计算机硬件基础知识

计算机硬件系统

不管我们有没有发现，在生活中我们处处都在使用着计算机。

计算机给我们的生活带来了很多便利与效率，为了更好地使用计算机协助我们的工作学习我们需要对计算机有一个基础的了解。

计算机历史

定义：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。

被发明：1946年,世界上第一台计算机ENIAC(electronic numerical integrator and calculator)在美国宾州大学诞生。这台计算机主要是用于弹道计算。这台计算机使用了 17468只电子管，占地170平方米,重达30吨，耗电174千瓦 ，耗资40多万美元。撇开高昂造价不谈，这台计算机重达30吨，和现在的一些轻薄笔记本相比让人难以置信计算机的发展速度。

图片就是这台重达30吨的计算机，怎么样？有没有现在的“天河二号”超级计算机的庞大感？

计算机硬件系统图示

内部设备

中央处理器(CPU)

定义：中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。
功能：解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

从计算机被发明之初，人们判定计算机的计算速度的最重要的指标便是中央处理器(CPU)的运算速度，中央处理器(CPU)就像是计算机的心脏，牵动着计算机的每一个部分。

主频：主频是CPU的时钟频率(CPU Clock Speed)，是CPU运 算时的工作的频率（1秒内发生的同步脉冲数）的简称。单位是Hz。一般说来，主频越高，CPU的速度越快，由于内部结构不同，并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一样。
外频：系统总线的工作频率， CPU与外部（主板芯片组）交换数据、指令的工作时钟频率。
倍频：倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。
三者关系是：主频=外频x倍频
缓存（cache）：高速交换的存储器。CPU缓存分为一级 ，二级，三级缓存，即L1，L2，L3。
内存总线速度(Memory-Bus Speed): 一般等同于CPU的外频 ，指CPU与二级(L2)高速缓存和内存之间的通信速度。
地址总线宽度:决定了CPU可以访问的物理地址空间。

CPU公司：不管是通过新闻还是网上的资讯，最让我们熟知的CPU公司便是“Intel”和“AMD”，除此之外“IBM”公司也是有CPU产品的。

摩尔定律：摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

随着时间的推移，集成技术越来越先进，英特尔公司现在已经推出了14nm工艺CPU，目前及家用级CPU代表酷睿I7 7700K便是14nm工艺。集成程度越高工艺就越难，现在的CPU已经逐渐偏离摩尔定律，想要大幅度提升CPU性能已经非常困难了。值得一提的是：英特尔公司常被网友戏称为“牙膏厂”，原因是英特尔公司近几年推出的新一代的CPU在性能上比起上一代提升程度很小，每一代CPU提升性能就像挤牙膏一样。所以网友为了表达自己的“不满情绪”便是戏称英特尔为“牙膏厂”。

其实一方面英特尔公司的CPU提升程度小和集成工艺问题有着密切的关系，想要大幅度提升就得有突破性的技术革新。

另一方面英特尔的竞争对手”AMD”公司前些年不怎么给力，产品与英特尔公司的产品有着不小的差距，所以英特尔公司并没有来自竞争对手的压力所以新产品并没有多么显著的提升。

值得一提的是最近AMD公司推出的新产品实力和英特尔的同期同层级产品分庭抗礼，英特尔这次要怎么接招我们就拭目以待吧。

CPU类型：虽然各种CPU的功能都是用于计算，但是其中也有一些类型的区别，拿英特尔的CPU举例，我们通常家用电脑或者学校单位使用的个人电脑CPU大多都是酷睿(Core)系列的，如常见的：I3 I5 I7。而企业公司使用的服务器上的CPU是英特尔至强(Xeon)系列的CPU，如E3 E5 E7。看到这里大家都是觉得“都是CPU哪个快就用哪个，还分这么多真麻烦”，其实用途不同CPU的类型不同这样是为了提高效率。举个例子，家用电脑一般是用于办公，娱乐或者工作，处理这些内容通常需要的是CPU的频率快，其中特别是打游戏更是需要CPU的运行频率快，而服务器因为多个用户访问的原因通常需要的是同时处理多个任务的能力，所以服务器CPU就需要更多的核心用来同时处理多个任务以达到提升效率的目的。

