计算机基础1-计算机硬件组成和工作原理

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一、计算机组成

计算机由硬件和软件两部分组成,其中硬件包括中央处理器(CPU)、内存、存储设备、输入设备、输出设备等。

1、中央处理器(CPU)是计算机的核心,CPU=控制器+运算器。CPU工作流程:取指令-解码-执行,控制器负责指令的取指、解码和执行,运算器则负责对数据进行算术运算和逻辑运算

常见的个人电脑cpu:x86架构

X86-64:计算机使用的软件必须符合x86架构,64指64bit即一次性能从内存中取出64位二进制指令,cpu向下兼容可运行32位的软件

工作状态:内核态(cpu运行操作系统操作硬件等)、用户态(用户运行应用程序),两者不能同时进行工作,是快速切换来实现的
线程:cpu的执行单位,一个进程可以有多个线程
线程数=逻辑处理器个数(任务管理器的性能中可查看内核、逻辑处理器的个数)
内核是操作系统的核心,负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统等,进度调度是内核最重要的功能

2、内存是计算机暂时存储数据和程序的临时存储设备,用来存储指令和数据的地方,它由许多存储单元组成,每个存储单元都有一个唯一的地址。内存分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM),RAM可以被随机读写,而ROM只能被读取

RAM(内存、运行内存):断电后数据消失
ROM:只读存储器,断电后存储的数据不丢失,数据通常是在制造时被预先编程的,可以存储计算机系统的固件、BIOS(基本输入/输出系统)等重要的系统程序
其他临时存储设备:
    寄存器:L1缓存,材质与cpu相同,一般在cpu内部,几乎无延时
    高速缓存:L2缓存,价格昂贵,一般在主板和cpu上,有1-2ns延时  
    虚拟内存(如Linux的交换分区):用于防止内存占满,把暂时用不到的数据先存到磁盘的虚拟内存中,从而释放内存空间

3、存储设备除了内存、缓存、寄存器等临时存储设备,还有硬盘、固态硬盘、光盘等用于长期存储数据。其中,硬盘和固态硬盘都是磁盘存储设备,数据以磁性形式存储在盘片上,而光盘则是光学存储设备,数据以激光刻在盘面上

磁盘分为硬盘(大容量不可移动)和软盘(容量小可移动)
硬盘:
    固态硬盘SSD:读写速度极快,耗电量低,寿命长,可靠性高
    混合硬盘SSHD:具备机械硬盘和固态硬盘的优点
    机械硬盘HDD:读写速度较慢,耗电量较高,寿命相对较短,但价格相对较低
    光盘式硬盘:读写速度较慢,耗电量较高,容量相对较小,主要用于存储备份数据和媒体文件
硬盘接口:
         IDE(并口):并行接口,传输速度变高时容易产生干扰错误,逐渐被SATA取代
         SATA(串口):串行接口,具有较强的纠错能力提高传输的可靠性,结构简单,支持热插拔,是目前个人pc的主力接口
         SCSI:用于小型机服务器
         SAS:将SATA和SCSI两者优点结合起来的接口,向下兼容SATA
         M.2接口:支持的数据传输速率可达到4GB/s以上,是当前最快的硬盘接口之一。
 性能速率比较:  
                固态硬盘(SSD)>混合硬盘SSHD> 机械硬盘(HDD)>光盘式硬盘
                        M.2接口>SAS>SATA>SCSI>IDE

常见配置性能由高到低排序:
1、SSD硬盘+SAS接口:用于运维
2、SSD硬盘+SATA接口:用于企业,对速度有一定要求
3、HDD硬盘+SAS接口:用于企业,核心业务有速度要求
4、HDD硬盘+SATA接口:个人pc,企业内部服务,对速度没要求

4、输入/输出设备即IO(输入input/output输出)设备

输入设备:用于将用户的指令和数据输入到计算机中,包括键盘、鼠标、扫描仪等
输出设备:用于将计算机处理的结果输出给用户,包括显示器、打印机、音响等

5、其他硬件设备

主板:是计算机系统中最重要的组成部分之一,它提供了与其他所有组件的连接,例如中央处理器(CPU)、内存(RAM)、扩展插槽、硬盘、光驱、图形处理器(GPU)、声卡、网络接口、USB 端口等,主板也提供了处理器和其他硬件之间的数据传输通道。此外,主板还拥有各种插槽和接口,以便用户添加或升级其他组件

二、计算机的工作原理

计算机的工作原理可以概括为:输入、处理、输出

1、输入指用户通过输入设备(如键盘、鼠标)输入数据或指令
2、处理指中央处理器对输入数据或指令进行计算、逻辑判断、存储等操作
3、输出指将处理结果通过输出设备(如显示器、打印机)输出给用户。

程序运行的大致流程:

1、将程序的代码指令存储于硬盘中
2、运行时将代码指令从硬盘加载至内存
3、CPU从内存中读取程序的指令运行  
(计算机硬盘决定了能装的软件数目,内存决定了可同时运行的软件数目)

计算机启动流程:

1、计算机加电
2、启动BIOS系统,扫描启动设备,寻找操作系统位置
3、读取启动设备的第一个扇区,主引导记录MBR,其中有BootLoader启动装载模块即grub程序
4、Grub程序负责将操作系统内核载入内存,启动操作系统
5、操作系统让BIOS检测计算机硬件驱动程序是否完好,完好后将驱动程序调入操作系统,操作系统接管计算机