计算机的组成原理
计算机的组成原理
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，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，但是大脑不会随意的指挥身体运动，大脑只有在接受指令后猜会指控身体行动
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，即实现算术运算和逻辑运算。
1，算术运算：类似1 + 1 = 2
2，逻辑运算：类似 碰到疯狗，弄死他，或者跑
三、控制器+运算器（计算机的中央处理器CPU）
类似：
吃饭流程示例。
- 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）
- 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
计算器的存储系统，需要注意的是：无论是内存还是外存，计算机存储数据的格式都是01，01的形式是0和1由电压的电频控制。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。
下图展示了目前市场上常用的存储器，从图中可以看出存储器的速度，容量和价格是相互矛盾的。
4.1内存（主存）
内存是计算机临时存储数据的硬件设备，由于内存读取数据速度较快，CPU下达的指令会直接传输给内存，即CPU与内存会直接交互，常见的内存有内存条。
1.优点（较于外存）：
1.存取速度快。
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缺点（较于外存）：
1.容量小。
2.由于内存基于电，存储数据，因此断电后数据会马上消失。
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，内存在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.可以永久的存储数据。
2.缺点（交于内存）：
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的流程示例：
1.双击qq图标，CPU先向内存发出取指的命令。（CPU+内存）
2.内存从硬件中取出运行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，并从硬件中读取QQ的代码到内存（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好友中接受一个文件并且下载，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并清理内存中的QQ代码（内存）
六、输入设备
计算机的输入信息（程序，数据，声音，文字，图形，图像）的设备
常见的输入设备：键盘，鼠标，图形扫描仪，触摸屏，条形码输入，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：显示器，打印机，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）.
八、计算机五大组成部分
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，电脑可以同时干多个事件。如，四核CPU可以同时做四件事情。
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(了解)
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。
8.4 启动计算机的流程(了解)
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计算机加电。
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BIOS开始运行，检测硬件：CPU、内存、硬盘灯。
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BIOS读取CMOS存储器中的参数，选择启动设备等。
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从启动设备上读取第一个扇区的内容。
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根据分区信息读入bootloader启动装载模块，启动操作系统。
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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
机械硬盘主要有机械手臂、磁道和扇区组成，接下来我们将从这三个方面对机械硬盘的工作原理。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
\[7200/60 = 120r/s \\ \frac{1}{120} = 0.00833s = 8.3ms \\ \frac{0.83+0}{2} = 4.15 ms \\ \text{寻找数据的时间} = 4.15+5 = 9.15ms \\ \]
补充：平均延迟时间: 机械手臂到磁盘的时间 5ms (固态硬盘没有这个时间)
平均寻数据的时间: (0 + 8.3) /2
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。
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：
固态硬盘是基于固态电子（SSD，断电数据也会保留）和算法实现数据存储的。
