计算机组成原理

冷不防 2021-11-11 04:48 542阅读 0赞

*  一、控制器(一)
 *  二、运算器(二)
 *  三、控制器+运算器(计算机的中央处理器CPU)
 *  四、存储器(三)
    
     *  4.1 内存(主存)
     *  4.2 外存
 *  五、CPU+内存+外存(计算机的三大核心组件)
 *  六、输入设备(四)
 *  七、输出设备(五)
 *  八、计算机五大组成部分补充
    
     *  8.1 CPU相关
     *  8.2 存储器相关
     *  8.3 总线
     *  8.4 启动计算机的流程(步骤4-6了解)
     *  8.5 硬盘工作原理
     *  8.6 机械硬盘
     *  8.7 固态硬盘

计算机分为五大组成部分，分别为：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。其中控制器+运算器是计算机的中央处理器（CPU），相当于人类的大脑。

# 一、控制器(一) #

计算机的指挥系统。大脑指挥全身的器官运作，但是大脑不会随意的指挥身体行动，大脑只有在接受指令后才会控制身体行动（如果你患有急性注意缺陷多动障碍（多动症），你可以找Doctor Nick）。

![003-计算机组成原理-多动症.jpg?x-oss-process=style/watermark][003-_-_.jpg_x-oss-process_style_watermark]

# 二、运算器(二) #

运算器是计算机的运算系统。大脑除了指挥，无时无刻还在运算。即实现算术运算和逻辑运算。

1.  算术运算：1+1=2
2.  逻辑运算：碰到疯狗，表白？

![003-计算机组成原理-疯狗表白.jpg?x-oss-process=style/watermark][003-_-_.jpg_x-oss-process_style_watermark 1]

# 三、控制器+运算器(计算机的中央处理器CPU) #

吃饭流程示例。

1.  当你吃饭的时候，大脑会接受吃饭的指令，之后把指令翻译成你身体需要进行的动作（控制器）
2.  如果吃的是西餐，则使用勺子；如果吃的是中餐，则使用筷子（运算器）。

![003-计算机组成原理-吃饭流程.gif][003-_-_.gif]

# 四、存储器(三) #

计算机的存储系统。需要注意的是：无论是内存还是外存，计算机存储的数据格式都是01，01的形式，0和1由电压的电频控制（了解知识点）。计算机的存储的一个二进制单位称为1bit，8bit=1Bytes称为一个字节，1024Bytes=1KB，1024KB=1MB，1024MB=1GB，1024GB=1TB，1024TB=1PB。

![003-计算机组成原理-计算机存储单位转换.jpg?x-oss-process=style/watermark][003-_-_.jpg_x-oss-process_style_watermark 2]

下图展示了目前市面上常用的存储器，从图中可以看出存储器的速度、容量和价格是相互矛盾的。

![003-计算机组成原理-存储器分类.jpg?x-oss-process=style/watermark][003-_-_.jpg_x-oss-process_style_watermark 3]

## 4.1 内存(主存) ##

内存是计算机内临时存储数据的硬件设备。由于内存读取数据速度较快内存，CPU下达的指令会直接传输给内存，即CPU会与内存直接交互。常见的内存有内存条。

1.  优点（较于外存）：
    
    1.  存取速度快。
2.  缺点（较于外存）：
    
    1.  容量小。
    2.  由于内存基于电存储数据，因此断电数据马上会消失。

## 4.2 外存 ##

外存是计算机内永久存储数据的硬件设备，由于外存容量大，所以外存主要用于存储软件等占用量大的数据。当需要使用外存上的某个软件时，CPU下达的指令需要传输给内存后，内存再从外存中读取软件信息，即CPU不与外存直接交互。常见的外存有磁带、磁盘和u盘等。

1.  优点（较于内存）：
    
    1.  容量大
    2.  可以永久存储数据。
2.  缺点（较于内存）：
    
    1.  存取速度慢。

# 五、CPU+内存+外存(计算机的三大核心组件) #

电脑打开QQ流程示例。

1.  双击QQ图标，CPU先向内存发出取指的命令（CPU+内存）
2.  内存从硬盘中取出 运行QQ 的指令（硬盘）
3.  控制器分析 运行QQ 的指令并告知运算器工作（控制器）
4.  运算器进行一系列的算术运算和逻辑运算打开QQ，并从硬盘从读取QQ的代码至内存（运算器+内存+硬盘）
5.  计算机在内存中运行QQ的代码（内存）
6.  如果此时从QQ好友接受一个文件并下载，该文件将会永久保存在硬盘中（硬盘）
7.  关闭QQ时CPU向内存发出关闭QQ的指令，内存关闭QQ并清理内存中QQ的代码（内存）

# 六、输入设备(四) #

计算机输入信息（程序、数据、声音、文字、图形、图像等）的设备。

常见的输入设备有：键盘、鼠标、图形扫描仪、触摸屏、条形码输入器、光笔等。外存储器（U盘等）也是一种输入设备。

# 七、输出设备(五) #

计算机输出信息的设备。

常见的输出设备有：显示器、打印机和绘图仪等。外存储器也是一种输出设备。

注意：**由于外存储器即是一种输入设备，也是一种输出设备，因此外存储器也被称为IO设备，其中I为Input（输入）；O为Output（输出）。**

![003-计算机组成原理-u盘.jpg?x-oss-process=style/watermark][003-_-u_.jpg_x-oss-process_style_watermark]

