计算机概论
1 计算机
1.1 计算机硬件五大单元
输入单元
- 键盘 鼠标 触摸屏etc
输出单元
- 屏幕 打印机etc
CPU内部控制单元/算术逻辑单元
- CPU为一个特定功能的芯片 内部含有微指令集
CPU主要功能为管理和运算
算术逻辑单元负责程序运算和逻辑判断
控制单元协调各组件各单元间工作
内存
- 数据流入内存再转出去
CPU要处理的数据都来自于内存 处理后再写回内存
1.2 CPU的种类
根据CPU内部的微指令集的设计理念不同分类两种主要CPU种类
精简指令集RISC
- 微指令集较为精简
每个指令执行时间短
指令执行性能差 复杂的事需有多个指令完成
常见的RISC CPU应用有
- Sun公司的SPARC系列
学术领域大型工作站 银行金融体系 - IBM的Power Architecture系列与ARM系列
PowerPC：sony的PS3
ARM：常用的手机 平板 导航系统 交换机 路由器等
世界使用范围最广的CPU可能就是ARM
复杂指令集CISC
- 指令数目多
指令复杂
执行花费时间长
每条指令可处理的工作较为丰富
AMD Intel VIA开发的X86架构CPU大量使用于个人计算机
1.3 接口设备
主板
- 最重要的接口
主板负责将所有的设备连接在一起 使其能够进行协调和通信
主板上最重要的组件是主板芯片组
存储设备
- 硬盘
显示设备
- 显卡
与显示的精度 色彩和分辨率都有关 对玩3D游戏很重要
网络设备
- 网卡
1.4 运作流程
CPU=大脑
内存RAM=大脑中的记录区块
硬盘= 大脑中的记忆区块
主板=神经系统
各项接口设备=人体与外界的通信的四肢 眼口鼻etc
显卡=脑中影像
心脏=电源
1.5 计算机分类
以计算机的复杂度与运算能力进行分类
超级计算机
- 运行速度最快
维护操作费用最高
用于高速计算项目中，国防科技 气象预测，太空科技
大型计算机
- 具有数个高速CPU
也可处理大量数据与复杂运算
大型企业主机 全国性证券交易所 大型企业数据库服务器
迷你计算机
- 仍保持大型计算机同时支持多用户的特性
但主机可放在一般作业场所 不需要特殊空调场所
常作为科学研究 工程分析与工厂流程管理
工作站
- 性价比很高
稳定不死机
学术研究和工程分析方面常见
个人计算机
- 体积小 价格低 功能全
1.6 计算机中常用的计算单位
bit
- 0/1单位
Byte
- 1Byte=8bit
进位制
| 进位制 | K | M | G | T | P |
|---|---|---|---|---|---|
| 二进制 | 1024 | 1024K | 1024M | 1024G | 1024T |
| 十进制 | 1000 | 1000K | 1000M | 1000G | 1000T |
-
文件使用二进制 1GB=102410241024B
速度单位使用十进制 1GHz=100010001000Hz -
CPU运算速度常使用MHz或GHz Hz为秒分之一
网络传输方面使用bit单位 常用Mbit/s -
eg1常听到8M ADSL传输速度 转成文件容量Byte时，最大理论传输值为1MB/s上传下载速度
-
eg2购买硬盘500GB 格式化后只剩460GB，硬盘商使用十进制单位，因为500GB=50010001000B 转成文件大小使用二进制为以1024为底，成为466GB空间
-
硬盘最小物理量为512Bytes 最小组成单位为扇区，通常硬盘容量计算使用扇区个数 才会使用十进制处理
2.个人计算机架构与接口设备
芯片组通常分为两个桥接器控制各组件通信
北桥
-
负责连接速度较快的CPU/内存/显卡
南桥 -
负责连接速度较慢的周边接口，包括硬盘/USB/网卡etc
