計算機組成原理

計算機分為五大組成部分，分別為：控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備。其中控制器+運算器是計算機的中央處理器（CPU），相當於人類的大腦。

一、控制器

計算機的指揮系統。大腦指揮全身的器官運作，但是大腦不會隨意的指揮身體行動，大腦只有在接受指令后才會控制身體行動。

二、運算器

運算器是計算機的運算系統。大腦除了指揮，無時無刻還在運算。即實現算術運算和邏輯運算。

1. 算術運算：1+1=2
2. 邏輯運算：碰到瘋狗，表白？

三、控制器+運算器（計算機的中央處理器cpu))

吃飯流程示例。

1. 當你吃飯的時候，大腦會接受吃飯的指令，之后把指令翻譯成你身體需要進行的動作（控制器）
2. 如果吃的是西餐，則使用勺子；如果吃的是中餐，則使用筷子（運算器）。

四、存儲器

計算機的存儲系統。需要注意的是：無論是內存還是外存，計算機存儲的數據格式都是01，01的形式，0和1由電壓的電頻控制（了解知識點）。計算機的存儲的一個二進制單位稱為1bit，8bit=1Bytes稱為一個字節，1024Bytes=1KB，1024KB=1MB，1024MB=1GB，1024GB=1TB，1024TB=1PB。

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4.1內存（主存）

內存是計算機內臨時存儲數據的硬件設備。由於內存讀取數據速度較快內存，CPU下達的指令會直接傳輸給內存，即CPU會與內存直接交互。常見的內存有內存條。

1. 優點（較於外存）：
   1. 存取速度快。
2. 缺點（較於外存）：
   1. 容量小。
   2. 由於內存基於電存儲數據，因此斷電數據馬上會消失。

4.2 外存

外存是計算機內永久存儲數據的硬件設備，由於外存容量大，所以外存主要用於存儲軟件等占用量大的數據。當需要使用外存上的某個軟件時，CPU下達的指令需要傳輸給內存后，內存再從外存中讀取軟件信息，即CPU不與外存直接交互。常見的外存有磁帶、磁盤和u盤等。

1. 優點（較於內存）：
   1. 容量大
   2. 可以永久存儲數據。
2. 缺點（較於內存）：
   1. 存取速度慢。

五、 cpu+內存+外存（計算機的三大核心組件）

電腦打開QQ流程示例。

1. 雙擊QQ圖標，CPU先向內存發出取指的命令（CPU+內存）
2. 內存從硬盤中取出 運行QQ 的指令（硬盤）
3. 控制器分析 運行QQ 的指令並告知運算器工作（控制器）
4. 運算器進行一系列的算術運算和邏輯運算打開QQ，並從硬盤從讀取QQ的代碼至內存（運算器+內存+硬盤）
5. 計算機在內存中運行QQ的代碼（內存）
6. 如果此時從QQ好友接受一個文件並下載，該文件將會永久保存在硬盤中（硬盤）
7. 關閉QQ時CPU向內存發出關閉QQ的指令，內存關閉QQ並清理內存中QQ的代碼（內存）

六、輸入設備

計算機輸入信息（程序、數據、聲音、文字、圖形、圖像等）的設備。

常見的輸入設備有：鍵盤、鼠標、圖形掃描儀、觸摸屏、條形碼輸入器、光筆等。外存儲器（U盤等）也是一種輸入設備。

七、輸出設備

計算機輸出信息的設備。

常見的輸出設備有：顯示器、打印機和繪圖儀等。外存儲器也是一種輸出設備。

注意：由於外存儲器即是一種輸入設備，也是一種輸出設備，因此外存儲器也被稱為IO設備，其中I為Input（輸入）；O為Output（輸出）

八、計算機五大組成部件補充

8.1 cpu相關

多核CPU：多個CPU，電腦可以同時干多件事，如4核CPU的電腦可以同時干四件事。

X86-64位：X86是CPU的一種型號，64表示CPU每次能取64位二進制數。X86-32表示CPU每次取32位二進制數。CPU具有向下兼容性，即64位電腦能下載32位的軟件，而32位的軟件下載64位的軟件會丟失數據。

8.2存儲器相關

ROM存儲器：ROM只讀存儲器（不可寫）在工廠中就被編程完畢，然后再也不能修改。它一般存放BIOS（Basic input output system）程序，該程序一般用於啟動計算機，或用於處理底層設備的控制。

