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计算机硬件基础知识入门：从CPU到操作系统

创作时间:

作者:

@小白创作中心

计算机硬件基础知识入门：从CPU到操作系统

引用

CSDN

https://m.blog.csdn.net/2302_79467856/article/details/139003124

计算机硬件是现代信息技术的基础，了解其基本组成和工作原理对于每个人来说都非常重要。本文将从CPU、内存、IO设备、总线、主板、硬盘接口、硬盘格式化以及操作系统等多个方面，为大家详细介绍计算机硬件的基础知识。

1、计算机的主要组成部分

1.1 CPU

主频：CPU内核工作的时钟频率，是衡量处理器性能的一个重要指标，代表了CPU每秒钟可以进行的时钟周期数。如果一个CPU的主频是4GHz，这意味着它每秒可以执行40亿个时钟周期。
睿频：除了主频外，现代CPU还具有睿频技术，它允许CPU在需要时自动超过主频工作，以提供更快的速度处理突发的高负载任务。
CPU缓存：是一种快速但容量较小的内存，用于存储处理器频繁访问的数据和指令，以减少访问主内存的时间。通常分为三级，即L1、L2和L3缓存。其中L1缓存速度最快，但容量最小，通常分为指令缓存和数据缓存。L2缓存速度较慢，但容量较大，通常为所有核心共享（多核CPU）。L3缓存速度最慢，但容量最大，也是所有核心共享。
CPU字长：CPU一次能处理的二进制位数，通常与CPU内部数据通路的宽度相匹配，决定了计算机的计算精度和表示数据的范围。
现代多核CPU：随着技术的发展，现代CPU已经从单核发展到多核，通过多个处理核心同时工作来提高计算效率。

1.2 Memory（存储器）

内存：也成为主存，内存用于存放CPU当前处理的数据和指令，速度比外存快（慢于CPU），是计算机性能和效率的关键部件。断电之后主存数据会丢失。
外存：硬盘、磁带、光盘等外部存储器，一般存储量大，断电之后数据不丢失，适合与持久化保存数据。

1.3 IO设备

输入设备：键盘，鼠标，触摸板，摄像头，网卡等，作用将数据输入计算机。
输出设备：屏幕，打印机，绘图仪，语音设备，网卡等，作用是将计算机处理的数据以用户能够理解的形式展现出来，如数字、字符、图像或声音等。

1.4 总线

系统总线是由导线组成的传输线束。它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。

总线的分类

按功能分类
数据总线：传输数据，它是双向的，意味着数据既可以从CPU传输到内存或I/O接口，也可以反向传输。数据总线的宽度（即位数）决定了CPU一次可以处理多少位的数据，这对系统的性能有重要影响。现代电脑的数据总线宽度通常与CPU的位数相匹配，比如：32位处理器，数据总线32位，64位处理器数据总线宽度64位。
地址总线：传输地址信息，用于指定数据总线中源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址。它通常是单向的，由CPU输出地址信息，以便于找到需要读取或写入数据的确切位置。
控制总线：用来传送控制信号和时序信号，这些信号协调和管理数据传输的过程。之所以有控制总线，是因为数据和数据需要写入的地址是由数据总线和地址总线分别传输的，需要协调。
按照层次分类
内部总线：在CPU内部，寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线。
系统总线：又称内总线或板级总线，是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互联。因为该总线是用来连接微机各功能部件而构成一个完整微机系统的，所以称之为系统总线。人们平常所说的微机总线就是指系统总线，如ISA总线、PCI总线等，现代电脑主要用的是更先进的PCI-E总线。
外部总线：是计算机和外部设备之间的总线，如IDE总线、USB总线、SCSI总线等。现代个人电脑一般多用USB总线连接打印机，扫描器，U盘等外设，最新版本为USB4，支持最高40Gbps的传输速度。而硬盘，固定硬盘等主要使用SATA总线（SATA接口简单，兼容性好）。现代服务器一般采用PCI-E总线连接显卡，网卡等，为扩展性服务器一般会配置多个PCI-E插槽。服务器一般多采用SAS总线连接硬盘（基于SCSI的串行接口），与SATA相比，SAS提供了更高的性能和更好的可靠性，适用于企业级存储解决方案。
按传输方式分类
串行总线：所有信号复用一对信号线，串行总线通信速率比较低，刚干扰好，但在数据通信量不是很大的微处理器电路中，显得更加便捷、灵活。如USB总线、SPI总线、I2C总线等。
并行总线：行总线逻辑时序较为简单，电路实现容易，适合于高速且实时性要求高的数据传输场景。

