计算机硬件知识对于我来说是其中一个比较薄弱的环节,最近看鸟哥linux的首章节,决定对计算机内部的硬件,作一个简单的了解。
一、CPU-计算机大脑

cpu
① 什么是CPU?
CPU作为计算机的大脑兼顾了计算机很大一部分的计算和功能的协调,CPU的主要运作原理,不论其外观,都是执行储存于其程序存储器中的一系列指令,晶体管集成电路的出现,衍生了不同用途的小型处理器供不同数字设备使用,如手机、pad、kindle等等。

多核心中央处理器是在中央处理器芯片包含多个处理器核心,现今使用双核心和四核心以上处理器的个人计算机已相当普遍。另也有少数三核心、六核心、八核心、十核心处理器等

* 由于CPU型号不同具有的针脚也有区别,不是所有的CPU都适合安装在同一个主板上,当我们自己配电脑时注意CPU是否兼容主板

不同的CPU微指令会导致CPU工作效率是否高效,比如新出版的cpu有很多新的微指令更省电等等,这就需要我们去挖掘cpu具体新增的微指令,另外CPU的频率也是能表明在相同时间内CPU能做更多事情,比如E5-2697 V3为大概3.6GHz表示CPU可以在一秒内执行3.6 * 10^3MHz  =》 3.6 * 10^6 KHz  =》 3.6 * 10^9 次指令的运行,这里就要结合微指令集和频率来比较CPU的运行性能,不同生产商开发的CPU架构上的不同,微指令集的不同,每次相同频率执行的指令集也不一样,产生的频率也不一致,做同样的事有时是时间换空间,也有可能是空间换时间,最终实现的效率是一致的。

② CPU外频、倍频、主频
外频是CPU与外部各部件基本一致,所以我们会把外频称为计算机的基准频率,主要是外部连接内存等外部设备的频率。倍频是CPU内部用来加速的一个倍数,主要是CPU内部处理频率。主频一般等于外频乘以倍频,刚开始CPU的主频等于外频,限制CPU频率的进一步提高,随着倍频技术的出现,主频等于外频的倍数,而外部则保持一个比较低的外频率。
这里涉及一个超频的名词,由于倍频被开发商锁定,一般我们通过主板设定来提供外频率,外频提高了,对应的倍频和主频也会相应提高,以提高电脑运行速度,但是由于高频率下CPU可能温度会升高导致死机或者CPU的损坏,所以想玩超频最好是做好充足的散热准备。

③ 32位和64位CPU
这里涉及到主板的北桥和南桥芯片组,北桥主要是CPU、内存、显卡传输的主要通道,叫系统总线,传输速度快;而南桥主要是一些输入输出设备、网卡,硬盘等传输设备,速度较系统总线慢。这里北桥所支持的频率我们称为前端总线速度(FSB),北桥所支持的频率有400/800/1600等等,而每次传送的位数称为总线宽度,也就是我们常说的32/64位。总线频宽(每秒钟传送的最大数据量) 等于 FSB X 总线宽度。比如说:
一个1600MHZ的前端总线速度的北桥,我们计算它和内存间的频宽就是,
1600MHz * 64 bit = 1600MHz * 8Byte = 12800MB/s = 12.8GB/s
所以以前的老式32位CPU,你给它配再大的CPU,传输的数据量最终还是受到限制的

二、内存-计算机二把手

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① 什么是内存?
内存是CPU进行通信的重要组件,内存为CPU计算提供数据,我们编写的程序都离不开内存操作,之前我们Java程序的编写,我们可以看到Java基本离不开对内存的操作。

内存是普遍是通电后才对所有执行的程序进行数据的记录,所以有时我们感觉电脑很卡,CPU和内存都占用很高情况下进行重启,实际是短暂断电清空寄存在内存的数据。

内存又分为RAM(随机存储器),ROM(只读存储器)等等。
关于ROM的应用其实我们经常接触的BIOS是基于ROM实现的。在我们计算机主板上各种组件间参数频率的调整,功能性的启动,这就需要我们经常叫的CMOS芯片来发挥这些功能参数的记录,当我们按下计算机的del进入到一个叫BIOS的程序,这套程序就是写在ROM(只读存储器)里面,ROM其特性是一旦存储数据就无法再将之改变或删除,且内容不会因为电源关闭而消失,通常用以存储不需经常变更的程序或数据,记录在其中的内容不会被改变,一般一些计算机固定程序会写在里面。

内存先后出现SDRAM和DDR等不同的内存。DDR以双倍速度传输数据,也称为双倍速率SDRAM。后来随着CPU的发展,DDR也有了进一步发展,DDR2,DDR3随之出现,总朝着更省电,传输数据速率更快发展

