMOS是由一块电脑内部的电池驱动供电，它一般用于保持当前时间和日期的更新，也就是说，即使计算机没有进行充电，时间也会持续更新，同时特也可以存储启动此盘的路径。

8.3 总线

总线相当于人类的神经，血管，链接计算机的所有硬件设备

8.4 启动计算机的流程

1. 计算机加电
2. BIOS开始运行，检测硬件（如CPU，内存，外存等）
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，获取配置信息，对于每种设备，系统会检查它的设备驱动是否存在，如果没有，系统会要求用户安装驱动程序。如果所有的驱动程序都安装无误，操作系统会将它们调入内核，然后出示有关的表格（如计程表）

8.5 机械硬盘工作原理

• 机械手臂：机械硬盘通过机械手臂读取数据，机械手臂的末端是磁头

• 磁道：磁道是机械硬盘内部的一个一个圈圈，磁道用于存储数据

• 扇区：扇区的最小单位通常为512KB（由于磁盘大小不断增大，也有部分厂商设定每个扇区的大小是4096字节）。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，这个块便就是我们在Windows系统中看到的C、D分区。

• 平均寻道时间：由于数据存放于磁道上，因此机械手臂读取信息先要找到磁道。受限于工业水平的限制，现在机械手臂找到磁道的时间一般为5ms，这个时间称作平均寻道时间

• 平均延迟时间：机械手臂找到磁道之后要开始寻找数据，有余数据的位置是不确定的，而目前机械硬盘寻找数据会从磁道的头部扫描到尾部，以7200r/min的硬盘为例，如果碰巧在硬盘头部找到数据，时间约为0ms；如果在硬盘尾部找到数据，时间约为8.3ms，因此我们采用一个平均时间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。

  平均延迟时间：
  	7200/60=120(r/s)
  		1/120=0.0083(s/r)=8.3(ms/r)
  8.3/2=4.15(ms/r)(1)(2)(3)(4)
  

  所以我们总结出：

  平均寻找数据时间=平均寻道时间+平均延迟时间≈5ms+4.15ms=8.15ms

8.6 固态硬盘工作原理

随着人们对数据需求增多，存储系统的瓶颈越来越明显。而在嵌入式领域移动设备和工业自动化控制等恶劣环境下，传统硬盘机械结构已经无法满足要求，而所有这一切随着固态存储（SSD）的到来而发生了改变。

传统的机械硬盘（HDD）运行主要是靠机械驱动头，包括马达、盘片、磁头摇臂等必需的机械部件，它必须在快速旋转的磁盘上移动至访问位置，至少95%的时间都消耗在机械部件的动作上。SSD却不同机械构造，无需移动的部件，主要由主控与闪存芯片组成的SSD可以以更快速度和准确性访问驱动器到任何位置。传统机械硬盘必须得依靠主轴主机、磁头和磁头臂来找到位置，而SSD用集成的电路代替了物理旋转磁盘，访问数据的时间及延迟远远超过了机械硬盘。SSD有如此的“神速”，完全得益于内部的组成部件：主控–闪存–固件算法。SSD通过这套组成部件，让数据以电荷的方式存储在每个NAND存储单元内。

上面讲了这么多，牢记一点：固态硬盘是基于固态电子（SSD，断电数据也会保留）和算法实现数据存储的。