CMOS存儲器：CMOS存儲器由一塊電腦內置的電池驅動供電，它一般用來保持當前時間和日期的更新，也就是說，即使計算機沒有充電，時間也會持續更新；同時它也可以存儲啟動磁盤的路徑。（裝機的時候一般會告訴計算機操作系統在計算機中的位置，如C:/）

8.3 總線

總線相當於人類的神經、血管，連接計算機的所有硬件設備。

8.4 啟動計算機流程

1. 計算機加電。
2. BIOS開始運行，檢測硬件：CPU、內存、硬盤燈。
3. BIOS讀取CMOS存儲器中的參數，選擇啟動設備等。
4. 從啟動設備上讀取第一個扇區的內容。
5. 根據分區信息讀入bootloader啟動裝載模塊，啟動操作系統。
6. 操作系統詢問BIOS，獲得配置信息。對於每種設備，系統會檢查其設備驅動是否存在，如果沒有，系統則會要求用戶按照設備驅動程序，一旦有了全部的設備驅動程序，操作系統則會將它們調入內核，然后初始有關的表格（如進程表）。

8.5 硬盤工作原理

如今市場上的硬盤分為機械硬盤和固態硬盤兩大類，我們將從這兩大類出發和同學們介紹硬盤的工作原理

8.6 機械硬盤

機械硬盤主要由機械手臂、磁道和扇區組成，接下來我們將從這三個方面展開介紹機械硬盤的工作原理。

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• 機械手臂：機械硬盤通過機械手臂讀取數據，機械手臂的末端是磁頭。
• 磁道：磁道是機械硬盤的磁面中的一個一個圈，磁道用於存儲數據。
• 扇區：扇區的最小單位通常為512KB（由於磁盤大小不斷增大，也有部分廠商設定每個扇區的大小是4096字節）。為了減小IO操作，機械硬盤也會將多個相鄰的扇區組合在一起，形成一個塊，這個塊便就是我們在Windows系統中看到的C、D分區。
• 平均尋道時間：由於數據存放在磁道上，因此機械手臂需要讀取數據首先要找到磁道。受限於工業水平的限制，目前機械手臂找到磁道的時間為5ms，這個時間被稱為平均尋道時間。
• 平均延遲時間：機械手臂尋道之后，需要尋找數據。由於數據的位置是不確定的，而目前的機械硬盤尋找數據會從硬盤的頭部掃描到尾部。以7200r/min的硬盤為例，如果碰巧在硬盤頭部找到數據，時間約為0ms；如果在硬盤尾部找到數據，時間約為8.3ms，因此我們采用一個平均時間4.15ms作為機械手臂在磁道找到數據的時間，這個時間被稱為平均延遲時間。

平均延遲時間：

		* 7200/60=120(r/s)
		* 1/120=0.0083(s/r)=8.3(ms/r)
		* 8.3/2=4.15(ms/r)

從上述描述可以得出：

尋找數據的時間=平均尋道時間+平均延遲時間尋找數據的時間=平均尋道時間+平均延遲時間

8.7 固態硬盤

隨着人們對數據需求增多，存儲系統的瓶頸越來越明顯。而在嵌入式領域移動設備和工業自動化控制等惡劣環境下，傳統硬盤機械結構已經無法滿足要求，而所有這一切隨着固態存儲（SSD）的到來而發生了改變。

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傳統的機械硬盤（HDD）運行主要是靠機械驅動頭，包括馬達、盤片、磁頭搖臂等必需的機械部件，它必須在快速旋轉的磁盤上移動至訪問位置，至少95%的時間都消耗在機械部件的動作上。SSD卻不同機械構造，無需移動的部件，主要由主控與閃存芯片組成的SSD可以以更快速度和准確性訪問驅動器到任何位置。傳統機械硬盤必須得依靠主軸主機、磁頭和磁頭臂來找到位置，而SSD用集成的電路代替了物理旋轉磁盤，訪問數據的時間及延遲遠遠超過了機械硬盤。SSD有如此的“神速”，完全得益於內部的組成部件：主控--閃存--固件算法。SSD通過這套組成部件，讓數據以電荷的方式存儲在每個NAND存儲單元內。

上面講了這么多，牢記一點：固態硬盤是基於固態電子（SSD，斷電數據也會保留）和算法實現數據存儲的。