浅谈计算机基础（二）

二 计算机系统基础

1、计算机的作用、元件、工作流程

计算机： 输入指令和数据，经过处理后，产生有用的信息。

计算机组成元件： 输入单元(鼠标、键盘、触摸板等)、cpu、显卡、主板、内存、硬盘、输出设备(显示器等)、各种接口设备(声卡、网卡等)。

计算机工作流程： 数据经过输入单元输入到内存里，cpu读取内存数据，进行处理后， 写入内存，然后传给输出单元或者存储在本地硬盘里。

cpu的常见分类： 根据指令集分为2种，精简指令集(R·ISC)和复杂指令集(C·ISC)。

【精简指令集】
指令数较少，每条指令执行时间很短，完成的操作也很单一，要完成复杂操作需要多条指令。

IBM的PowerPC(ps3等使用)和ARM系列(手机、路由器等使用)的cpu使用的是这种指令集。

【复杂指令集】

指令数很多而且都比较复杂，每条指令执行时间较长，能处理的工作比较丰富。 AMD、Intel等X86架构的cpu使用这种指令集。

x86架构：指Intel最早开发出来的cpu叫8086，后开又有80286、80386等，
所以这种架构的cpu就被称为了x86架构。

2、计算机使用的计算单位

• 计算机使用的计算单位： bit(比特)，即单个的0或者1。

之所以用这种单位，是因为计算机是根据有没有通电来记录信息的，通电就是1，没通电就是0。
不断的通断电，记录一串0/1，就是在记录数据。

由于0/1这个单位太小了，日常记录数据都是成千上万个bit，
所以一般会使用另一个单位：字节Byte，1个字节=8个比特，即1B=8b。
但是由于Byte也很小，所以更常用的是KB，即1024B，或者MB，即1024KB=1024*1024B。

• 【小知识1】为什么100M的宽带，理论最高下载速度只有12.5M而不是100M？

【答】因为宽带和传输速度用的单位不一样。

宽带的值单位是bit，而下载速度用的单位是Byte，所以100M bit = 100M /8 = 12.5M Byte(因为1Byte = 8bit)

• 【小知识2】平时买的硬盘，标注500GB，为什么使用时最大容量比标注的少？

【答】因为标注和使用时的进制不一样。

厂商标注容量时，用的是十进制，500GB = 500 * 1000 * 1000 * 1000B
使用时，电脑用的是二进制，500GB / 1024 /1024 /1024 = 465GB，
所以实际能存储的数据大小没变，只是转换进制变了，所以大小就变了。

3、个人计算机架构和接口设备(主要指x86架构)

• 主板上有2个桥接器，北桥连接cpu、内存、显卡，南桥连接硬盘、USB、网卡等。

3.1、cpu

• cpu有2个主要单元：算数逻辑单元和控制单元。 算数逻辑单元：主要负责程序运算和逻辑控制。 控制单元：主要用于协调各组件与各单元间的工作。
• 决定性能的因素：指令集和频率(即每秒可以进行的工作次数) cpu的频率分外频和倍频，二者相乘才是cpu的频率。 外频：cpu与外部组件进行数据传输/运算时的速度。 倍频：即内频，cpu内部用来加速工作性能的一个倍数

【举例】假设现在一个cpu是3GHz，外频是333MHz，则倍频为3*1000/333 = 9。

• 【小知识】超频：通过主板的设置，将外频或者倍频提高的一种方法。 通常提升的是外频，因为倍频通常会被厂商锁定，无法修改。

【举例】比如刚才正常频率为3GHz的cpu，将外频从333MHz超频到400MHz后，倍频还是9，所以频率变为0.4*9 = 3.6GHz。这会提升cpu性能，但是可能会导致死机等问题。

• cpu还分32位和64位，这是什么意思呢？

cpu每次能处理的数据量成为字组大小，如果一次能处理32位的数据，就称该cpu是32位的，能处理64bit即64位的cpu。

• 【小知识】为什么使用32位cpu的系统，最大只能使用4GB内存？

这和cpu一次能处理多少数据无关，与cpu能找到的地址数目有关。 因为32位cpu通常只有32条地址总线，能找到的内存物理地址数是2的32次幂， 而每个内存物理地址对应的是1B的大小，所以32位系统只能支持最大2的32次幂* 1B的内存容量 ，即4GB大小的内存。

