文计笔记2： 计算机硬件知识

1 芯片

集成电路技术高速发展，把数以亿计的晶体管、电容、电阻、导线等电子元件组成的线路集成在一小片晶体硅上，称为集成电路芯片。

2 主板

主板是一块电路板，是主机箱内的核心。

微机中最核心的部件如处理器、存储器、接口卡等都安插在主板上。

现在的主板上一般都集成有显卡、声卡、网卡等。

微机系统中的各种设备和部件最终都要连接到主板上。

3 中央处理器CPU

微型计算机的控制器和运算器通常集成在一块芯片上，称为中央处理器CPU，是计算机的心脏。

CPU的主要性能指标是主频（CPU执行指令的速度，例如2.0GHZ）。

3.0 CPU组成

• CPU (Central Processing Unit) 有两个部件组成：
  • ALU – Arithmetic-Logic Unit（运算器）
  • Control unit （控制器）
    • ​​​​​​​控制器控制计算机的其余部分如何完成程序的指令
      • ​​​​​​​内存和其他部件之间 信息&指令的传递
      • CPU和输入输出设备之间 控制信息的传送
    • 控制器中的寄存器
      • 指令寄存器（IR）：保存当前正在执行的指令
      • 程序计数器（PC)：保存下一条要执行的指令地址
        • 取下一条指令：按PC指定的地址到内存中取出下一条指令，存入IR。
        • 解码指令：将指令解码成一系列的控制信号
        • 执行指令：将控制信号发送给相关部件，执行相应的运算

3.1 多核CPU

核心(Die)又称为内核，是CPU最重要的组成部分。

CPU所有的计算、存储、控制功能都由核心执行。

多核处理器是指在一个处理器上集成两个以上的运算核心，多核技术能够使服务器并行处理任务，从而提高计算能力。

4 存储器

存储器是用来保存数据和程序的装置。

广义的存储器包含内存和硬盘，逻辑结构上的存储器仅指内存。

4.1 只读存储器 ROM

只读存储器（ROM，Read-Only Memory），是一种只能读出不能写入的存储器，其中的程序和数据在厂家制造时就已经写入。

主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制，例如系统时间、CPU 有关设置、启动方式等。

计算机掉电后其中的信息不会消失。当打开计算机时，CPU执行ROM中的指令，搜索并加载磁盘上的操作系统，然后计算机开始运行。

4.2 随机存储器 RAM

随机存储器（RAM，Random Access Memory），就是一般所指的内存，它是可读写的易失性存储器，即在带电的情况下，可以随时进行读出和写入，掉电后其中存储的程序和数据将会消失。

4.3 存储系统的层次结构（内外存结构）

4.4 高速缓冲存储器cache

内存速度的提高远远赶不上电路速度的提高，CPU执行指令的速度远远高于内存的读写速度。

由于CPU每执行一条指令都要访问内存一次乃至几次，所以内存制约了CPU执行指令的速率。

解决方法： 引入高速缓存技术。

高速缓冲存储器（Cache）介于内存和CPU之间，存取速度比内存快，但容量不大，主要是用来存放当前内存中使用最多的程序块和数据块，并以接近CPU的速度向CPU提供指令和数据，从而加快了CPU的执行速度。

高速缓存大都和CPU封装在一块芯片上。

4.5 高速缓冲存储器分级

按照数据读取顺序和与CPU结合的紧密程度，CPU缓存可以分为一级缓存，二级缓存，三级缓存，每一级缓存中所储存的全部数据都是下一级缓存的一部分。

当CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有找到再从二级缓存中查找，如果还是没有就从三级缓存或内存中查找。

4.6 带cache的存储系统结构

5 寄存器

寄存器(Register) 是中央处理器CPU内部用来存放数据的小型存储区域，用来临时存放参与运算的数据及其运算结果。是内存阶层中的最顶端。

从工作速度的角度看，“寄存器”是高速存储单元，其工作速度与信息处理的运算部件合拍，一次存取数据所花费的时间大约是从零点一纳秒到十纳秒的量级。

从信息传输的通路上看，寄存器与处理部件距离最 近，处理部件执行指令时一般都直接对寄存器进行操作。

这样的寄存器制作成本很高，一个CPU芯片中通常只配备几十个寄存器（也有的芯片含寄存器数量更多一些）。

6 虚拟内存

虚拟内存(Virtual Memory)是计算机系统内存管理的一种技术。Windows中运用虚拟内存技术，匀出一部分硬盘空间来充当内存使用，当执行的程序很大或很多导致内存耗尽时，计算机就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。