-
AMD与Intel两种CPU架构不同点：
AMD 内存直接与CPU通信 不通过北桥
2.1 CPU
单核CPU
- 仅有一个运算单元
多核CPU
- 在一个CPU封装中嵌入了两个以上运算内核
CPU性能比较
- 不同的微指令集
- CPU的频率：每秒工作次数
不同CPU之间无法通过频率判断性能，因为微指令集不同，架构不同，频率只可比较同款CPU的速度
CPU的外频
CPU与外部组件进行数据传输/运算时的速度
CPU的倍频
CPU内部用来加速工作性能的一个倍数
二者相乘为CPU的频率 - 32位与64位
北桥总线为系统总线，内存传输的主要信道，速度较快。
南桥为输入输出I/O总线，用于联系硬盘/USB/网卡etc
北桥所支持的频率为前端总线速度，每次传输的位数是总线宽度
CPU每次能处理的数据量为字组大小，字组大小依据CPU设计为32位与64位 - CPU等级
2.2 内存
-
DRAM动态随机访问内存
只有在通电时可以记录使用 断电后数据消失
技术更新又有SDRAM和DDR（双倍数据传送速度） -
内存除了频率/频宽与型号需要考虑之外，容量也很重要
对于服务器而言，内存容量有时比CPU速度还重要 -
双通道设计
-
CPU频率与内存的关系
CPU与内存的外频一致较佳 -
CPU内含缓存器 – CPU L2 Cache – 内存 – 外部存储装置
L2 Cache内存的速度应与CPU频率相同，需要使用SRAM静态随机访问内存 -
主板上组件多，组件参数可调整。各项参数会记录在CMOS芯片上，需要额外电源发挥记录功能，
-
CMOS芯片数据如何读取更新？
BIOS 这套程序写死到主板上的内存芯片，这个内存芯片在没有通电时也可以记录数据。之前用ROM，但因只读无法改写，现多用闪存，EEPROM
2.3 显卡
- 显卡内存容量影响最终屏幕分辨率和色彩深度
- 3D游戏兴起，显卡的运算能力愈加重要，现今显卡上也有加速芯片GPU
- 规格有PCI/AGP/PCle 目前主流为PCle接口
2.4 硬盘与存储设备
硬盘的物理组成
- 许多盘片/机械手臂/磁头/主轴马达
盘片上的数据 - 磁盘最小的存储单位为扇区，大小512Bytes
- 扇区组成一个圆为磁道
- 多硬盘上，所有盘片同一个磁道组成一个柱面 柱面为分割硬盘最小单位
- 硬盘存储量=header数量x每个header负责的柱面数量x每个柱面所包含的扇区数量x扇区容量
传输接口
- IDE接口
每条排线可接两个IDE设备 需要调整跳针 - SATA接口
每个连接线仅能接一个SATA设备 速度快 排线细小 利于散热安装 不需调整跳针 - SCSI接口
工作站等级以上的硬盘传输接口 此种接口硬盘在控制器上含有处理器 运转速度快 不会耗费CPU资源
选购
容量/缓冲存储器/转速
运转须知
- 硬盘机械手臂磁头与盘片间距小，抖动或脏污在磁头与硬盘之间就会造成数据或硬盘损毁
所以通电后不要移动主机造成硬盘抖动 正常关机而非拔电源让机械手臂归回原位
2.5 PCI适配卡
PCI插槽提供多个给用户，用户可以有额外需要的功能卡
2.6 主板
芯片组功能
设备I/O地址与IRQ中断信道
- 主板负责各个计算机组件之间的通信
- I/O地址-门牌号
- 各设备通过IRQ中断信道告知CPU该设备工作情况 以便CPU进行工作分配
- 老式的主板IRQ只有15个 可关掉没用的周边接口 空出IRQ
- sharing IRQ 中断共享技术
CMOS与BIOS
- CMOS
记录主板上重要参数 系统时间 CPU电压/频率 各项设备I/O地址 IRQ etc
记录需花费电力 所以主板上有电池 - BIOS
为写入主板上某一块闪存或EEPROM 的程序