内部存储器(Memory)

定义：内存储器是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存储器中进行的，因此内存储器的性能对计算机的影响非常大。

功能：内存储器(Memory)也被称为内存，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。

容量：即该内存的存储容量，单位：KB MB GB
内存带宽:内存带宽是指内存与北桥芯片之间的数据传输率，单通道内存节制器一般都是64-bit的（双通道内存带宽为128-bit），8个二进制位相当于1个字节，换算成字节是64/8=8，再乘以内存的运行频 率，如果是DDR内存就要再乘2
双通道内存：双通道，就是在北桥芯片级里设计两个内存控制器，这两个内存控制器可相互独立工作，每个控制器控制一个内存通道。在这两个内存通CPU可分别寻址、读取数据，从而使内存的带宽增加一倍，数据存取速度在理论上也是提升一倍。
带宽计算： 内存带宽=内存总线频率×数据总线位数/8
示例：DDR2 667,运行频率为333MHz带宽为333×2×64/8=5400MB/s=5.4GB/s
DDR2 800,运行频率为400MHz，带宽为 400×2×64/8=6400MB/s=6.4GB/s

内存发展史：
1. SIMM 内存 1988年前
2. EDO DRAM内存 1991-1995年
3. SDRAM 内存 1995以后
4. Rambus DRAM内存 1998
5. DDR内存 DDR内存便是我们熟知的内存了
6. DDR2
7. DDR3
8. DDR4 如今

外部设备

外部存储器

定义：外储存器是指除计算机内存及CPU缓存以外的储存器，此类储存器一般断电后仍然能保存数据（与内存断电数据就丢失不同）。

常见的外存储器

软盘：软磁盘使用柔软的聚酯材料制成原型底片，在两个表面涂有磁性材料。常用软盘直径为3.5英寸，存储容量为1.44MB.软盘通过软盘驱动器来读取数据。
U盘：U盘也被称为“闪盘”，可以通过计算机的USB口存储数据。与软盘相比，由于U盘的体积小、存储量大及携带方便等诸多优点，U盘已经取代软盘的地位。
硬盘：硬磁盘是由涂有磁性材料额铝合金原盘组成的，每个硬盘都由若干个磁性圆盘组成。
磁带存储器：磁带也被称为顺序存取存储器SAM。它存储容量很大，但查找速度很慢，一般仅用作数据后备存储。计算机系统使用的磁带机有3中类型：盘式磁带机、数据流磁带机及螺旋扫描磁带机。
光盘存储器：光盘指的是利用光学方式进行信息存储的圆盘。它应用了光存储技术，即使用激光在某种介质上写入信息，然后再利用激光读出信息。光盘存储器可分为:CD-ROM、CD-R、CD-RW、和DVD-ROM等。

硬盘的基本参数

容量：容量是硬盘最主要的参数，容量的大小决定硬盘中存储数据的多少，单位有MB、GB、TB 、PB等。
转速：转速是指硬盘盘片每分钟转动的圈数，单位为rpm，转速越快存储（读取）数据的速度就越快。常见的硬盘有5400转和7200转的，服务器上的硬盘转速能达到15000转。
传输速率：传输速率(Data Transfer Rate) 。硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度。
缓存：硬盘缓存的目的是为了解决系统前后级读写速度不匹配的问题，以提高硬盘的读写速度。

硬盘接口类型

IDE接口：硬盘接口规范，采用ATA技术规范
SCSI接口：应用于小型机上的高速数据传输技术
SATA接口： Serial ATA，提高传输速率，支持热插拔。传输速度：SATA2=3.0Gb/s SATA3=6.0Gb/s
SAS接口： Serial Attached SCSI，兼容SATA
目前主流的硬盘接口为SATA和SAS接口

