計算機內部各硬件詳解

一般我們所說的電腦指的是x86架構的個人計算機。
x86CPU有兩大主流開發商(Intel,AMD),他們彼此不兼容,而且設計理念也有所區別,因此其主板芯片組設計也不太相同。
整個主板上面最重要的就是芯片組,Intel芯片組通常又分爲兩個橋接器來控制各組件的通信,分別是:

  • 北橋負責連接速度較快的CPU、內存與顯卡等組件
  • 南橋負責連接速度較慢的周邊接口,包括硬盤、USB、網卡等。

AMD芯片組的架構與Intel不同的地方在於,內存是直接與CPU通信而不通過北橋。CPU的數據主要來源就是內存,CMD加速這兩者的通信,將內存控制組件集成到CPU中,理論上可以加速CPU與內存的傳輸速度。這是兩種CPU在架構上面最主要的區別。
主板上主要的組件爲CPU、內存、磁盤設備、總線芯片組(南/北橋)、顯卡接口與其他適配卡。

CPU

CPU負責大量的運算,會散發出大量的熱。如果你曾拆過主板,應該會看到CPU上面會裝一個風扇散熱。並且CPU與風扇銜接處還會有硅脂散熱膏。
單核CPU只有一個運算單元,所謂的多核就是在一個CPU中嵌入兩個以上的運算內核,簡單來說,就是一個實際的CPU外殼內有多個CPU單元。
不同的CPU型號具有不同的腳位(針腳),針腳限制了CPU所能匹配的主板,所以當你買主板的時候,不僅要考慮CPU,還要考慮CPU的型號是否匹配主板

頻率就是CPU每秒鐘可以進行的工作次數。頻率越高,CPU單位時間內可以執行的指令就更多。例:一個3.0GHz的CPU,一秒鐘可以進行3.0 x 10^9次工作。
注意:不同的CPU之間不能單純的以頻率來判斷運算性能,因爲每個CPU的微指令集不同,架構也不相同,每次能夠工作的微指令個數也不同,所以,頻率只能用來比較同款CPU的速度

  • 外頻
    外頻指的是CPU與外部組件進行數據傳輸/運算時的速度
  • 倍頻
    倍頻是CPU內部用來加速工作性能的一個倍數

外頻與倍頻相乘,得到的就是CPU的頻率。拿剛纔的例子來說,一個3.0GHz的CPU,假設其外頻爲333MHz,那麼它的倍頻就是9倍。

  • 超頻
    超頻指的是:將CPU的倍頻或者外頻通過主板的設定功能更改成較高頻率。因爲CPU的倍頻在出廠時就已經鎖定無法修改,所以通常超頻爲修改外頻。超頻對CPU負荷較大,請謹慎使用。

32位與64位

前面我們提到過:CPU的數據是由內存提供的,內存與CPU之間的通信速度靠的是外頻,每次工作可以傳送的數據量與總線有關,一般主板芯片組分爲南/北橋(以Intel CPU爲例,其主板是有南/北橋的),北橋的總線稱爲系統總線,連接內存與CPU,是傳輸數據的信道,所以速度較快,南橋就是輸出(I/O)總線,主要用於連接硬盤、USB、網卡等接口。
北橋支持的頻率從低到高不等,北橋所支持的頻率通常稱之爲前端總線速度(FSB),每次傳送的位數稱爲總線寬度。總線頻寬是FSB與總線寬度的乘積,也就是每秒鐘可以傳送的最大數據量。總線寬度分爲32/64位(bit)兩種。
例如:一個北橋頻率爲1600MHz,64位CPU的主板每秒鐘最大傳輸數據量爲:1600MHz x 64bit = 12.8GB/s
CPU每次能夠處理的數據量稱爲字組大小,字組大小依據CPU的設計分爲32位與64位兩種,我們現在所說的32位或64位主要就是說的CPU能處理的字組大小。早期的32位CPU每次能夠解析的數據量有限,所以內存傳來的數據就會被限制,所以32位CPU最大支持4GB內存。再大的內存沒有意義。

字組大小與總線寬度可以是不相同的,一個32位的CPU可以設計出64位的總線寬度。如果是這樣的設計,我們通常以CPU的字組大小來稱呼該CPU的架構。

內存

臺式機主板上一般都有四個內存插槽。內存插槽中間通常有個突起物將整個插槽分爲兩個不等長的距離,這樣用戶在插內存條時就不會出現前後腳位安插錯誤的情況了。
個人計算機的內存主要組件爲動態隨機訪問內存(Dynamic Random Access Memory,DRAM),這種內存只有在通電以後才能記錄與使用,斷電後數據立即消失。我們也稱這種RAM爲揮發性內存。
我們平時所說的DDR內存中DDR的意思是雙倍數據傳送速度(Double Data Rate),它可以在一次工作週期中進行兩次數據的傳送,感覺上就是CPU的倍頻。
內存的性能包括頻率/頻寬與容量,內存容量夠大,才能將一個較大的數據完整加載,能同時啓動更多的程序。內存越大表示系統越快,這是因爲系統不用常常釋放一些內存內部的數據。對服務器而言,內存的容量有時比CPU的速度還要重要一些。

