2018年第二周-计算机概论——硬件篇

出来混，迟早要还的。

或许你会说，不要不要，我要写代码搞软件，不去搞硬件。孩子，别忘了，你写的代码就是运行在这些东西所组成的机子上，如果你不了解它，你会对编程语言的一些概念产生困惑：如Java的IO系统，搞不清流、过滤器流、阅读器等概念的区分，还有一些性能瓶颈的推断和测量也是得要有点点的硬件知识。而且下面要讲的硬件知识也不算细，算是一个感性的认识，更多的是概念。

首先先来个物理，单位定义下：
MHz:兆赫兹，1兆赫相当于1000千赫（KHz），也就是10^6赫兹。

课外：
正弦（对边/斜边）波幅度在1秒钟内的重复变化次数称为信号的“频率”波行进一个周期所经过的距离称为“波长”,用λ表示,以米为单位。f（频率）、T（周期）和λ（波长）存在如下关系:
f=1/T
c=λ×f
其中,c是电磁波的传播速度,等于3x10^8米/秒。

CPU

CPU频率：简单地说，频率就是CPU每秒可以进行的工作次数。例如：Intel的Core2 Duo型号E8400的CPU频率为3.0GHz，表示这个CPU在一秒内可以进行3.0x10^9次工作(一次工作执行N条指令)。

注意：不同的CPU之间不能单纯以频率来判断运算性能。这是因为每个CPU的微指令集不相同，架构也不一样。每次能够进行的工作指令数也不同。

CPU外频：指的是CPU与外部组件进行数据传输/运算时的速度。

             平时说的超频就是指通过主板的设定功能将外频调为更高的频率。
             内存与CPU的通信速度靠的是外频频率。

CPU倍频：指CPU内部用来加速工作性能的一个倍数
CPU频率=CPU外频xCPU倍频
例如：Intel的Core2 Duo型号E8400的CPU频率为3.0GHz，外频是333MHz，因此倍频就是9
我现在用CPU是AMD A10-5800K，外频是100MHz，倍频是38.0，则3.82GHz
字组大小（word size）：CPU每次能够处理的数据量。

芯片组：控制各个组件的通信；
北桥（芯片组）：负责连接速度较快的CPU、内存与显卡等组件；
南桥（芯片组）：负责连接速度较慢的周边接口，包括硬盘、USB、网卡等。

系统总线：北桥的总线
I/O（输入输出）总线：南桥的总线
鸟哥给的资料：北桥支持的频率高达333/400/533/800/1066/1333/1600MHz等。
前端总线速度（FSB）：北桥所支持的频率，CPU是通过前端总线来与内存发生联系的。
总线宽度：北桥每次传输的位数。（常见是32/64位bit）
总线频宽= FSB x 总线宽度
假设前端总线速度位1600MHz，则内存与北桥的频宽为12.8GB/s = 1600MHz x 64bit
= 1600 x 10^6 x 8Bytes = 12800MB/s = 12.8GB/s

内存（Memory）

动态随机访问内存（Dynamic Random Access Memory, DRAM）：挥发性内存，断定后数据消失。
DRAM分为以下：
SDRAM ：与DDR SDRAM在于引脚、工作电压、传输数据量不同。
DDR SDRAM：DDR是双倍数据传送速度（Double Data Rate），一次工作周期中进行两次数据的传送，感觉跟CPU的倍频似的。

SDRAM/DDR	型号	数据宽度（bit）	外频（MHz）	频率（MHz）	频宽
SDRAM	PC100	64	100	100	800MB/s
SDRAM	PC133	64	133	133	1064MB/s
DDR	DDR266	64	133	266	2.1GB/s
DDR	DDR400	64	200	400	3.2GB/s
DDR	DDRII800	64	400	800	6.4GB/s
DDR	DDRIII1600	64	800	1600	12.8GB/s

DDR前提是两条内存才形成双倍数据传输速度，也就是双通道设计，在主板一般会有四根内存插槽，而颜色却只有两种，两两成对，这就是为了双通道设计的，要像启动双通道的功能，你就必须将两根容量相同的内存插在相同颜色的插槽中！
从上表发现，我现在用的两条芝奇F3-12800CL9-4GBXL DDR3 1600MHz是25.6GB/s（单条则12.8GB/s），频率为3600MHz 12.8GB/s（单条则6.4GB/s），但总容量却有8G，值得思考，频宽再大是否有必要。
DDR SDRAM又发展为 DDR、DDRII、DDRIII等。