② 内存的外频、频率、带宽
内存的外频和频率也跟CPU一样是作为表示性能优劣的一个指标,频率越高表示每秒执行工作越多,频率和频宽总是成正比,据说DDR4频率有2667MHz,其中内存容量也是我们应该考虑的,根据其他组件性能选购尽量大容量的内存能对我们处理大数据过程有很大帮助,因为不用一个很大的数据占据内存后不释放,只有等已加载满数据的内存释放一定量数据才能加载新数据。

我们平常所说的添加内存就涉及到双通道内存设计,一般传统内存带宽是64位,使用这种设计的话,加入两条内存,这时总内存带宽就会达到128位。容量相同的内存如果分别装在不同颜色的插槽下会被认为是单通道设计。另外。组装双通道内存系统时要注意内存条的搭配,不同主板可能要求不同,最好使用相同品牌、相同型号的内存条,频率相同以确保稳定性。

* CPU的外频最好和内存的外频一致,内存频率过高有可能会导致蓝屏

③ 第二层高级缓存设计
除了内存之外,我们知道频繁地经北桥从内存读取数据是件很耗时的操作,这时缓存就出现了。CPU内集成了第二层高速缓存,第二层高速缓存的频率和CPU频率接近一致,容量小于内存,当CPU去向内存请求数据的时候,会先到缓存内存查看是否有类似数据,如果有则直接取缓存数据,没有的直接取内存数据。一般第二层高速缓存使用的是SRAM设计的,其特点是晶体管数量多,相对于DRAM,SRAM功率消耗和速度都比较好,但是晶体管数量较多,每个单元所需要的费用也相对比较高,大容量也意味着钱更多

三、硬盘

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① 什么是硬盘?
硬盘相信大家也不陌生了,主要是存储一些资料使用,包括多年珍藏的种子。
硬盘使用坚硬的旋转盘片为基础的非挥发性存储设备,主要由盘片、机械手臂、磁头、中轴马达等所组成,硬盘运作实际上是通过中轴马达高速运转使用磁头在盘片上刻录数据。其中硬盘分为3.5英寸台式和2.5英寸笔记本。
硬盘大致分为以下接口:
1)  ATA(又称为IDE) 接口速度大概130MB/S左右,由于并线线路,占用空间大,导致抗干扰性和散热差,基本被SATA接口所代替
2) SATA 串行接口,2代速度达到300多MB/S的速度,抗干扰和散热较IDE好
3)  FC 光纤通道接口,速度达到4GB/S以上,到时相对费用也很高

② 扇区、磁道、簇
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上图中涉及到以下几个名词:
扇区是硬盘上存储的物理单位,每个扇区大小为512bytes,即使计算机只需要硬盘上存储的某个字节,也须一次把这个字节所在的扇区中的全部512字节读入内存
磁道(Track) 其实是盘片在中心轴带动下做高速旋转,磁头连续写入的数据是排列在一个圆周上的圆形。
簇其实是物理相邻的若干个扇区

硬盘读取数据时,读写磁头沿径向移动,移到要读取的扇区所在磁道的上方,这段时间称为寻道时间。因读写磁头的起始位置与目标位置之间的距离不同,寻道时间也不同。磁头到达指定磁道后,然后通过盘片的旋转,使得要读取的扇区转到读写磁头的下方。这里就需要考虑硬盘的每分钟转速,一般转速越快表示这个硬盘的读写速度也快,另外注意的问题是在高速运转过程中,我们经常回去拍打震动机箱,其实这有可能会因为影响盘片的刻录导致硬盘的损坏

③ 虚拟内存和硬盘
在我们计算机中所运行的程序均需经由内存执行,若执行的程序占用内存很大或很多,则会导致内存消耗殆尽。为解决该问题,Windows会采用虚拟内存技术,腾出一部分硬盘空间来充当内存使用。当内存耗尽时,电脑就会自动调用硬盘来充当内存,以暂时缓解内存的紧张。

四、显卡
显卡对于图像的显示起着重要作用,图像的显示涉及到分辨率和颜色深度,而这些会占用内存,所以显卡也有自己的内存,显存的大小影响了你显示图像的分辨率和颜色深度,显卡也有自己的”CPU”叫做GPU(图形处理器),显卡也是通过北桥和计算机的其他组件进行通信。
显卡的发展经历了:
ISA下那颗->VESA显卡->PCI显卡->AGP显卡->PCI-Express显卡
这几种显卡发展总体向带宽更大的方向前进。
我们通常说的独立显卡和集成显卡是什么意思?
独立显卡:将GPU,显存及相关的电路做在一块电路板上的扩展槽供电脑爱好者去增加。
集成显卡:是指芯片组集成了显现芯片,运用这种芯片组的主板就可以不需求独立显卡完成普通的显现功用,以满足普通的家庭娱乐和商业运用,节约用户买显卡的开支

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