1.5 主板

主板提供一系列接合点，供处理器、显卡、声效卡、硬盘、存储器、I/O设备等设备接合。它们通常直接插入有关插槽，或用线路连接。主板上最重要的构成组件是芯片组。而芯片组通常由北桥和南桥组成，这些芯片组为主板提供一个通用平台供不同设备连接，控制不同设备的沟通。

2、硬盘接口类型

2.1 IDE硬盘

IDE硬盘又叫PATA硬盘，采用并行传输，全名“Integrated Drive Electronics”，接口类型：ATA、Ultra ATA、DMA、Ultra DMA。优点：价格低，兼容性好，性价比好。缺点：速度慢，连接设备少。

2.2 SATA硬盘

采用串行传输，速度快，分为STATA第一代和SATA第二低，二代的传输速率大约3Gbps。SATA又分为原生SATA和桥接SATA：

原生：这是真正的SATA硬盘，采用真正的SATA控制器
桥接：只是将普通的IDE硬盘通过桥接控制芯片将其转化为SATA硬盘，性能上比起IDE硬盘没有明显提升

相对用于IDE硬盘的优势：速度快，安装方便，便于散热，支持热拔插。

2.3 SCSI硬盘

全名”Small Computer System Interface” (小型机系统接口)。特点：

多在服务器上使用
速度快
稳定性好
适合于磁盘阵列

2.4 按存储特性分类

机械硬盘
固态硬盘

3、关于硬盘格式化

3.1 磁盘结构图

固态硬盘和机械盘的示意图

磁盘逻辑结构图

3.2 分区和格式化

硬盘不能直接使用，必须对硬盘进行分割，分割成的一块一块的硬盘区域就是磁盘分区。在传统的磁盘管理中，将一个硬盘分为两大类分区：主分区和扩展分区。主分区是能够安装操作系统，能够进行计算机启动的分区，这样的分区可以直接格式化，然后安装系统，直接存放文件。

刚分完去的硬盘是不能保存数据的，还需要格式化。硬盘格式化是对存储设备进行初始化的过程，旨在清除数据并为数据存储准备文件系统。

格式化主要分为两种类型：

快速格式化（高级格式化）：这种格式化方式仅清除文件系统的地址表，数据并未真正被删除，速度较快，适用于需要快速清理数据、创建新分区或改变文件系统类型的情况。
慢速格式化（低级格式化）：这种方式会对硬盘每个扇区进行检查，并标记坏道，适合需要彻底检测和修复硬盘问题的情况。通常，这种格式化耗时较长，且对硬盘有一定损耗。

4、操作系统

4.1 什么是操作系统

管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源、合理地组织计算机工作流程以方便用户使用的程序集合。

4.2 内核态与用户态

操作系统中的内核态与用户态是两种不同的运行环境，它们主要区别在于权限和资源访问。

内核态：当CPU在内核态运行时，CPU可以执行指令集中所有的指令，很明显，所有的指令中包含了使用硬件的所有功能，（操作系统在内核态下运行，从而可以访问整个硬件）。
用户态：用户程序在用户态下运行，仅仅只能执行CPU整个指令集的一个子集，该子集中不包含操作硬件功能的部分，因此，一般情况下，在用户态中有关I/O和内存保护（操作系统占用的内存是受保护的，不能被别的程序占用），当然，在用户态下，将PSW中的模式设置成内核态也是禁止的。

内核态与用户态切换

用户态下工作的软件不能操作硬件，但是我们的软件比如暴风影音，一定会有操作硬件的需求，比如从磁盘上读一个电影文件，那就必须经历从用户态切换到内核态的过程，为此，用户程序必须使用系统调用（system call），系统调用陷入内核并调用操作系统，TRAP指令把用户态切换成内核态，并启用操作系统从而获得服务。把的系统调用看成一个特别的的过程调用指令就可以了，该指令具有从用户态切换到内核态的特别能力。