存储新宠——固态硬盘

定义：固态硬盘（Solid State Drives），简称固盘，固态硬盘（Solid State Drive）用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。

和传统机械硬盘的区别

优点

外形：SATA接口的固态硬盘和传统2.5英寸机械硬盘外观是基本一致的。
速度：固态硬盘的读写速度远超过传统机械硬盘。
重量：固态硬盘因为没有机械硬盘中厚重的金属部件和碟片所以质量轻。
能耗：机械硬盘是电机带动碟片运行的，固态硬盘运行的能耗是要低于机械硬盘很多的。
体积：SATA接口的固态硬盘体积和机械硬盘基本相同，但是其他接口如mSATA、NGFF(M.2)、PCIE等的固态硬盘体积就比机械硬盘小很多了。
噪音：固态硬盘因为不需要碟片旋转，运行时只是内部通过电流，所以运行过程中没有任何噪音。
抗震：传统固态硬盘因为内部有机械运动，磁头和碟片的距离非常近，震动对机械硬盘的损伤非常大，而固态硬盘工作过程中没有机械运动所以即使处在不稳定的环境中也能正常工作。

缺点

容量：固态硬盘容量普遍比较小
价格：固态硬盘价格要贵于机械硬盘不少。
寿命：固态硬盘闪存具有擦写次数限制的问题，这也是许多人诟病其寿命短的所在。其实在普通家用计算机上工作的固态硬盘其寿命一般都会比该台计算机更长，或者在寿命用完之前被新的产品换掉，所以影响不大。但是在一些读写量大的工作环境中工作的话就需要考虑寿命问题。
数据无法恢复：固态硬盘一旦损坏的话里面的数据将无法恢复，机械硬盘就算坏了数据也在碟片上，还能救回不少数据，而固态硬盘没有碟片，所以坏了数据就没了。

输入设备

定义：向计算机输入数据和信息的设备。
概念：是计算机与用户或其他设备通信的桥梁，说白了就是人类向计算机发送命令传输信息的设备，是人类控制计算机的工具。

现在的计算机能够接收各种各样的数据，既可以是数值型的数据，也可以是各种非数值型的数据，如图形、图像、声音等都可以通过不同类型的输入设备输入到计算机中，进行存储、处理和输出。

常见的输入设备

字符输入设备：键盘；
光学阅读设备：光学标记阅读机，光学字符阅读机；
图形输入设备：鼠标器、操纵杆、光笔；
图像输入设备：摄像机、扫描仪、传真机；
模拟输入设备：语言模数转换识别系统

输出设备

定义：输出设备（Output Device）是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。

常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。

输出设备和输入设备是对应的设备，用户使用输入设备给计算机发送指令之后便需要有输出设备来把执行结果展现给用户，所以输出设备同样是计算机硬件系统中必不可少的部分。

补充

其实在现在的生活中有一个非常重要的硬件在计算机诞生之初是没有而且也没有必要有的东西。

那便是显卡！

显示接口卡

定义：显卡（Video card，Graphics card）全称显示接口卡，又称显示适配器，在游戏开发水平与日俱增的今天，显卡是计算机最基本最重要的配件之一。
功能：显卡作为电脑主机里的一个重要组成部分，是电脑进行数模信号转换的设备，承担输出显示图形的任务。

基本参数
1．显示芯片（芯片厂商、芯片型号、制造工艺、核心代号、核心频率、SP单元、渲染管线、版本级别）
2．显卡内存（显存类型、显存容量、显存带宽（显存频率×显存位宽÷8）、显存速度、显存颗粒、最高分辨率、显存时钟周期、显存封装）
3．技术支持（像素填充率、顶点着色引擎、3D API、RAMDAC频率）
4．显卡PCB板（PCB层数、显卡接口、输出接口、散热装置）

