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计算机底层

2021-11-28 15:52:24

计算机底层

①数据传输
首先先大概描述一下 数据传输过程

A计算机(服务器)<-------->网络传输服务(各种协议和软硬件配合)<---------->B计算机(服务器)

信息传递:A计算机想往外传输 就要把数据变成可传输类型,首先会把传递的信息通过ASCII码表转换为010101…然后通过 硬件把0和1 变为相应的电信号。

             注:电压来表示 0和1   设定某一电压为界限      低于这一电压代表0,高于这一电压代表1。

             此电压通过线缆传输到  B计算机(服务器)  B计算机的相关硬件  把电信号 转变为 010101...通过ASCII码表编译成可                      看的字符信息。

图示:

②数据存储
硬盘物理结构:https://blog.csdn.net/yehenhei/article/details/53033995

存储原理:

1、机械硬盘

硬盘是在硬质盘片(一般是铝合金,以前 IBM 也尝试过使用玻璃)上涂敷薄薄的一层铁磁性材料。硬盘储存数据的原理和盒式磁带类似,只不过盒式磁带上存储是模拟格式的音乐,而硬盘上存储的是数字格式的数据。写入时,磁头线圈上加电,在周围产生磁场,磁化其下的磁性材料;电流的方向不同,所以磁场的方向也不同,可以表示 0 和 1 的区别。读取时,磁头线圈切割磁场线产生感应电流,磁性材料的磁场方向不同,所以产生的感应电流方向也不同。 不论是什么计算机文件,歌曲,视频,图片,文档等等都是以一个二进制的序列存在的,也就是很多个"10010001110011…"这样的东西,硬盘上的存储的文件实际上就是存储着这些0和1的序列.硬盘的磁头能够按照指令读取相应位置的信号,并且能够改变指定位置的磁场方向,这就是数据的读和写。

2、SSD固态硬盘

SSD最重要的三个组件就是NAND闪存,控制器及固件。NAND闪存负责重要的存储任务,控制器和固件需要协作来完成复杂且同样重要的任务,即管理数据存储、维护SSD性能和使用寿命等。

其中着重了解一下NAND Flash(数据持久话的地方),NAND Flash是一种非易失性随机访问存储介质,基于浮栅(Floating Gate)晶体管设计,通过浮栅来锁存电荷,电荷被储存在浮栅中,它们在无电源供应的情况下仍然可以保持。

③数据运算
1、主板
主板是所有电脑配件的总平台

它实际是由几层树脂材料粘合在一起的,内部采用铜箔走线。在电路板下面,是4层有致的电路布线;在上面,则为分工明确的各个部件:插槽、芯片、电阻、电容等。当主机加电时,电流会在瞬间通过CPU、南北桥芯片、内存插槽、AGP插槽、PCI插槽、IDE接口以及主板边缘的串口、并口、PS/2接口等。随后,主板会根据BIOS(基本输入输出系统)来识别硬件,并进入操作系统发挥出支撑系统平台工作的功能。

详解:http://www.360doc.com/content/16/0331/07/415885_546712221.shtml

主要部件,南北桥

北桥芯片一般提供对CPU的类型和主频、内存的类型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持,通常在主板上靠近CPU插槽的位置,由于此类芯片的发热量一般较高,所以在此芯片上装有散热片。

南桥芯片主要用来与I/O设备及ISA设备相连,并负责管理中断及DMA通道,让设备工作得更顺畅,其提供对KBC(键盘控制器)、RTC(实时时钟控制器)、USB(通用串行总线)、UltraDMA/33(66)EIDE数据传输方式和ACPI(高级能源管理)等的支持,在靠近PCI槽的位置。

2、CPU
CPU详情:http://blog.chinaunix.net/uid-23069658-id-3563960.html

CPU从逻辑上可以划分成3个模块,分别是控制单元、运算单元和存储单元,这三部分由CPU内部总线连接起来。

控制单元:控制单元是整个CPU的指挥控制中心,由程序计数器PC(Program Counter), 指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等,对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序,依次从存储器中取出各条指令,放在指令寄存器IR中,通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作,然后通过操作控制器OC,按确定的时序,向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

运算单元:是运算器的核心。可以执行算术运算(包括加减乘数等基本运算及其附加运算)和逻辑运算(包括移位、逻辑测试或两个值比较)。相对控制单元而言,运算器接受控制单元的命令而进行动作,即运算单元所进行的全部操作都是由控制单元发出的控制信号来指挥的,所以它是执行部件。

存储单元:包括CPU片内缓存和寄存器组,是CPU中暂时存放数据的地方,里面保存着那些等待处理的数据,或已经处理过的数据,CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器,可以减少CPU访问内存的次数,从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限,寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的,分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途,通用寄存器的数目因微处理器而异。这个是我们以后要介绍这个重点,这里先提一下。

CPU物理结构

详情见:http://baijiahao.baidu.com/s?id=1603152055412866599&wfr=spider&for=pc

CPU的主要物理结构分为;内核 基板 填充物 封装,接口 五部分组成,下面我详细介绍一下这五部分;

内核 ;CPU中心的长方体或者正方体部分就是CPU的核心部分,由单晶硅制成的芯片,所有的计算、接受/存储命令,处理数据都在这里完成,CPU核心的另一面也就是被盖在陶瓷电路基板下的那面要和外部电路相连,目前CPU中都有数以亿计的晶体管。或许很多人会想这么多晶体管这么放进去的,他是采用光刻蚀技术来完成的。

基板;CPU基板是CPU内核用的电路板,他承载着CPU核心的芯片和相应的电阻电容,并且基本上所有针脚和圆点与核心电路相通,他负责内核芯片与外部的通信连接,并决定这颗芯片的时钟频率,在基板的背后和下沿,还有用于和主板连接的针脚或者卡式接口。

填充物 ;CPU内核和基板之间还有硅胶硅脂等填充物,填充物的主要作用就是来缓解来自散热器的压力以及固定内核和基板,由于它连接着温度有较大差异的两个方面,所以必须保证性能十分稳定,他质量好坏直接影响CPU的质量。

封装; 目前来说大多数CPU都使用翻转内核来进行封装,也就是说我们平时看到的CPU内核其实是这颗硅芯片的底部,它是翻转后封装在陶瓷电路板的基板上的,翻转内核好处就是能够使内核直接与散热器接触更利于整体散热,随着CPU总线基板额增加,功能增强,CPU引脚数量不断增多,同时散热和电器特性要求逐年提高,这就慢慢演变成了LGA (Land Grid Array栅格阵列封装) Micro -FCBGA 微型倒装晶片球状栅格阵列,SPGA 交错针栅阵,PPGA 塑料针针栅阵等封装方式。

接口; CPU是通过不同接口与主板连接才能正常工作,经过多年的发展变化,CPU的接口有引脚式 ,卡式, 触电式 ,针脚式 ,目前基本上都是针脚式,由于CPU类型工艺不同在插孔数量,体积,形状上也是有变化的,所以不同型号,不同针脚是不能互插的!

3、内存
早期的电脑CPU是可以直接从硬盘上面读取数据进行处理的,随着科技的进步,时代的发展,计算机硬件的发展速度也是极其迅猛。CPU主频的不断提升,从单核到双核,再到多核;CPU的处理速度越来越快,而硬盘的的读写速度已经远远跟不上CPU的读写速度,后来增加了内存这个读写速度相对较快的缓存,而内存也是蓬勃到发展,从SDRAM到DDR,从DDR到DDR2再到DDR3,再到现在的DDR4。