计算机认识笔记

以下内容纯属笔记，欢迎吐槽

计算机是什么？

    计算机就是进行计算的电子工具。

 

计算机怎么工作

    说计算机是进行计算的工具，是因为计算机的CPU核心设备是运算器和控制器，控制器控制数据进出运算器，运算器进行运算，运算器最基础的组件是加法器，CPU能进行的最大运算位数为CPU的位数，比如32位CPU只能进行32位（二进制）的运算，再比如进行加法运算时，要有32条线路送入运算器加数，要有32条线路送被加数进入运算器，还要有32条线路读取运算结果，但是这显然是很麻烦的，制作工艺上光线路就非常多了，但是如果只用一条总线来传输数据给运算器，运算器怎么知道哪个数据是干嘛的呢？这就用到了控制总线，在向运算器传入数据时，控制器也会告诉运算器现在传输的是什么，但麻烦的是数据到了运算器要如何保存，下一个数据传过来就把原来的数据给覆盖掉了，因此这就用到了寄存器，寄存器是用来保存临时的数据，大小和CPU位长一样。运算后的结果通过控制器的控制写入内存。我们知道，计算机数据传输是用二进制传输的，那为什么不用像十进制这种每次能传输大数据的方法呢，计算机是用电的，学物理都知道，电压分正负和大小，如果用像十进制这样的方法来传输数据，那要分10个不同的电压段，但是，线路是有电阻的，等数据到目的地，那电压可能完全不对了，所以这种方法是不可行的，而用二进制的方法只用正负来表示就不会出错了。现在回到加法运算，向运算器传入数据是通过32条线路来传入二进制位的（假设32位机器），传入数据是用类似开关来实现的，闭合就是1，断开就是0，在CPU内部是不可能是人为去开关的，就算是人工操作那效率也是相当低下的，所以CPU内部有个特殊的元件来实现这个功能，同时这个元件的快慢也对CPU的速度起很大的影响，按我理解这个很大程度上决定CPU的主频，切换快，主频相对也就高了。还有一个对计算机速度（CPU方面）影响很大的就是存储了，从CPU到内存间的数据存储是很耗时间的，单单现在CPU主频基本都有3点多GHz，而内存一般最大只1600MHz这中间的差距是非常大的，而高速的存储造价有非常昂贵，所以有了容量小高速缓存，在CPU中大概有三个高速缓存：一级缓存，二级缓存，三级缓存。一级缓存离CPU最近，容量最小，速度最快，二级三级逐级递减。当然最快的缓存是寄存器，但是容量也是最小的。

 

CPU常见类型（硬件架构）

    不同架构的CPU的内部结构和汇编指令集是不同的，常见的CPU类型有：

    ARM ：手持智能设备常用，比如我们智能手机，平板等处理器都是ARM架构的。

    MIPS ：主要用在小型电子产品，网络设备，个人娱乐设备上，比如市场上常见的家用路由器都是MIPS架构的。

    x86 ： 个人计算机常用的架构，典型代表：Intel 和AMD ，这两家公司的CPU是兼容的（竞争对手）。

    x64（AMD64） ： 64位的个人电脑处理器，和x86差不多，最早出现在AMD公司。

    Intel Itanium(安腾) ： Inter在惠普公司收购的64位处理器（为了抵挡AMD有64位CPU的冲击）

    alpha(阿尔法) ： 惠普公司CPU

    UltraSparc ： SUN公司CPU（现已经被Orical收购）

    Power ： IBM公司CPU，性能超强，价格超贵（最早主频达到4GHz）

    PowerPC ： 苹果电脑早期使用的CPU这就是为什么以前的普通个人电脑无法装苹果系统

 

 

CPU怎么处理信息

    在计算机的使用中，我们会发现敲击键盘，点击鼠标等计算机都会发出相应，CPU是怎么知道我们敲击了硬盘或者点了鼠标呢？我们可以猜想CPU连了线到各个设备，CPU每隔一段时间（也许是1ms）去各个设备上看看有没有数据，但是如果我们一天都没敲键盘，那CPU得浪费多少时间去看看那些设备有没有数据输入，而且有的服务器动不动就好多硬盘接入（500个硬盘很正常），CPU怎么可能有这么多线路给你使用？所以用到了中断技术，CPU只有一条中断线路，那个设备有数据了就发送一个中断码给CPU，CPU就知道哪里有什么事了，暂停下正在处理的事情（术语是现场保护），转去响应设备的中断信息。当发送数据到网卡上时，网卡就产生中断信号，CPU就来处理这些数据了，可以相信，如果一个服务器访问量很大，是不是CPU要不停的去处理这些中断信息，就没CPU时间来处理别的工作了，就是拒绝服务攻击DDOS的原理，所以一般服务器不是普通的PC而是性能强劲的专用服务器，大型网络公司用的就是服务器群了。

 

南北桥芯片

    计算机主板上有两块核心的控制芯片，南桥和北桥，南桥也叫低俗控制芯片，用来连接外围设备，比如鼠标键盘等，远离CPU位置，北桥靠近CPU位置，北桥也叫高速控制芯片，能快速的处理大量的数据，在早期北桥用来控制内存和CPU之间的数据交换，现在内存是直接连接在CPU上，这样获得更快的速度，现在的北桥用来连接南桥和一些其他的总线，显卡有事要处理非常多的大数据显示文件，比如3D，视频渲染等，有的主板直接把显卡芯片集成到北桥上，以获得更快的速度。在Web服务器上，如果是常规的机械硬盘连接在南桥上，假设一个网页大小1MB，如果同时有几万人同时访问这个服务器上的网页，那么这个服务器要在这一时刻接受几万兆数据的读取，这种情况下要不就是硬盘烧了，要不就是只有一部分人能访问，如果把硬盘接在北桥上，速度能得到极大的提升，当然，机械硬盘打死速度也只那么高，像淘宝有些服务器就是接SSD到北桥上来获得更大的数据承受量。

 

计算机的启动

    我们知道，内存在断电后数据是丢失的，在计算机开机时，操作系统是怎么启动的？那时候内存没有任何数据，CPU是只能直接读取内存上的数据的，内存上压根没指令，CPU就不可能会运行。我们主板上有个ROM存储器，它控制计算机的开机自检，它里面的数据是计算机出厂就固定不可修改的（理论上），这就是所说的BIOS，在计算机加电的瞬间，BIOS就把自己里面的数据拷贝到内存的起始位置，CPU就从那开始读取BIOS里面的指令来检测计算机的核心设备有没有错误，通过自检后，就加载硬盘零扇区的操作系统启动文件，之后的一切交割给操作系统来操作，BIOS就完成了它的开机启动使命。