计算机

计算机: 接收用户输入指令与数据, 经过中央处理器的数据与逻辑单元运算处理后, 以产生或存储成有用的信息

五大单元

计算机主要分为三部分:

  • 输入单元: 包括键盘, 鼠标, 卡片阅读机, 扫描仪, 手写板, 触摸屏幕等
  • 中央处理器(CPU): 含有算术逻辑, 控制, 记忆等单元
    • 算术逻辑单元, 负责程序运算与逻辑判断
    • 控制单元, 协调各组件与各单元间的工作
  • 输出单元: 例如屏幕, 打印机等

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CPU种类

CPU内部含有一些小指令集, 我们所使用的软件都要经过CPU内部的微指令集来完成

  • 精简指令集(Reduced Instruction Set Computing, RISC)
    • 微指令集较为精简,复杂操作由多个指令来完成. 常见CPU有SPARC系列, Power Architecture系列与ARM系列等
    • SPARC架构的计算机常用于学术领域的大型工作站中, ARM架构的CPU常用于手机, PDA, 导航系统, 网络设备等
  • 复杂指令集(Complex Instruction Set Computing, CISC)
    • 每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作, 常见CPU有AMD, Interl, VIA等X86架构的CPU
    • AMD, Interl, VIA等X86架构的CPU常用于个人计算机

接口设备

  • 主板: 将所有设备连接到一起
  • 芯片组
  • 存储设备: 硬盘, 软盘, 光驱, 磁带等
  • 显示设备
  • 网络设备: 网卡

运作流程

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计算机分类

  • 超级计算机
  • 大型计算机
  • 迷你计算机
  • 工作站
  • 微电脑, 个人计算机

计算机上常用的计量单位

  • 大小
    • 计算机只认识0,1; 0/1的单位为bit, 1Byte=8bit, 此外还有, K, M, G, T, P
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    • 一般来说, 文件大小使用二进制, 速度单位常使用十进制, 如1GB=1024MB, 1GHz=100010001000Hz
  • 速度单位
    • CPU的运算速度常使用MHz或GHz, Hz就是秒分之一, 网络传输方面, 常使用Mbit/s

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个人计算机架构与接口设备

消费者常说的计算机通常是x86的个人计算机架构

  • 主流x86开发商(Intel, AMD)的CPU架构并不兼容, 设计理念也有所区别
  • 主板芯片组分为两个桥接器控制各组件的通信
    • 北桥, 负责连接速度较快的CPU, 内存和显卡等组件
    • 南桥, 负责连接速度较慢的周边接口, 包括硬盘, USB, 网卡等
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  • AMD为了加速CPU与内存的通信, 将内存控制组件集成到CPU中, 不通过北桥

CPU

  • 不同微指令集会导致CPU工作效率不同, 此外还有CPU的频率. 频率就是CPU每秒可以进行的工作次数, 频率越高表示CPU单位时间内可以做更多的事情
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  • CPU的外频与倍频
    • 外频是指CPU与外部组件进行数据传输/运算时的速度, 倍频则是CPU内部用来加速工作性能的一个倍数, 两者相乘才是CPU的频率
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  • 32位与64位
    • 主板芯片组分为北桥与南桥, 北桥的总线称为系统总线, 因为是内存传输的主要信道, 所以速度较快; 南桥就是输入输出(I/O)总线, 主要用于联系硬盘, USB, 网卡等接口设备
    • 北桥所支持的频率称为前端总线速度(Front Side Bus, FSB), 而每次传送的位数则是总线宽度, 总线频宽则是FSB*总线宽度, 即每秒钟可以传送的最大数据量, 目前常见的总线宽度有32/64位
    • 与总线宽度相似, CPU每次能够处理的数据量称为字组大小(word size), 字组大小一句CPU的设计而有32位与64位, 我们现在所称的计算机是23位或64位主要是依据CPU解析的字组代销而来, 早期的32位CPU中, 因为CPU每次能够解析的数据量有限, 因此由内存传来的数据量就有限制了, 这也导致了32位的CPU最多只能支持最大到4GB的内存