3.2、内存

• cpu所有数据都来自内存
• 内存的主要组成部分是动态随机访问内存(D·RAM)，通电时才能使用，断电后数据消失。
• 内存容量越大越好，因为所有数据都要加载到内存里才能被cpu读取。 如果现在要加载大量数据到内存里，如果内存没有足够容量就只能释放暂时不用的内存， 而释放内存可能会消耗一定的cpu时间，导致系统卡顿。
• 内存频率最好和所使用的cpu的外频一样。
• cpu里的高速缓存：
  cpu的数据是通过北桥从内存里读出来的，如果不通过北桥， 直接在cpu内部读取就会快很多，因此有了cpu高速缓存。 由于高速缓存在cpu内，要与cpu总体工作频率一致， D·RAM不支持，需要静态随机访问内存(S·RAM)。
• BIOS软件(基础输入输出系统)： BIOS是个程序，管理系统信息、进行开机自检等功能。 bios程序写死在在主板的一个内存芯片里(ROM)，ROM芯片没有通电也能记录数据(相当于硬盘)。
• CMOS芯片：
  是一个主板上的可读写的RAM芯片(RAM断电数据消失，所以CMOS有单独的电池)。 这个芯片记录了硬件的各项参数。CMOS的设置通常被写进BIOS里。

3.3、机械硬盘

• 由盘片、机械手臂、磁头和主轴马达组成。
• 盘片：通常是铝合金圆盘，上面涂了磁性材料。磁道：每个盘片分成了多个同心圆形的磁道，每个同心圆磁道一般可以存储几kB的。
• 扇区：每个磁道又平分为多个块，这个块就叫扇区。 扇区是机械硬盘上存储的物理单位，每个扇区可以存储512字节的数据。 (z注意h，即使只需要某个字节，也要把扇区里的512B的数据都读出来)
• 柱面：指不同盘片上的同一个位置的磁道组成的一个面，是一种逻辑上的概念。 磁盘数据的读写是按柱面进行的，每次从柱面上的第一个磁头开始读写， 直到柱面上所有磁头都读写完成，磁盘才移到下一柱面。数据存取过程：主轴马达转动盘片，机械手臂移动磁头在盘片上方(间距不到1微米)来回移动，磁头读写盘片。

4、文件编码

• 计算机只会使用0/1记录数据，那人一般是看不懂的， 需要把0/1转换一下，转为人能理解的字码。 所以写入数据时，会把字码根据字码对照表(编码系统)转换为0/1，再存入文件。 同理，读取文件时，也是读取一堆0/1数据，转换为字码后，展示到屏幕上。
• 常用的编码表是ASCII码，每个符号(英文、数字、符号)占用1B(8bit)， 总共会有2的8次幂种组合，所以这种编码只支持256个字符。
• 中文用的最多的编码系统是GBK，是对ASCII码的扩展 GBK会有2的16次幂=65532种组合，理论可以表示6万多个中文。
• 但是各国的文字都不一样，为了统一编码，
• 出现了全球统一编码Unicode编码，日常使用UTF-8。

5、软件程序运行

• 要使用计算机，需要工程师编程，写代码操作cpu，调用各种硬件。 但是这样做有缺点：
  1、计算机只能识别0/1，要使用这种机器码编程，很难。
  2、机器码与cpu的指令集耦合性太强，换个机器，又要重新编写代码，成本太高。
• 为了解决上诉问题，设计了一些人能看得懂的程序语言， 比如c/java/python等，然后使用编译器将这些语言翻译成机器懂的机器码。
• 现在有了易懂的编程语言，但是很多功能老是要写一些涉及底层硬件基础交互的重复代码，就很耗时间。 所以将与底层硬件打交道的事情统一封装起来，只暴露相关功能的接口给开发者调用，就方便多了。
• 这个封装好的程序就是操作系统，包括： 内核：负责驱动硬件，分配cpu资源，管理内存、文件。 一堆开发接口：方便开发者调用内核。操作系统可以管理计算机所有活动和驱动系统中的所有硬件。 比如让驱动内存读取数据，驱动硬盘读写数据，驱动网卡传输数据等。 这个内核程序开机后常驻在内存中。
• 现在有了能管理硬件的操作系统。
• 但是操作系统只是能管理而已，有了操作系统只是准备妥当， 如何管理，如何使用硬件去实现各种功能要靠软件来决定。
• 所以软件就是开发者参考操作系统提供的接口，做出来让用户操作计算机的东西。