计算机组成原理：02---电脑主板架构、CPU、内存、显卡、硬盘与存储设备、扩展卡与接口、主板、主机电源简介

一、电脑主板架构

1.概念：主板是连接各组件的重要部分。主板上连接各部分组件的芯片组，其设计优劣，会影响电脑的性能

2.芯片组

①早期芯片组：早期的芯片组通常分为两个网桥来控制各组件的通信

• 北桥：负责连接速度较快的CPU、内存与显卡等组件
• 南桥：负责连接速度较慢的设备接口，包括硬盘、USB设备、网卡等

②现在的芯片组：因为北桥最重要的就是CPU与内存之间的桥接。但是为了加快CPU与内存之间的通信速度，现在的芯片组，将北桥的内存控制台整合到了CPU当中。所以下面的图中，你只能看到南桥，没有以往的北桥芯片

二、CPU

1.CPU(中央处理器)：CPU为一个具有特定功能的芯片，里面含有指令集。

2.CPU的两个主要单元：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：主要协调各周边组件与各单元间的工作

3.CPU的架构、指令集

目前世界上最常见的两种CPU架构：精简指令集、复杂指令集

• 精简指令集(RISC)：指令集较为精简，每个指令的运行时间很短，完成的操作也很简单。如果想要做复杂的事情，就需要多个指令来完成。目前时间上使用最广的CPU就是ARM这种架构
• 复杂指令集(CISC)：与RISC不同，CISC指令集的每个小指令可以执行一些较低的硬件操作，指令数目多而复杂，花费时间较长，但每个单条指令可以处理的工作较为丰富。常见的使用CISC指令集的CPU有AMD、Intel、VIA等X86架构的CPU

4.CPU位数、等级

所谓的位(bit)，就是CPU一次读取数据的最大量。64位CPU代表一个可以读取64位的数据，32位CPU代表一个可以读取32位的数据

5.CPU的差异

• 不同的x86架构的CPU除了整体构造(如二级缓存、命令执行周期数等)之外，主要在于指令集的不同。
• 新的x86CPU大多含有很先进的指令集，这些指令集可以加速多媒体程序的运行，也能够增强虚拟化的性能，而且某些指令集更能够增加能源利用效率，让CPU耗电量降低

6.CPU频率

除了前面谈到的CPU内部指令集会导致CPU工作效率，CPU的频率也会影响CPU性能

• 什么是频率：频率就是CPU每秒钟可以进行的工作次数，频率越高CPU在单位时间内就可以做更多的事情
• 例如：Intel的i7-4790的CPU频率为3.6GHz，表示这块CPU在一秒内可以进行3.6*10^9次工作

7.超线程(HT)

HT可以提升性能，自行查阅

三、内存

1.简介：前面提到的CPU所使用的数据都来自于内存，不论是软件程序还是文件数据，都必须读入内存后CPU才能利用

2.动态随机存取内存（DRAM）

①概念：个人电脑的内存主要组件为动态随机存取内存，内存只有在通电时才能记录和使用，断电之后数据就消失

②分类：现在广泛的分为：SDRAM与DDR SDRAM（两者的差别在于针脚与工作电压上）

• DDR：双倍数据传输速度，它可以在一次工作周期中进行两次数据的传输，传输频率比SDRAM好一些
• 随着技术的发展，有DDR、DDR2、DDR3等。其中，DDR2的频率倍数是4，DDR3则是8倍，以此类推....

3.多通道设计

• ①概念：由于所有的数据都要存放在内存，所以内存的数据位宽当然是越大越好。但是传统的位宽只有64位，为了加大位宽，芯片组厂商就将两个内存集合在一起，如果一根内存条可以达到64位，那么两根内存条就可以达到128位，从而达到双通道的设计理念
• ②注意：启用多通道设计插入多个内存条时，这多个内存条的型号最好是一模一样的

4.二级缓存

• ①概念：我们知道CPU的数据都是有内存提供的，但是如果某些常用的程序或者是数据可以放置在CPU内部的话，那么CPU就不需要再跑到内存重新读取数据，从而提升了性能
• ②注意：二级缓存又称为内存控制器，是存在于CPU内部的一种结构

5.其他

• 内存除了频率/位宽/型号需要考虑之外，内存容量也是很重要的
• 以服务器来说，有时候内存的容量比CPU的速度还重要

四、显卡

1. 概念：显卡又称VGA，它对于图形影像的显示扮演着相当关键的角色。

2.显存：每个图像显示的颜色都会占用内存，因此显卡上面会有集成内存并称为显存

• 显存容量会影响到你的屏幕分辨率与颜色深度

3.GPU：在早期，显卡的运算能力由CPU完成，但是CPU已经很忙碌了，所以后来显卡厂商直接在显卡上面嵌入一个3D加速的芯片，就是GPU

• 显卡主要通过GPU的控制芯片来与CPU、内存等通信

4.显卡的接口形式

• D-Sub(VGA接口)：为较早之前的连接接口，主要为15针的接口，为模拟信号的传输所使用
• DVI：公有四中以上的接口，不过市面上比较常见的仅有提供数字信号的DVI-D，以及整合数字与模拟信号的DVI-I两种。DVI常用于液晶屏幕的连接
• DHMI：以上两种(VGA、DVI)仅能传输影像数据，HDMI可以同时传输影像和声音，被广泛的应用于电视屏幕，电脑屏幕也常使用
• DispalyPort：与HDMI相似，可以同时传输声音和影像，不过这种借口的在市面上比较少用

