计算机基本组成

本文详细介绍了计算机硬件组成,包括CPU、内存、主板、显卡、IO设备等。阐述了各硬件的功能、工作原理,如CPU的指令执行阶段,内存的数据读写过程,主板芯片组和总线的作用等,还介绍了磁盘的数据读取、缓存及虚拟内存等知识。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

1、计算机硬件组成
CPU、内存、主板、显卡、IO设备
CPU:CPU 的核心是从程序或应用程序获取指令并执行计算,此过程可以分为三个关键阶段:提取,解码和执行。CPU从系统的主存中提取指令,然后解码该指令的实际内容,然后再由 CPU 的相关部分执行该指令。
内存:作用是存放 CPU 中的运算数据,以及与硬盘等外部存储设备交换的数据。只要计算机在运行中,CPU 就会把需要运算的数据调到主存中进行运算,当运算完成后CPU再将结果传送出来,主存的运行也决定了计算机的稳定运行。
内存的内部是由各种 IC 电路组成的,它的种类很庞大,但是其主要分为三种存储器
● 随机存储器(RAM):内存中最重要的一种,表示既可以从中读取数据,也可以写入数据。当机器关闭时,内存中的信息会 丢失。
● 只读存储器(ROM):ROM 一般只能用于数据的读取,不能写入数据,但是当机器停电时,这些数据不会丢失。
● 高速缓存(Cache):Cache 也是我们经常见到的,它分为一级缓存(L1 Cache)、二级缓存(L2 Cache)、三级缓存(L3 Cache)这些数据,它位于内存和 CPU 之间,是一个读写速度比内存更快的存储器。当 CPU 向内存写入数据时,这些数据也会被写入高速缓存中。当 CPU 需要读取数据时,会直接从高速缓存中直接读取,当然,如需要的数据在Cache中没有,CPU会再去读取内存中的数据。
内存 IC 是一个完整的结构,它内部也有电源、地址信号、数据信号、控制信号和用于寻址的 IC 引脚来进行数据的读写。下面是一个虚拟的 IC 引脚示意图
在这里插入图片描述
来详细描述一下这个过程,假设我们要向内存 IC 中写入 1byte 的数据的话,它的过程是这样的:
● 首先给 VCC 接通 +5V 的电源,给 GND 接通 0V 的电源,使用 A0 - A9 来指定数据的存储场所,然后再把数据的值输入给 D0 - D7 的数据信号,并把 WR(write)的值置为 1,执行完这些操作后,即可以向内存 IC 写入数据
● 读出数据时,只需要通过 A0 – A9 的地址信号指定数据的存储场所,然后再将 RD 的值置为 1 即可。
● 图中的 RD 和 WR 又被称为控制信号。其中当WR 和 RD 都为 0 时,无法进行写入和读取操作。
主板:主板上集成了各种电子元件、插槽和接口等,为CPU、内存和各种功能卡,如声卡、网卡等提供了安装插槽,为各种多媒体和通信设备提供了接口。
在这里插入图片描述
下面将对主板的各元件、插槽和接口分别进行介绍。
北桥芯片:北桥芯片是主板芯片组中最重要的一块芯片。电脑中的CPU、内存和显卡都是由北桥芯片控制,因此北桥芯片的优劣在一定程度上决定了主板的性能。由于北桥芯片处理的数据较多,为降低其工作时散发出的热量,一般情况下还会在其上方安装散热片。
南桥芯片:南桥芯片是主板的第二大芯片(第一大芯片是北桥芯片)。南桥芯片控制了输入/输出设备和外部设备,如USB设备、IDE设备、SATA设备、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器和高级电源管理等设备。
主板是一个有着各种各样,有时候多达数十乃至上百个插槽的配件。我们的 CPU 要插在主板上,内存也要插在主板上。主板的芯片组(Chipset)和总线(Bus)解决了 CPU 和内存之间如何通信的问题。芯片组控制了数据传输的流转,也就是数据从哪里到哪里的问题。总线则是实际数据传输的高速公路。因此,总线速度(Bus Speed)决定了数据能传输得多快。
系统总线和IO总线
一般主机板芯片组有分北桥与南桥, 北桥的系统总线称为系统总线,因为是CPU、内存、显卡传输的主要通道,所以速度较快。南桥就是所谓的输入输出(I/O)总线,主要在联系硬盘、USB、网络卡等周边设备,最常见的是PCI总线。这两条总线之间用桥接的芯片或者说电路连接起来。