# 八、计算机五大组成部分补充 #

补充部分作为选看部分，主要是为了介绍计算机的启动流程。

## 8.1 CPU相关 ##

多核CPU：多个CPU，电脑可以同时干多件事，如4核CPU的电脑可以同时干四件事。

X86-64位：X86是CPU的一种型号，64表示CPU每次能取64位二进制数。X86-32表示CPU每次取32位二进制数。CPU具有向下兼容性，即64位电脑能下载32位的软件，而32位的软件下载64位的软件会丢失数据。

## 8.2 存储器相关 ##

ROM存储器：ROM只读存储器（不可写）在工厂中就被编程完毕，然后再也不能修改。它一般存放BIOS（Basic input output system）程序，该程序一般用于启动计算机，或用于处理底层设备的控制。

CMOS存储器：CMOS存储器由一块电脑内置的电池驱动供电，它一般用来保持当前时间和日期的更新，也就是说，即使计算机没有充电，时间也会持续更新；同时它也可以存储启动磁盘的路径。（装机的时候一般会告诉计算机操作系统在计算机中的位置，如C:/）

## 8.3 总线 ##

总线相当于人类的神经、血管，连接计算机的所有硬件设备。

![003-计算机组成原理-总线架构.jpg?x-oss-process=style/watermark][003-_-_.jpg_x-oss-process_style_watermark 4]

## 8.4 启动计算机的流程(步骤4-6了解) ##

1.  计算机加电。
2.  BIOS开始运行，检测硬件：CPU、内存、硬盘灯。
3.  BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备等。
4.  从启动设备上读取第一个扇区的内容。
5.  根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统。
6.  操作系统询问BIOS，获得配置信息。对于每种设备，系统会检查其设备驱动是否存在，如果没有，系统则会要求用户按照设备驱动程序，一旦有了全部的设备驱动程序，操作系统则会将它们调入内核，然后初始有关的表格（如进程表）。

## 8.5 硬盘工作原理 ##

如今市场上的硬盘分为机械硬盘和固态硬盘两大类，我们将从这两大类出发和同学们介绍硬盘的工作原理

## 8.6 机械硬盘 ##

机械硬盘主要由机械手臂、磁道和扇区组成，接下来我们将从这三个方面展开介绍机械硬盘的工作原理。

![003-计算机组成原理-机械硬盘.jpg?x-oss-process=style/watermark][003-_-_.jpg_x-oss-process_style_watermark 5]

*  机械手臂：机械硬盘通过机械手臂读取数据，机械手臂的末端是磁头。
 *  磁道：磁道是机械硬盘的磁面中的一个一个圈，磁道用于存储数据。
 *  扇区：扇区的最小单位通常为512KB（由于磁盘大小不断增大，也有部分厂商设定每个扇区的大小是4096字节）。为了减小IO操作，机械硬盘也会将多个相邻的扇区组合在一起，形成一个块，这个块便就是我们在Windows系统中看到的C、D分区。
 *  平均寻道时间：由于数据存放在磁道上，因此机械手臂需要读取数据首先要找到磁道。受限于工业水平的限制，目前机械手臂找到磁道的时间为5ms，这个时间被称为平均寻道时间。
 *  平均延迟时间：机械手臂寻道之后，需要寻找数据。由于数据的位置是不确定的，而目前的机械硬盘寻找数据会从硬盘的头部扫描到尾部。以7200r/min的硬盘为例，如果碰巧在硬盘头部找到数据，时间约为0ms；如果在硬盘尾部找到数据，时间约为8.3ms，因此我们采用一个平均时间4.15ms作为机械手臂在磁道找到数据的时间，这个时间被称为平均延迟时间。

$$  
\\begin\{align\}  
\\text\{平均延迟时间：\} \\  
& 7200/60=120(r/s) \\  
& 1/120=0.0083(s/r)=8.3(ms/r) \\  
& 8.3/2=4.15(ms/r)  
\\end\{align\}  
$$

从上述描述可以得出：

$$  
\\text\{寻找数据的时间=平均寻道时间+平均延迟时间\}  
$$

## 8.7 固态硬盘 ##

随着人们对数据需求增多，存储系统的瓶颈越来越明显。而在嵌入式领域移动设备和工业自动化控制等恶劣环境下，传统硬盘机械结构已经无法满足要求，而所有这一切随着固态存储（SSD）的到来而发生了改变。

![003-计算机组成原理-机械和固态硬盘.jpg?x-oss-process=style/watermark][003-_-_.jpg_x-oss-process_style_watermark 6]

传统的机械硬盘（HDD）运行主要是靠机械驱动头，包括马达、盘片、磁头摇臂等必需的机械部件，它必须在快速旋转的磁盘上移动至访问位置，至少95%的时间都消耗在机械部件的动作上。SSD却不同机械构造，无需移动的部件，主要由主控与闪存芯片组成的SSD可以以更快速度和准确性访问驱动器到任何位置。传统机械硬盘必须得依靠主轴主机、磁头和磁头臂来找到位置，而SSD用集成的电路代替了物理旋转磁盘，访问数据的时间及延迟远远超过了机械硬盘。SSD有如此的“神速”，完全得益于内部的组成部件：主控--闪存--固件算法。SSD通过这套组成部件，让数据以电荷的方式存储在每个NAND存储单元内。

上面讲了这么多，牢记一点：**固态硬盘是基于电和算法实现数据存储的。**

转载于:https://www.cnblogs.com/TankJam/p/11163379.html

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