开机时执行 以加载CMOS当中的参数 并尝试调用存储设备的开机程序 进入操作系统
BIOS可以修改CMOS参数 一般桌上计算机使用Del键进入BIOS设置界面
连接接口设备
- PS/2接口
老式键盘鼠标接口 圆圈型 - USB接口
USB2.0 速度可达480Mb/s
USB1.1 仅达12Mb/s - 声音输出/输入与麦克风
圆形插孔 主板上有内置音效芯片时才有 - RJ-45接口
如果有内置网络芯片的话，会有这种接口 类似电话线接口
2.7 电源
能源转换率
- 输出功率与输入功率比值
电源本身也会吃掉一部分的电力 - eg 主机系统需要300w电力 最好选择400w以上电源 最好选择高转换率电源
连接接口
- 目前主板与电源供应器的连接接口主要有20pin和24pin两种规格
2.8 选购须知
速度快慢与整体系统最慢的设备有关 购买整套系统 需留意全部接口
系统不稳定的原因
- 系统超频
- 电源不稳
- 内存无法负荷
- 系统过热
3.数据表达方式
3.1 数字系统
- 早期计算机利用通电与否的特性的真空管 通电为1 否则为0
- 二进制
3.2 文字编码系统
- 文本文件记录为0/1 读取查阅时 经过编码系统字码对照表翻译转换
- 英文编码表 ASCII
- Unicode编码系统 统一码
4.软件程序运行
- 没有软件 计算机就没有灵魂
- 计算机软件分为系统软件和应用程序
4.1 机器程序与编译程序
让CPU运行 要编写CPU可读懂的指令码
- 需要了解机器语言 0/1
- 需要了解所有硬件相关的功能函数
- 程序不具备可移植性
因为每个CPU有独特的微指令集 每个硬件有其功能函数 - 程序具有专一性
写机器码较为复杂 编译器可将人类写好的程序语言转译为机器码
常见编译器 C C++ Java fortran etc
4.2 操作系统
早期想让计算机执行程序要参考一堆硬件功能函数 要学习机器语言才可编写程序 每次写程序都必须重新改写 因为硬件硬件与软件功能不一定都一致
那么将所有硬件都驱动 提供一个开发软件的参考接口给工程师开发软件的话 就很简单了 这就是操作系统
操作系统内核 Kernel
- 管理计算机所有活动以及驱动系统中的所有硬件
- 内核程序放置内存当中的区块是受保护的，开机后一直常驻在内存中
- 操作系统内核层直接参考硬件规格写成 所以同一个操作系统程序不能够在不一样的硬件架构下运行
- 操作系统只是在管理整个硬件资源 包括CPU 内存 输入输出设备和系统文件 只是让计算机ready 并无法运行其他功能 需要其他应用程序的辅助
- 应用程序的开发是参考操作系统提供的开发接口 所以该应用程序只能在该操作系统上运行
系统调用
- 为保护内核 并让程序员容易开发软件 操作系统除了内核程序之外 还会提供一整组开发接口 即系统调用层
- 软件工程师遵循公认的系统调用参数开发的软件即可在内核上运行
内核功能
- 系统调用接口
- 程序管理
多任务环境 有很多工作同时需要CPU处理 内核需控制 良好的调度机制 让CPU资源有效分配 - 内存管理
内存控制很重要 系统所有程序代码和数据都要先存放在内存中
通常内核提供虚拟内存功能 在内存不足时提供内存交换swap功能 - 文件系统管理
数据输入/输出等工作 不同文件格式的支持
eg 内核不认识某个文件系统 则无法使用该文件 Windows98不识别NTFS的文件格式的磁盘 - 设备驱动
硬件的管理
操作系统与驱动程序
- 操作系统通常提供开发接口给硬件开发商 其可根据接口设计可驱动他们硬件的驱动程序 用户安装驱动程序后 即可在操作系统上驱动该硬件
4.3 应用程序
应用程序是参考操作系统提供的开发接口开发出来的软件 这些软件可让用户操作 达到某些计算机的功能利用
