计算机系统004 - 硬件组件概况

有一段时间没有更新，一来最近事务繁忙，二来也从新整理了下硬件及操做系统相关知识，以便造成部分后续章节内容概要，避免凌乱。但愿迟来的更新对你们依然有所帮助，一样，若有疑虑，欢迎提出以便及时修正。

上一篇计算机系统003 - 硬件体系从问题描述的角度着手，讲解了一个天然语言的问题最终如何描述为机器语言的指令以便可以顺利执行。其中提到现今最为流行的冯·诺依曼体系由五大组件组成，分别为输入单元、内存单元、处理单元、控制单元和输出单元。

本篇假设读者对计算机只是了解有限，将比较细致地归纳计算机中主要单元的外观及特性，所以湿货较多，便于造成印象，如已有基础，可选择略过本篇内容。

1. 从主板看起

平常生活中，咱们能看到的计算机设备一般以下图所示（笔记本电脑以及平板电脑可类比）。

从外观来看，输入/输出单元很直观，但内存、处理以及控制单元却没法直接看到，为了进一步了解相关知识，不得不掀开机箱（所谓System Unit）的盖头来。

虽然上图有一些英文标识，但略做整理，也应该能大体看懂：

• 电源和风扇（Power supply and fan & Fan）
  本系列文章的第一篇中就介绍了电学相关知识，电路交换中须要电流、电压（电势差）等条件。计算机硬件设备中虽然存在电子，但要造成电流就必须借助外界设备，而这种设备就是电源。

我国电压标准是220V 50Hz交流电，而计算机设备内部采用的是高密度集成电路等器件，不可能承受220V的高压，所以使用前还须要降压。降压的原理前面也提过，两边的线圈自己存在必定电阻，有电阻就会产生热能，所以须要风扇参与降温，保证电源供电的稳定性，从而提供计算机设备器件稳健运行的基础。

• 光盘驱动(Optical drive)
  一开始，电脑间并未组建网络，如需分享文件或其余资料（如操做系统、程序等）只能手动拷贝，常见设备为1440KB的软盘。
  

  

慢慢地，出现了局域网，但不管网络规模仍是速度都极大限制了资讯的传播，而随着对电脑依赖程度增长，所需分享的资料反而愈来愈大，好在出现了新的存储技术CD-ROM，以及更进一步的DVD，存储介质俗称光盘。

而光驱就是为了可以读取光盘才存在的，有了光驱，在未接通网络或网络不佳的电脑上也可以安装大数据（4GB之内）的资料，但出现4GB以上软件时，则不得不分割文件后使用多个盘片分别存储，读入电脑后从新拼接。

• 硬盘驱动（Hard disk drive）
  如上节所述，一方面有的光盘为只读属性，另外一方面如需拷贝光盘数据后重组，则至少须要一个目标存储器来存储光盘中数据，这个任务就交给了硬盘。

若是你要问我为何叫作硬盘，那能够看看下图，从盘片的颜色应该就能知道硬盘的硬，并不是浪得虚名。

• 接口及扩展插槽（Connectors & Expansion slots)
  以前咱们从电脑总体外观看到有号称为输入输出设备的鼠标、键盘、音箱等，它们不可能刚好和机箱甚至主板一块儿由一家制造，为了保证各家制造的设备都可以兼容主板，所以你们指定了一些接口规范。
  

  

只有遵循游戏规则，才能找到愿意一块儿玩耍的朋友，硬件厂商们也是同样，谁都想垄断市场制定标准，但谁也不可能单独完成，所以只好各自博弈，创造出一套游戏规则，保持正常运转。

这些接口及扩展插槽主要用于支持输入输出设备，键盘也好，鼠标也罢，都经过各自线缆链接到接口上，开始协做。

• 主板（Motherboard）
  终于讲到了主板，这里囊括了内存单元、控制单元以及执行单元，具体以下图所示：
  

  

  
  但从图中咱们只能看到三类组件：

  • 中央处理器（CPU）
    CPU中包含了处理单元ALU和控制单元CU二者。主要负责将结合输入和内存状态，运算获得输出结果。
    

    

    
    

    

  • 内存（RAM）
    CPU内部其实是一堆运算电路，只负责运算，不负责状态维护。所以如需使得CPU可以自动化完成一个任务，就必须首先输入机器语言表示的任务描述，存储到内存中，运行时CPU从内存中取出指令或数据，并将运算后所得结果输出或存储到内存另外一地址中。

    这里的RAM实际上仍然是一些集成电路，只不过这些集成电路能够保存电路状态从而达到存储效果。
    

    

  • 接口（I/O & PCIe & SATA）
    这里的接口其实就是上一小节的“接口及扩展插槽”，存在的目的也是为了知足不一样需求的硬件设备，如网络接口、PCIe卡等。

2. 总线

如今咱们对计算机内部硬件已经有了必定了解，实质上计算机完成的功能就是CPU处理RAM和接口送入的数据或指令，处理完毕后存放在RAM中或经过接口进行输出。但有一个问题不能避开不谈，那就是，CPU和RAM以及接口间是如何协做的？

从图中能够看出，CPU和RAM以及接口间均经过总线Bus来协做。总线是为各计算机组件提供的一种数据传送和控制逻辑的通用方式，每条线路在同一时间内都仅能负责传输一个比特，所以必须同时采用多条线路（并行）才能发送更多数据，这样以后，全部总线可同时传输的数据数称为宽度，单位为bit。而总线的带宽则为：总线带宽 = 频率x宽度（Bytes/sec）。

同时，图中列出了3类总线：

• 控制总线（Control Bus）
  将CPU中控制单元CU的信号传送到周边设备，通常常见的为USB Bus和1394 Bus。

• 地址总线（Address Bus）
  用来指定RAM之中存储的数据的地址。

• 数据总线（Data Bus）
  在CPU和RAM之间来回传送须要处理或存储的数据。

这里只是列出了抽象的概念，让咱们再进一步，看看实际的主板上的总线到底是如何链接的。

两个新概念，北桥和南桥。总体而言，北桥链接高速内部设备，南桥链接低速外部设备。具体以下：

• 北桥（NorthBridge）
  北桥一般处理在CPU、RAM、PCIe（或AGP）显卡及南桥间通信，最近发展中，呈现将北桥集成进CPU中的趋势，如AMD的Athlon 64。

• 南桥（SouthBridge）
  南桥包含大多数周边设备接口、多媒体控制器和通讯接口功能。如PCI控制器、ATA控制器、USB控制器、网络控制器及常见的键鼠等。

3. 总结

本篇主要目的是归纳性介绍硬件五大组件外观、基本原理以及协做方式，对于五大组件，后面将分别成篇进行探讨，这里只须要了解到，计算机本质上是负责完成计算任务，计算方式（指令）以及数据所构成的任务描述需经过输入设备进行输入，也能够其余方式提早存储到内存中，至于运算结果，便可选择一样存储在内存中，也可选择相应输出设备进行输出。