显卡分类

集成显卡：集成显卡是将显示芯片、显存及其相关电路都集成在主板上，与其融为一体的元件。
集成显卡的优点是：功耗低，占用空间小，发热低。
缺点是：性能差，故障难维修。
集成显卡因其性能低下，所以一般适合没有太多图形需要处理的工作环境。

核心显卡：核心显卡是将图形核心与处理核心整合在同一块基板上，构成一颗完整的处理器。此乃英特尔公司的杰作。在普通家用级CPU里便是整合了一块图形核心，如酷睿系列。
优点：核心显卡的有点与集成显卡的优点基本一致，不过在性能上核心显卡通常是强于集成显卡，这也满足了不少用户的游戏需求。
缺点：难以胜任大型游戏以及专业图形处理工作。

独立显卡：独立显卡是指将显示芯片、显存及其相关电路单独做在一块电路板上，自成一体而作为一块独立的板卡存在，它需占用主板的扩展插槽（ISA、PCI、AGP或PCI-E)。
优点：独安装有显存，一般不占用系统内存，在技术上也较集成显卡和核心显卡先进得多，性能远超集成显卡和核心显卡，同时容易进行显卡的硬件升级，故障也容易更换和维修。
缺点：功耗高，发热量大，占据空间大，性能较强的显卡价格昂贵，对于笔记本来说这几点是非常影响整个系统的稳定性的（热量）。

其实独立显卡也分为两类，一类是专业的图形卡，一类是娱乐用的游戏卡，如同CPU的至强和酷睿一样，需求不同性能侧重点不同。

独立显卡是多个部件组合而成协同工作，更像是一个将数字信号转换为模拟信号的硬件系统。虽然独立显卡有诸多缺点，但是独立显卡市场依然火热，究其原因还是因为独立显卡拥有集成显卡核心显卡难以企及的强大性能，在用户眼中只要拥有强大的性能，其他那些缺点却是不太在乎。

看到这里或许或有读者疑问了，既然计算机硬件这么多，那么这些硬件究竟是怎么联合在一起工作的呢？

这就是主板（mainboard）的工作了。

主板（mainboard）

定义：主板（英语：Motherboard,Mainboard，简称Mobo），又称主机板、系统板、逻辑板、母板、底板等，是构成复杂电子系统的中心或者主电路板。
功能：在计算机中主板的功能便是将所有的硬件连接到一起构成计算机硬件系统，协同并维持各硬件的工作。

简介：典型的主板能提供一系列接合点，供处理器、显卡、声效卡、硬盘、存储器、对外设备等设备接合。它们通常直接插入有关插槽，或用线路连接。主板上最重要的构成组件是芯片组（Chipset）。而芯片组通常由北桥和南桥组成，也有些以单片机设计，增强其性能。这些芯片组为主板提供一个通用平台供不同设备连接，控制不同设备的沟通。它亦包含对不同扩充插槽的支持，例如处理器、PCI、ISA、AGP，和PCI Express。芯片组亦为主板提供额外功能，例如集成显核，集成声效卡（也称内置显核和内置声卡）。一些高价主板也集成红外通讯技术、蓝牙和802.11（Wi-Fi）等功能。

工作原理：在电路板下面，是4层有致的电路布线；在上面，则为分工明确的各个部件：插槽、芯片、电阻、电容等。当主机加电时，电流会在瞬间通过CPU、南北桥芯片、内存插槽、AGP插槽、PCI插槽、IDE接口以及主板边缘的串口、并口、PS/2接口等。随后，主板会根据BIOS（基本输入输出系统）来识别硬件，并进入操作系统发挥出支撑系统平台工作的功能。

主板结构

1.芯片组：决定主板的功能，是主板性能的关键。
2.扩展槽：扩展插槽是主板上用于固定扩展卡并将其连接到系统总线上的插槽，也叫扩展槽、扩充插槽。
3.主要接口：硬盘接口（SATA M.2等），USB接口，PCI-E接口，内存接口等接口。
4.主板平面：主板平面就是一块PCB板，将以上部件集于一个平面。