计算机设备

前言

  本篇采用自上而下的方式分析计算机组成

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一、数字计算机

数字计算机间有什么不同？¹
  计算能力相同，只是计算速度的差别²

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  以下分析通用计算机中的个人计算机

1.个人计算机

个人计算机是指一种大小、价格和性能适用于个人使用的多用途计算机。

  通常是冯诺依曼结构。

  为什么采用冯·诺依曼结构？
    这是计算机基本结构，能够实现人们对计算机的大部分需求。
  冯·诺依曼结构是什么？
    使用二进制逻辑、程序存储执行、计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备）的结构。特点包括程序存储、共享数据、顺序执行，实现了程序存储和程序控制。
    冯诺依曼结构是宏观上串行的，非冯·诺依曼结构的计算机，例如光子计算机、并行计算机、数据流计算机、量子计算机等都具有高度并行的特点，哈佛结构则是因为其指令和数据分开存储从而能够并行存取数据和指令。

二、计算机组成

  冯诺依曼结构的计算机主要包括运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本设备。³

计算机基本组成

主板组成

基本概念

主板 = 芯片 + 总线 + 端口，具体主板需具体分析

1、端口分同步和异步、串行和并行
2、常用端口：USB、HDMI、SATA、PCI Express(白)、LAN
3、接近淘汰：ISA(黑)、AGP(棕)、IDE、ATA、PS/2
4、芯片即集成电路
5、南北桥芯片组通常集成了许多芯片，所以也直接连接了某些端口，如PCI Express

1.主要设备

1.1.ICS

  构成：主要是石英多谐振荡电路⁴
  作用：同步时序电路中，生成连续的间隔固定的电脉冲流⁵
  意义：所有内部操作都在时钟脉冲的触发下进行，控制和协调整个系统的工作，同时影响计算机系统的工作速度⁶。产生外频(基频)，通常为系统总线的工作频率（系统时钟频率），通过倍频电路频率放大给CPU、内存等使用。

1.2.CPU

central processing unit：负责解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据

组成
  通常由运算器、控制器、高速缓冲存储器、输入/输出单元、外部数据总线、内部数据总线组成，可将其看作一个规模较大的集成电路

  运算器：算术逻辑单元(ALU)、通用寄存器(R0-R3)、数据缓冲寄存器(DR)、状态条件寄存器(PSW)

  控制器：程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、地址寄存器(AR)、指令译码器、时序产生器和操作控制器

  输入/输出单元(I/O，Input/OutputUnit)：管理进出CPU的数据和命令的功能模块。

  外部数据总线：整个系统与CPU通信的通道，又称前端总线（FSB）

  内部数据总线：CPU内部数据传输通信的通道，其运行速度快于外部总线和系统总线，又称后端总线

  高速缓冲存储器（cache）：存储数据和地址，通常是静态存储器

基本运行流程

1. 取指令（IF），即将一条指令从主存储器中取到指令寄存器的过程。PC -> cache -> IR、PC+1
2. 指令译码阶段（ID），IR -> 指令译码器
3. 执行指令阶段（EX），具体实现指令的功能。指令译码器 -> CPU
4. 访存取数阶段（MEM），根据指令需要访问主存，部分指令无该阶段。
5. 结果写回阶段（WB），运行结果数据“写回”，一般是CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。
6. 在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生返回步骤1

1.3.总线（Bus）

定义 ⁷
  计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，通常分为数据总线(DB)、地址总线(AB)和控制总线(CB)，可以看作导线组成的传输线束

基本概念⁸
  位（bit）：计算机内存储和处理信息的最小单位
  字节（byte）：数字计算机将信息以一组或一串比特的形式存储，通常8位
  字：一个或以上字节组成字，字长通常是数据传输的基本宽度

1.4.内存（Memory）

定义⁹
  又称内存储器和主存储器，用于暂时存放CPU中的运算数据、与硬盘等外部存储器交换的数据，是CPU能直接寻址的存储空间，存放直接为CPU提供服务的程序和数据

内存的发展

1.4.外围设备（I/O设备）

定义
  计算机系统中除主机外的其他设备，包括外存、键鼠、显示器等
功能
  完成信息转换：期望信号和数字信号间转换
  实现人机交互
  存储信息资源

1.4.1.外存

定义¹⁰
  又称辅助存储器，用于存放暂时不用的程序和数据，通常是磁性介质或光盘，一般断电后仍然能保存数据。

1.4.2.输入/输出设备

  输入时：原始信息经过输入设备处理、二进制代码，送入主机
  输出时：处理结果经过输出设备转换成用户能够直接感知的形式

1.4.3.键盘

1. 触电式：触点接通，电位变化检测
2. 无触点式：触点不接通，磁场和电容变化检测
3. 虚拟式：光学、虚拟方式，如触摸屏、激光等

1.4.4.接口

   实现缓冲、转换、连接等功能，连接总线和设备

 
 
 
 
 
 
 
 

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以上纯属个人观点，欢迎大佬批评指正（待填坑）

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1. 《计算机科学丛书：计算机组成原理》[英] 艾伦·克莱门茨 ↩︎

2. https://baike.baidu.com/item/%E5%9B%BE%E7%81%B5%E6%9C%BA ↩︎

3. https://baike.baidu.com/item/%E5%86%AF%C2%B7%E8%AF%BA%E4%BE%9D%E6%9B%BC%E7%BB%93%E6%9E%84/9536784?fr=aladdin ↩︎

4. https://baike.baidu.com/item/%E6%97%B6%E9%92%9F%E5%8F%91%E7%94%9F%E5%99%A8 ↩︎

5. 《计算机组成原理》.机械工业出版社.P15 ↩︎

6. 《数字电子技术基础（第六版）》.高等教育出版社.P349 ↩︎

7. https://baike.baidu.com/item/%E6%80%BB%E7%BA%BF/108823?fr=aladdin ↩︎

8. 《计算机组成原理》.机械工业出版社.P43 ↩︎ ↩︎

9. https://baike.baidu.com/item/%E5%86%85%E5%AD%98/103614?fr=aladdin ↩︎

10. https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%96%E5%AD%98%E5%82%A8%E5%99%A8/1226993?fromtitle=%E5%A4%96%E5%AD%98&fromid=2445612&fr=aladdin ↩︎