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计算机组成及原理简介

2014年11月20日 操作系统 ⁄ 共 2672字 暂无评论 ⁄ 阅读 873 次
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CPU

CPU内又可分为两个主要的单元,分别是:算数逻辑单元与控制单元。其中算数逻辑单元主要负责程序运算与逻辑判断,控制单元则主要在协调各周边组件不各单元间的工作。

CPU其实内部已经含有一些小指令集,我们所使用的软件都要经过 CPU 内部的微指令集来达成才行。这些指令集的设计主要又被分为两种设计理念,分别是精简指令集(RISC)不复杂指令集(CISC)系统。

精简指令集的微指令集较为精简,每个指令的运行时间都很短,完成的动作也很单纯,指令的 执行效能较佳; 但是若要做复杂的事情,就要由多个指令来完成。常用于大型工作站、手机、交换器、导航系统等。

复杂指令集的微指令集的每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作,指令数目多而且复杂, 每条指令的长度并不相同。因为指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长,但每条个别指令可以处理的工作较为丰富,被大量使用于个人计算机。

CPU速度:

不同的微指令集会导致CPU工作效率的优劣,除了这点之外,CPU效能的比较还有CPU的频率。频率就是CPU每秒钟可以进行的工作次数,频率越高表示这颗CPU单位时间内可以作更多的事情。举例来说,Intel的Core2Duo型号E8400的CPU频率为3.0GHz,表示这颗CPU在一秒内可以进行3.0x109次工作。不同的CPU之间不能单纯的以频率来判断运算效能,这是因为每颗CPU的微指令集不相同,架构也不见得一样,每次频率能够进行的工作指令数也不同之故!所以,频率目前仅能用来比较同款CPU的速度!

所谓的外频指的是CPU与外部组件进行数据传输时的速度,倍频则是CPU内部用来加速工作效能的一个倍数,两者相乘才是CPU的频率速度。我们以刚刚IntelCore2DuoE8400CPU来说,他的频率是3.0GHz,而外频是333MHz,因此倍频就是9倍!

主板

整个主板上面最重要的是芯片组,而芯片组通常又分为两个网桥来控制各组件的沟通,分别是:(1)北桥:负责链接速度较快的CPU、主存储器与显示适配器等组件;(2)南桥:负责连接速度较慢的周边接口,包括硬盘、USB、网络卡等等。

CPU运算的数据都是由主存储器提供的,主存储器与CPU的沟通速度靠的是外部频率。一般主板芯片组分北桥与南桥,北桥的总线称为系统总线,因为是内存传输的主要信道,所以速度较快。南桥就是输入输出(I/O)总线,主要在联系硬盘、USB、网络卡等接口设备。

磁盘

磁盘的组成主要有磁盘盘、机械手臂、磁盘读取头与主轴马达所组成,磁盘盘上面又可细分出扇区(Sector)与磁柱(Cylinder)两种单位,其中扇区每个为512bytes,磁柱为盘面上一个圆道。

每个扇区都一样重要呢?其实整颗磁盘的第一个扇区特别的重要,因为他记录了整颗磁盘的重要信息!磁盘的第一个扇区主要记录了两个重要的信息,分别是:

  • 主要启动记录区(MasterBootRecord,MBR):可以安装开机管理程序的地方,有446bytes。
  • 分割表(partitiontable):记录整颗硬盘分割的状态,有64bytes。

分割表记录记录的数据类似“P2:100~200”,表示第2个分割槽P2所在为第101到200号磁柱的范围。若操作系统是Windows,P2的代号是D盘,打开D盘写入资料,则数据会在100~200号磁柱之间写。

由于分割表只有64bytes,最多只能容纳4笔分割记录,这四个分割的记录被称为主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽。分割槽的最小单位为磁柱(cylinder),当系统要写入磁盘时,一定会参考磁盘分区表,才能针对某个分割槽进行数据的处理。

分割有利于数据安全,如C盘重装并不会影响D盘数据;另外,也有利于系统性能,分割后数据读取搜索磁柱范围会减小,如原来要搜索101~400,现在只要搜索101~200就好了。

虽然分割表只能记录4组数据,但并不意味着一颗硬盘最多只能有4个分割槽。因为我们可以利用其他扇区记录更多的分割信息,这就是延伸分割。如P1:1~100、P2:101~400、P3和P4无记录,则P2可以作为延伸分区,在P2的一个扇区再记录该分割槽再分割的信息,如L1:101~160、L2:161~220等。在装置名上,P1编号是dev/hda1,P2是2,第一个逻辑分区却是5,这是因为3和4为P3、P4保留的。

延伸分割最多只能有一个,而主分区最多有四个(有延伸分区时最多3个,因为第一扇区最多4条记录嘛)。由延伸分割继续切出来的分割槽,就被称为逻辑分割槽(logical partition)。同时注意一下,由于逻辑分割槽是由延伸分割继续分割出来的,所以他可以使用的磁柱范围就是延伸分割所设定的范围!

每个分割槽都拥有自己的启动扇区(bootsector),所以一个磁盘上可以安装多个系统。若Linux和Windows都安装,最好先装Windows再装Linux,因为Windows不支持分割槽管理会覆盖掉Linux所在分割槽。

操作系统

操作系统(OperatingSystem,OS)其实也是一组程序,这组程序的重点在于管理计算机的所有活动以及驱动系统中的所有硬件。如,定位内存区、分配内存区、数据写入内存等。

操作系统的功能就是让CPU可以开始判断逻辑与运算数值、让主存储器可以开始加载/读出数据与程序代码、让硬盘可以开始被存取、让网络卡可以开始传输数据、让所有周边可以开始运转等等。总之,硬件的所有动作都必须要透过这个操作系统来达成。

操作系统只是管理整个硬件资源,包括CPU、内存、输入输出装置及文件系统文件。如果没有其他的应用程序辅助,操作系统只能让计算机主机准备妥当,并不具有特定的功能。要实现特定的功能,则需要有特定的应用程序。特定的应用程序只能在特定的操作系统上使用,因为应用程序的开发都要参考操作系统提供的开发接口,所以该应用程序只能在该操作系统上面运作而已,不可以在其他操作系统上面运行。

并不是任何硬件都是可以被操作系统支持的,操作系统给硬件提供了接口,而硬件则要有相应操作系统的驱动程序,给Windows提供的驱动程序不能用于Linux环境。驱动程序由硬件厂商提供,与操作系统开发者无关。

应用程序

应用程序是参考操作系统提供的开发接口所开发出来软件,这些软件可以让用户操作,以达到某些计算机的功能利用。举例来说,图像处理软件主要是让用户用来处理影音资料的;浏览器软件主要是让用户用来上网浏览用的等等。

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