内存

  • CPU所使用的数据都是来自于内存, 个人计算机的内存主要组件为动态随机访问内存(Dynamic Random Access Memory, DRAM).
  • 双通道设计, 将两个内存汇整到一起, 从而提高数据宽度, 因为数据是同步写入/读出这一对内存中, 因此两条内存最好型号, 容量大小都要保持一致
  • DRAM与SRAM
    • CPU内部第二层高速缓存
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    • 第二层缓存继承到CPU内存, 因此要求L2内存的速度必须要与CPU频率相同, DRAM无法达到这个频率速度, 使用的是静态随机访问内存(Static Random Access Memory, SRAM).
  • 只读存储器(ROM)
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显卡

  • 显卡又称为VGA(Video Graphics Array), 它对于图形影响的显示扮演相当关键的角色, 对于图形影像的显示重点在于分辨率与色彩深度, 因为每个图像显示的颜色会占用内存, 因此显卡上面会有一个内存的容量, 这个显卡内存容量将会影响到最终你的屏幕分辨率与色彩深度
  • 由于三度空间游戏与3D动画的流行, 显卡上嵌入一个3D加速的芯片, 即GPU, 用来处理一些3D的运算

硬盘与存储设备

  • 硬盘的物理组成与盘片上的数据, 数据写在具有磁性物质的盘片上, 读写主要是通过机械手臂上的读取头来完成, 实际运行时, 主轴马达让盘片转动, 然后机械手臂可伸展让读取头在盘片上面进行读写的操作

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  • 传输接口
    • IDE接口的最高传输速度可达133MB, SATA-1每秒150MB, SATA-2每秒可达300MB, 目前个人计算机硬盘已经被SATA替代了
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PCI适配卡

  • 主板上PCI适配卡的插槽通常会提供多个给用户, 如果用户有额外需要的功能卡, 就能够安插在这种PCI接口插槽上, 如网卡, 声卡, 特殊功能卡等

主板

  • 主板上负责通信各个组件的就是芯片组, 芯片组分为北桥, 南桥, 北桥负责CPU/RAM/VGA等的链接, 南桥则负责PCI接口与速度较慢的IO设备
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电源

  • 能源转换率与连接接口

数据表示方式

数字系统

  • 早期计算机使用的是利用通电与否的特性的真空管, 通电是1, 没有通电是0, 后来沿用至今, 我们称这种只有0/1环境为二进制, 英文称为Binary
  • 二进制与十进制的转换

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文字编码系统

  • 计算机使用编码系统来记录文字

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  • 为了解决中文编码的问题, 由国际组织ISO/IEC制定了所谓的Unicode编码系统, 即UTF8或统一码

软件程序运行

机器程序与编译程序

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操作系统

  • 操作系统内核(Kernel)
    • 操作系统也是一组程序, 这组程序的重点在于管理计算机的所有活动以及驱动系统中的所有硬件
  • 系统调用(System Call)
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  • 操作系统的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, 输入输出设备以及系统文件
  • 应用程序的开发都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面运行而已, 不可以在其他操作系统上面运行的
  • 内核功能, 内核主要负责整个计算机系统相关的资源分配与管理
    • 系统调用接口(System call interface)
    • 程序管理(Process controll)
    • 内存管理(Memory management)
    • 文件系统管理(Filesystem management)
    • 设备驱动(Device driver)
  • 操作系统与驱动程序
    • 操作系统通常会提供一个开发接口给硬件开发商, 让他们可以根据这个接口设计可以驱动硬件的驱动程序, 如此, 只要用户安装驱动程序后, 自然就可以在操作系统上驱动硬件了
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应用程序

  • 应用程序是参考操作系统提供的开发接口所开发出来的软件, 这些软件可以让用户操作, 以达到某些计算机的功能利用

重点回顾

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