03-计算机组成原理
计算机组成原理
计算机分成五大组成部分，分别是: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
计算机的指挥系统。大脑指挥全身的器官运作，但是大脑不会随意指挥身体运作，只有在收到指令后才会控制身体行动。
二.运算器
运算器是计算机的运算系统。大脑除了指挥，无时无刻都在运算。即实现算数运算和逻辑运算。
- 算术运算：1+1=2
- 逻辑运算：在逻辑代数中，有与、或、非三种基本逻辑运算。表示逻辑运算的方法有多种，如语句描述、逻代数式，逻辑图，卡诺图等。https://baike.sogou.com/v7818085.htm?fromTitle=逻辑运算
三.控制器+运算器（计算机的中央处理器）
吃饭流程示例：
1.当你吃饭的时候，大脑会受到吃饭的指令，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）
四.存储器
计算机的存储系统。
无论是内存还是外存，计算机的数据格式都是1和0,01的形式，0和1是由电压的电频控制（了解知识点）。
计算机存储的一个二进制单位称为bit，8bit=1Byte称为一个字节，1024Byte=1KB，1024KB=1MB,1024 MB=1GB,1024GB=1TB,1024TB=1PB。
4.1 主存
内存是计算机内临时存储数据的硬件设备。由于内粗暴读取数据速度较快，CPU下达指令会直接传给内存，即CPU会与内存直接交互。常见的内存有内存条。
- 优点（相较于外存）：
1.存取速度快 - 缺点（相较于外存）：
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大量的数据。当需要使用外存上的，某个软件的时候，CPU下达的指令需要传输给内存后，内存再从外存中读取信息，即CPU不与外存直接交互。常见的外存有磁带，磁盘和U盘等。
- 优点（相较于内存）：
1.容量大
2.可以永久存储数据 - 缺点（相较于内存）：
1.存储速度慢。
五.CPU+ 外存+内存（计算机的三大核心组件）
电脑打开QQ流程的示例;
1.双击qq图标，CPU先向内存发出取址的命令（cpu+内存）
2.内存从硬盘中取出运行QQ的命令（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.运算器进行一系列算术运算和逻辑运算打开QQ，并从硬盘读取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.日过此时QQ好友接受一个文件并下载，概文件将永久保存在硬盘中（硬盘）
7.关闭QQ的时候CPU相关内存发出关闭QQ的指令，内存清理QQ并清理内存中的QQ代码（内存）
六.输入设备
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，图新扫描仪，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
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。
- 由于外存储器既是一种输入设备，又是一种输出设备，因此外存储器也被称为IO设备，其I为中input（输入），O为output（输出）。
八.计算机五大组成部分补充
8.1 cpu相关
- 多核cpu：多个CPU，电脑可以同时间干多件事，比如四核CPU可以同时做四件事。
- X86-64位：X86是CPU的一种型号，64表示CPU每次可以取64位二进制数。
- X86-32表示CPU每次取32位数。
CPU具有向下兼容性，即64位电脑可以下载32位的软件，但是32位的操作系统下载64位的软件会丢失数据。
8.2 存储器相关
- ROM存储器：制度存储器（不可写）：在工厂中就已经被编程完毕，然后再也不能修改。它一般存放在BIOS程序中，该程序用于启动计算机，或用于底层设备的控制。
- CMOS存储器：CMOS存储器由一块电脑内置电池供电，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。
8.3总线
总线相当于人类的神经，血管，连接计算机所有的硬件设备。
8.4 启动计算机的流程
1.计算机加电。
2.BIOS开始运行，检测硬件：cpu，内存，硬盘灯等。
3.BIOS读取CMOS存储器的参数，选择启动设备。
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
市场上的硬盘分为机械硬盘和固态硬盘两大类。
8.6 机械硬盘
机械硬盘主要由机械手臂、磁道和扇区组成。
- 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。
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)(1)(2)(3)(4)(1)平均延迟时间：(2)7200/60=120(r/s)(3)1/120=0.0083(s/r)=8.3(ms/r)(4)8.3/2=4.15(ms/r)
从上述描述可以得出：
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
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。