当RAM运行速率缓慢时，它便将数据从RAM移动到称为“分页文件”的空间中。将数据移入与移出分页文件可释放RAM，以便完成工作。

由系统优化软件设置为物理内存的1.5-3倍。一般Windows 默认情况下是利用C盘的剩余空间来做虚拟内存的。

7 外存储器

外存储器属于外部设备，既是输入设备，也是输出设备。

外存储器的类型不同，存取速度、存储介质、存储容量以及工作原理也不尽相同。

其存储方式的一个重要特点就是非易失性，不需要外部提供能量就可以保持存储媒介上的信息不丢失。

这类存储设备的数据访问速度比主存储器慢得多。
从物理原理上讲，它们是利用物质的光、电、磁等物理特性，来表示0/1数据

7.1 软盘

现今已较少使用

7.2 硬盘

介质：磁性存储介质。

7.2.1 硬盘外观

7.2.2 硬盘读写

7.3 移动硬盘 

移动硬盘是一种可移动的存储设备，工作原理同硬盘存储器，采用USB接口。

固定硬盘可以很方便地转换成移动硬盘来使用。

7.4 U 盘（闪存盘）

介质：半导体芯片，采用USB接口。

U盘没有机械读写装置，避免了移动硬盘容易碰伤、跌落等原因造成的损坏。

7.5 光盘

介质：利用光信号来记录数据。

读写速度：光盘的读写速度一般较硬盘慢。

光盘存储系统由两个部分组成： 光盘盘片+光盘驱动器

7.5.1 光盘盘片

根据数据存储格式的不同，可分为CD和DVD两种。

单张CD存储容量为650MB，单张DVD容量可达 4.7 GB。

新一代高清存储技术： 蓝光DVD  单面单层25G

根据读写形式的不同，光盘可分为：      

1）只读光盘 DVD| CD-ROM      

2） 一次可写型光盘  DVD|CD-R      

3）多次可擦写光盘   DVD|CD-RW

7.5.2  光盘驱动器

光盘驱动器只能读取数据，而不能写入数据。

向光盘写入数据需要使用光盘刻录机。

7.6 磁带

存储信息：磁带从固定的磁头下面滑过，电信号流经磁头时产生的磁场使得磁带的某些部分被磁化，将信息记录在磁带上

8 总线结构

8.1 I/O接口卡

输入输出设备和总线通过I/O接口卡连接起来。

这是由于各种设备的物理结构、工作速度、信号形式和数据格式等各不相同，必须通过I/O接口卡来完成信号的转换和处理，才能实现与CPU之间的信息交换。

I/O接口卡通常是一块电路板。

随着集成电路技术的发展，有些接卡口就直接集成在主板上，例如声卡、显卡、软硬盘接卡口等。

8.2 常见的I/O接口卡

显示接口卡，简称显卡，连接显示器。

软、硬盘接口卡，连接磁盘驱动器或光盘驱动器。

2S/P卡，提供两个串行口和一个并行口，并行口可以用来连接打印机，串行口可以用来连接串行设备（如鼠标、键盘）。

USB接口卡，连接各种USB设备。

音频接口卡，又称声卡，连接音箱和麦克风等。

网卡，将计算机接入局域网。

调制解调器接口卡，即MODEM卡，将计算机通过电话线接入网络。

8.3 I/O扩展槽

主板上一般会提供几个插槽专门用来插入各种接口卡，通常称为I/O扩展槽。

各种接口卡就安插在这些扩展槽里。

8.4 机箱后面版

接口卡在插入扩展槽中后，其连接设备的一端会出现在主机箱的后面板，并提供形形色色的连接不同设备的插座，称为扩展端口（Expansion Port）,。

各种不同的设备就是通过各种电缆连接在这些端口上。

9 显示器-像素

显示器上最基本的显示单元是像素(pixel)。

分辨率是指显示器所能显示的像素个数。像素越密，分辨率越高，图像越清晰。