在这里插入图片描述
举个形象的例子,就好比一个城市里,有两条主干道,一条属于行政区,一条属于商业区,中间有个环岛,将两条主干道连接到了一起,系统总线就好比行政区里的主干道,而I/O总线就好比商业区的主干道。系统总线和I/O总线的带宽的单位都是以Gbyte来记,但是显而易见的是,行政区的主干道和商业区的主干道相比的话,前者肯定更“核心”,更宽,更顺畅,设计的要求也高 。
I/O 设备:显示器、鼠标和键盘
显卡:使用图形界面操作系统的计算机,无论是 Windows、Mac OS 还是 Linux,显卡都是必不可少的。有人可能要说了,我装机的时候没有买显卡,计算机一样可以正常跑起来啊!那是因为,现在的主板都带了内置的显卡。如果你用计算机玩游戏,做图形渲染或者跑深度学习应用,你多半就需要买一张单独的显卡,插在主板上。显卡之所以特殊,是因为显卡里有除了 CPU 之外的另一个“处理器”,也就是GPU(Graphics Processing Unit,图形处理器),GPU 一样可以做各种“计算”的工作。
磁盘
磁盘的物理结构:硬盘的基本存储单位为扇区(Sector),每个扇区一般为512字节。一个硬盘往往有多个磁片,每面按照同心圆划分若干个磁道,每个磁道划分为若干个扇区。通常,我们的一个盘面上会有两个磁头,分别在盘面的正反面。盘面在正反两面都有对应的磁性涂层来存储数据,而且一块硬盘也不是只有一个盘面,而是上下堆叠了很多个盘面,各个盘面之间是平行的。每个盘面的正反两面都有对应的磁头。
在这里插入图片描述
磁盘数据读取:我们的数据并不能直接从盘面传输到总线上,而是通过磁头,从盘面上读取到,然后再通过电路信号传输给控制电路、接口,再到总线上的。
磁盘缓存(占用部分内存存数据,可以直接从内存读取数据,提升速度):指的是把从磁盘中读出的数据存储到内存的方式,这样一来,当接下来需要读取相同的内容时,就不会再通过实际的磁盘,而是通过磁盘缓存来读取。某一种技术或者框架的出现势必要解决某种问题的,那么磁盘缓存就大大改善了磁盘访问的速度。
在这里插入图片描述
虚拟内存:指把磁盘的一部分作为假想内存来使用,是假想的内存(实际上是磁盘),虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续可用的内存(一个完整的地址空间),但是实际上,它通常被分割成多个物理碎片,还有部分存储在外部磁盘管理器上,必要时进行数据交换。
总线:计算机是由五大部件组成的:运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备,这个概念比较抽象,简单一点来说就是 CPU 包含运算器和控制器存储器也就指的是内存,而输入输出设备分别指的是键盘和显示器。计算机这几个部件之间是需要共同协作完成信息处理的,那么,这几大部件之间如何进行通信呢?靠的是总线
通过控制总线,向各个部件发送控制信号,通过地址总线用地址信号指定其需要访问的部件,如存储器,数据总线上传送数据信息,数据总线是双向的,即,数据信息可由CPU至其它部件(写),也可由其它部件至CPU(读)
CPU如何控制I/O设备:
程序直接控制:cpu不断轮询IO设备的状态
中断控制方式:通过总线向CPU发起中断请求
DMA存取方式:
在这里插入图片描述
CPU 和 I/O 设备之间的通信
首先,在 I/O 设备这一侧,我们把 I/O 设备拆分成,能和 CPU 通信的接口电路,以及实际的 I/O 设备本身。接口电路里面有对应的状态寄存器、命令寄存器、数据寄存器、数据缓冲区和设备内存等等。接口电路通过总线和 CPU 通信,接收来自 CPU 的指令和数据。而接口电路中的控制电路,再解码接收到的指令,实际去操作对应的硬件设备。
而在 CPU 这一侧,对 CPU 来说,它看到的并不是一个个特定的设备,而是一个个内存地址或者端口地址。CPU 只是向这些地址传输数据或者读取数据。所需要的指令和操作内存地址的指令其实没有什么本质差别。通过软件层面对于传输的命令数据的定义,而不是提供特殊的新的指令,来实际操作对应的 I/O 硬件。

评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值