计算机硬件技术基础（一）

标签： 硬件 科普

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1. 计算机的发展概况

1946-1958 真空管计算机
1959-1964 晶体管计算机
1965-1970 集成电路计算机
1971-至今 超大规模集成电路计算机

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2. 计算机系统的物理组成及特点

微机的组成部分

1. cpu
2. 显卡
   • 独立显卡
   • 集成显卡
   • AGP显卡
   • PCI-E显卡
3. 声卡
4. 电源
5. 硬盘
6. 主板：连接各个设备的中心
7. 内存
   • SDRAM
   • DDR
   • DDR2
   • DDR3
8. 硬盘(磁性硬盘与固态硬盘)
   • IDE
   • SATA
   • SCSI:支持热插拔
   • SAS
   • 固态硬盘
   • 移动存储(SD卡、TF卡、u盘)
9. 显示器接口
   • VGA模拟信号接口
   • DVI数字显示接口
   • HDMI
10. 鼠标接口
    • DB9
    • PS/2
    • USB
11. 通讯设备

• 电话线
• 以太网

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3.计算机系统的逻辑组成及特点

从下往上分为：

1. 硬件系统
2. 机器语言(0、1二进制的编码)
3. 操作系统（管理计算机内部的硬件，协调，是一个系统级的软件。
4. 系统应用程序
5. 用户

计算机逻辑结构

冯 诺依曼结构

1. 计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。
2. 数据和程序均以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由存储器地址指定
3. 计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令并执行

运算器

• 运算器执行运算的装置
  • 算术运算（+、-、*、/）
  • 逻辑运算（如与、或、非）
• 运算器主要部件在cpu内部的算术逻辑单元与相应的寄存器，通识还保存反映运算结果的状态。

控制器

• 控制器负责计算机各部件的之间的协调控制，通常由下面几部分的组成。
  • 指令寄存器：记录当前要干什么。
  • 程序指针寄存器：记录计算机现在做到什么程度、执行到什么指令了。
  • 指令译码部件：翻译指令意思
  • 控制电路：给其他部件发信号
• 存储器
  • 存储器是用来保存二进制信息的部件
  • 按字节为单元进行组织管理，每个字节占用一个存储单元，每个储存单元有唯一的地址
  • 存储器中存放的可以是数据信息也可以是指令信息，但都是01二级制码。具体起什么作用，主要在于cpu如何解释

输入设备

• 用来输入数据和程序的装置，其功能是将艾姐的信息转换成计算机能识别的形式并传送到计算机内部。

输出设备

• 是将计算机内部的01二级制码转换成我们能理解的信息

系统总线

• 总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线。
  • 地址总线（Address Bus, AB）单向，只能由cpu（控制器）发出。
  • 数据总线（Data Bus,DB）,双向。获取数据信息
  • 控制总线（Control bus,CB）双向，协调发出各种控制信号的总线

也存在哈佛结构

1. 采用数据与程序分开的结构，避免了冯诺依曼机构的缺陷(在输入输出特别频繁的时候，数据和程序的存储是共同的，而且读取数据的时候，与cpu的形成通道堵塞)
2. DMA技术
3. 手机里面存在哈佛结构
4. 目前冯诺依曼结构太过庞大，无法快速改变.

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4. 计算机程序的执行过程

指令的执行过程

1. 取指 fetch
2. 译码 decode
3. 执行 execute
4. 回写write-back

取指

1. 从IP（内部寄存器）所指向的内存地址加载下一条指令
   • 计算CS+IP的值（内存地址），将内存的结构送到地址总线上（取指令的二进制命令编码）
   • 控制总线发出“读”信号至内存（发出翻译指令）
   • 等待内存返回信息后读取数据总线的内容，并转存至指令队列。（放入指令的队列中去执行）
2. 自动递增IP值，指向下一条指令。（对下一个指令进行操作）

译码（解释指令的意义）

1. 先确定操作码
2. 如需要从内存取操作数（数据），
   • 根据指令中的 偏移地址 计算内存地址，送到地址总线
   • 控制总线发出“读”信号至内存
   • 读取内存中的内存，并转存至内部寄存器。

执行（算术运算或逻辑运算）

1. 在CPU运算器中执行指令
2. 根据运算结果修改状态标志（状态存储在cpu内部或者内存）

回写

1. 将运算结果回写至内部寄存器或者内存中
2. 如写入内存，则
   • 根据偏移地址计算内存地址，送到地址总线上
   • 控制总线发出的“写”信号
   • 将运算结果送到数据总线上，等待存储器接收完成

指令执行的源动力：

时钟信号是驱动控制执行动作的触发源

1. 在每个始终跳变的边沿，控制器就执行一个动作（取指或者译码等）
2. 时钟变化越快，控制器执行越快

时钟生成电路

1. 基于晶体振荡器（石英），石英经过切割可以产生一个较为稳定的时钟频率

时钟信号类似于划龙舟的鼓点，一个鼓点一个动作（行为）
经典例子：后厨做饭

如何提高指令的执行效率：细化分工，把每一部分的分工更加的明确（暂时了解）

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5. 计算机系统的主要性能指标

字长

• CPU进行运算和数据处理的最基本的信息位长度，也就是一次可以处理的二进制数码的位数，计算机的字长，由8位-->16位-->32位-->64位，字长的增加可以使cpu单位时间内的处理的信息变大，但局限于硬件电路内部的复杂性，很难继续延申下去。

运算速度

• MIPS
  • 计算机每秒钟所能执行的指令条数，单位为每秒百万条指令
• FLOPS
  • 计算机每秒所能执行的浮点数运算次数（Floating-Point Operations Per Second）,由于对精度的要求，常被用来估计电脑执行效能，尤其是在使用到大量浮点数运算的科学计算领域。

主存容量

• 主存储器所能存储二进制信息的总量。内存容量越大。微型计算机的存储单元越多，所携载的信息越多

系统软件的配置

• 主要在于操作系统的不同，比如Windows linux等

CPU主要参数指标

主频

• CPU的工作频率，就是比如i7， 3.5GHz(时钟频率)，其中为cpu内部的时钟频率

外频

• CPU的外部 时钟频率 ， 一般为66MHz、100MHz、200MHz等，外部是指的在外部，主板上的时钟频率，信号在主板上要降低频率，以减低对主板的要求，避免出错，在外部驱动cpu，内部加速运作。

倍频

• CPU外频与主频相差的倍数，主屏 = 倍频 X　外频

接口

• 指CPU和主板连接的接口
  • 插针式（引脚容易断，比如8086）
  • 卡式（引脚太多）
  • 针脚式（容易断）
  • 触点式（比如i7）