五、硬盘

1.硬盘的物理组成

• 由许许多多的圆形碟片、机械手臂、磁头与主轴马达组成

2.硬盘的运行

• 实际运行时，主轴马达让碟片转动，然后机械手臂可伸展让磁头在碟片上面进行数据读写操作

3.硬盘上的数据

由于碟片是圆的，并且通过机械手臂去读写数据，数据的读写是以圆圈转圈的方式进行。

• 扇区：碟片被切出一个一个的小区块，这些小区块就是磁盘最小物理存储单位，称之为扇区
• 磁道：同一同心圆的扇区组成的圆就是磁道

原本的扇区为512B大小，但是随着硬盘的容量越大，目前大部分高容量硬盘已经使用了4KB的扇区设计

4.传输接口

磁盘与主板的接口经过了多次的改良。传统的磁盘接口有SATA、SAS、IDE、SCSI等，外接式磁盘还包括USB、eSATA等接口。不过目前IDE被SATA取代，SCSI被SAS取代

• SATA：插槽所使用的连接线比较窄小，带换了原来IDE粗排线接口。SATA已经到了第三代，每一代都有向下兼容性
• SAS接口：一般个人电脑上没有内置的SAS接口，需要通过外接转卡才能够支持。
• USB接口：是最常见的外接式接口

6.缓冲存储器

• 硬盘里面有一个缓冲存储器，这个内存主要可以将硬盘内常使用的数据缓存起来，以加速系统的读写性能。目前主流产品可达64MB的大小

7.使用须知

• 由于硬盘内部机械手臂上的磁头与碟片的接触是很细微的空间，因此要避免污物的沾染，造成数据的损坏
• 电脑关机后，硬盘上的机械手臂要慢慢回归原位。因此不能强制电脑关机，否则会造成硬盘损坏

六、固态硬盘(SSD)

1.引入：传统硬盘有个致命的问题，就是需要驱动马达去转动碟片，这样会造成严重的磁盘读取延迟。后来有厂商拿闪存去制作高容量的设备，这些设备的接口也使用SATA或SAS，而且外形跟传统磁盘一样（因为没有磁头和碟片，都是闪存），后来就被称为固态硬盘

2.优缺点

• 优点：不需要马达转动，通过闪存直接读写数据，还省点
• 缺点：早期的SSD，闪存有写入次数的限制，而且寿命大概两年就顶天了。现在的SSD的使用寿命扩展到了更多

七、扩展卡与接口

待更新。。。

八、主板

1.设备I/O地址与IRQ中断请求

主板负责各个组件之间的通信，但是组件太多，主板芯片如何负责通信哪？这个时候就用到了I/O地址与IRQ

• I/O地址：类似于门牌号，每个设备有自己的地址，因此不能出现两个设备使用同一个I/O地址
• IRQ：各设备通过IRQ中断请求来告知CPU该设备的工作情况，以方便CPU进行工作分配。老实的主板芯片组中IRQ有15个，如果你发现你周边接口太多可能不够用时，这时你可以关闭一些没有用到的接口，来给一些真正需要用的接口

2.CMOS与BIOS

• CMOS：主板上的一块芯片，借助额外的电源记录主板上的重要参数：系统时间、CPU电压与频率、各设备的I/O地址与IRQ等。由于这些数据的记录都需要电，所以主板上会有一块纽扣电池
• BIOS：是写入到主板上的某一块flash或EEPROM的程序，它在计算机启动的时候执行，以加载CMOS当中的参数，并尝试调用存储设备中的引导程序，进一步进入操作系统中。BIOS可以修改CMOS中的数据

3.其它外置设备接口

• PS/2接口：原本常见的键盘与鼠标接口，不过目前被USB接口替换，很少有
• USB接口：一般分为USB2.0与USB3.0。为了便于区分，USB3.0的插槽颜色为蓝色
• 声音输出、输入与麦克风：一些圆形插孔，只看主板上面有内置音效芯片时，才会有这三个插孔
• RJ-45网络头：如果有内置网络芯片的话，就会有这种接头出现。类似于电话接头，不过内部有8个芯片触点，接上网线后这个接头会有信号灯亮起来
• HDMI：如果有内置芯片的话，可能会提供这个与屏幕连接的接口，目前是电视机屏幕的主流接口

九、主机电源

机箱内有个大大的铁箱子，上面有很多电源线会跑起来，那就是主机电源。我买的CPU、RAM、主板、硬盘灯都需要电。

能源转换率：主机电源本身也会使用一部分的电力。购买主机电源时最好挑选转换率高的

• 转换率=输出功率/输入功率。例如：主板用电量为250W，但主机电源已经使用了320W的电力，则转换率为：250/320=0.78，这个数值越高表示被主机电源玩掉的电力越少，就越符合能源效率。

十、系统不稳定的原因

系统超频、主机电源不稳，内存无法负荷，系统过热