  • 雙通道設計
  • 所有需要使用的數據都必須要存到內存中,所以,內存的數據寬度越大越好。傳統的總線寬最高達64位,雙通道的設計就是爲了加大總線寬,可以把兩個內存的線寬加起來,形成128位的總線寬。
  • 啓用雙通道的功能必須要安裝兩條以上的內存,這兩條內存最好型號一模一樣,這是因爲啓用雙通道功能時,數據是同步寫入/讀取這一對內存中,如此才能提升整體的頻寬。
  • 主板上的內存槽一般是分爲兩種顏色的,只有將兩根內存條插入同一顏色的內存槽中,才能啓用雙通道功能。
  • CPU頻率與內存的關係

理論上,CPU與內存的外頻應該相同纔好。

  • 只讀存儲器(ROM)
  • 主板上面的組件是非常多的,每個組件的參數又具有可調整型。栗子:CPU與內存的頻率是可以調整的;主板上面如果有內置的網卡或顯卡時,該功能是否啓動與該功能的各項參數被記錄到主板上面的一個叫CMOS的芯片上,這個芯片需要藉助額外電源來供電,這就是主板上也會有一個電池的緣故。
  • 我們都知道BIOS吧,BIOS是一套程序,這套程序是寫死在主板上的一個內存芯片中,這個內存芯片在沒有通電也能將數據記錄下來,這就是隻讀存儲器(ROM)。BIOS對日常家用電腦來說是非常重要的,因爲它是系統在開機的時候首先會去讀取的一個程序
  • BIOS對計算機系統來講是非常重要的,因爲它掌握着系統硬件的詳細信息與開機設備的選擇。BIOS也是需要不斷更新的,你可以在很多主板官網找到BIOS的更新程序。以前的BIOS是使用的無法改寫的ROM,因此無法修改BIOS程序代碼。所以,現在的BIOS通常是寫入閃存或EEPROM。

顯卡

顯卡又稱爲VGA(Video Graphics Array),它的主要作用就是顯示圖形影像。一般對於圖像的顯示重點在於分辨率與色彩深度,因爲每個圖像顯示的顏色會佔用內存,所以顯卡上會有一個內存的容量,這個顯卡內存容量將會影響到屏幕分辨率與色彩深度。
顯卡主要是通過北橋芯片與CPU、內存等通信。如前面提到的,對於圖形影像來說,顯卡是需要高速運算的一個組件,所以數據的傳輸也是越快越好。

假設你的桌面使用1024x768分辨率,且使用全綵(每個像素佔用3B的容量),那麼總共需要2.25MB以上的顯卡內存(1024x768分辨率共有786432個像素)。如果考慮屏幕的刷新率,顯卡的內存最好還是大一點。

硬盤與存儲設備

計算機是需要記錄數據的,內存是揮發性存儲設備,如果我們將數據存儲在內存中,斷電數據就會丟失,所以我們需要一種可以持久化存儲的設備來幫我們記錄數據。計算機上面的存儲設備包括硬盤、軟盤、MO、CD、DVD、磁帶機、U盤等,其中最常見的存儲設備就是硬盤了。

硬盤是由許多的盤片、機械手臂、磁頭與主軸馬達所組成的,數據都是記錄在具有磁性物質的盤片上,而數據的讀取是通過機械手臂上的讀取頭(磁頭)來完成的。當硬盤工作時,主軸馬達讓盤片轉動,機械手臂伸展,磁頭在盤面上空進行讀與寫的操作。單一盤片的容量非常有限,所以大部分硬盤內部會有兩個以上的盤片。

硬盤物理結構
我們看下面的圖,硬盤所記錄的數據都是寫在盤片上,那麼數據是如何寫入盤片上的呢? 盤片就像是多個同心圓繪製出的一個大圓,由圓心以放射狀方式分割出磁盤的最小存儲單位叫做扇區,每個扇區的大小爲512bytes,這個值是不會改變的。由一圈扇區組成的圓叫做磁道,我們說過,硬盤中有至少兩個以上的盤片,所有的盤片上面的同一個磁道組成一個柱面,柱面是我們分隔硬盤時的最小單位。

瞭解:
計算硬盤存儲量:磁頭數量 x 每個磁頭負責的柱面數量 x 每個柱面所含有的扇區數量 x 扇區容量(512bytes)。

盤片的存儲數據結構

選購磁盤時應注意哪些:

  • 容量
    磁盤是一種消耗性用品,目前來說,一部1080P電影大概2G,如果你要玩大型遊戲可能一個遊戲就要30G的硬盤空間。一定要挑選一個適合自己的磁盤容量。磁盤內的重要數據還要定期備份
  • 轉速
    轉速影響着CPU從硬盤讀取數據的速度,我們知道,CPU的運行速度是非常快的,從硬盤讀取數據的速度嚴重影響着CPU的工作效率。

瞭解:
平均尋道時間是指硬盤在接收到系統指令後,磁頭從開始移動到移動到數據所在磁道所需要的平均時間,它是指計算機在發出一個尋址命令,到相應目標數據被找到所需時間,單位爲毫秒(ms)。在尋道時間內,足夠CPU進行幾十萬條指令。所以說,I/O操作會影響CPU的工作效率。

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