内存和CPU的关系是通过前端总线发生关系的。一般是CPU外频和内存的外频一致为较好。但随着CPU的发展，到了奔腾4年代，内存和CPU的工作模式发生了改变，前端总线的概念也变得有些复杂。奔腾4 CPU采用了Quad Pumped（4倍并发）技术，所以前端总线已经不和CPU的频率相同了。该技术可以使系统总线在一个时钟周期内传送4次数据，也就是传输效率是原来的4倍，相当于用了4条原来的前端总线来和内存发生联系。在外频仍然是133MHZ的时候，前端总线的速度增加4倍变成了133X4=533MHZ，当外频升到200MHZ，前端总线变成 800MHZ。
举个例子：在以前P3 的时候，133的外频，内存的频率就是133，CPU的前端总线也是133，三者是一回事。现在P4的CPU，在133的外频下，前端总线达到了 533MHZ，内存频率是266（DDR266）。问题出现了，前端总线是CPU与内存发生联系的桥梁，P4这时候的前端总线达到533之高，而内存只有 266的速度，内存比CPU的前端总线慢了一半，理论上CPU有一半时间要等内存传数据过来才能处理数据，等于内存拖了CPU的后腿。这样的情况的确存在的，845和848的主板就是这样。于是提出一个双通道内存的概念，两条内存使用两条通道一起工作，一起提供数据，等于速度又增加一倍，两条DDR266 就有266X2=533的速度，刚好是P4 CPU的前端总线速度，没有拖后腿的问题。外频提升到200的时候，CPU前端总线变为800，两条DDR400内存组成双通道，内存传输速度也是800 了。

上述前端总线是INTEL P4的FSB概念，它的对手AMD的CPU有所不同。
引用数据：旧的462针脚的AMD CPU，采用ev6前端总线，相当于外频的两倍，也就是133外频时，AMD 462脚的CPU的FSB是266，使用DDR266内存和他搭配就刚刚好，如果用两条DDR266做成双通道，虽然内存有533的传输速度，但对于 266的FSB，作用不大，所以双通道内存对CPU的帮助不明显。
新的AMD 754/939 64位CPU，内部就集成了内存管理器（以前内存管理器在主板心片里），所以AMD 64位CPU的前端总线FSB频率与CPU实际频率一致。
所以我现在使用AMD A10-5800K ，外频是100MHz，倍频是38.0，则3.82GHz，则需要配合3.82GHz的内存，京东推荐搭配买的内存是：两条芝奇F3-12800CL9-4GBXL DDR3 1600MHz是25.6GB/s（单条则12.8GB/s），频率为3600MHz，也就是3.6GHHz，刚好差不多。是12.8GB/s（单条则为6.4GB/s），频率是CPU的一半。

以下是一些实际的数据：

CPUZ工具展示芝奇F3-12800CL9-4GBXL的内存频率是800MHz，是因为这根内存条是双面存储颗粒的内存条，所以它实际是1600MHz，这个材料性质，与单双通道无关，800MHz也称"工作频率"，而1600MHz是"等效频率"。
工作频率是内存颗粒实际的工作频率，但是由于DDR内存可以在脉冲的上升和下降沿都传输数据，因此传输数据的等效频率是工作频率的两倍；而DDR2内存每个时钟能够以四倍于工作频率的速度读/写数据，因此传输数据的等效频率是工作频率的四倍。

lenovo超级本U330P的内存4GB 海力士 DDR3L 1600MHz

静态随机访问内存（Static Random Access Memory，SRAM）,用来做CPU的缓冲，一般是有几层缓冲，如第二层缓冲（L2 Cache），如

AMD CPU

lenovo超级本U330P的Intel CPU

只读存储器（Read Only Memory,ROM），如BIOS（Basic Input OutputSystem）这一套程序就写死在主板上面的一个ROM内存芯片当中。（现其实都写在闪存（Flash Memory）或EEPROM中）
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），一种芯片，记录CPU与内存的频率参数，已经其他组件的各项参数，这芯片需要额外的电池供电来发挥记录功能，这就是为什么主板有个电池的缘故。CMOS内的数据时交由BIOS这个程序去读取和更新。

显卡（VGA(Video Graphics Array）

显卡插槽分为PCI、AGP、PCI-Express（PICe）。

规格	宽度（bit）	速度（MHz）	频宽
PCI	32	33	133MB/s
PCI2.2	64	66	533MB/s
PCI-X	64	133	1064MB/s
AGP 4x	32	66x4	1066MB/s
AGP 8x	32	66x8	2133MB/s
PCIe x1	无	无	250MB/s
PCIe x8	无	无	2GB/s
PCIe x16	无	无	4GB/s

假设桌面分辨率为1024x768分辨率，且使用全彩（每个像素占用3bit的容量），则需要2.25MB内存。因为总像素为1024x768=786432，2.25MB=786432*3bit

机械硬盘

扇区（Sector）,磁盘的最小存储单位，在物理组成方面，每个扇区大小为512bytes，这个是不会变的。
磁道（Track），扇区组成的一个圆。
柱面（Cylinder），在多硬盘上面，所有盘片上面的同一个磁道可以组成一个柱面。柱面是我们一般分割硬盘时最小的单位。
硬盘存储量的简单算法是：Header Cyliner Sector * 512Bytes
IDE接口，每秒理论传输速度可达133MB
SATA接口，每秒理论传输速度现可达600MB。目前个人计算机主流硬盘接口就是这种。
SCSI接口，常见于工作站等级以上的硬盘传输接口。这种接口硬盘在控制器上含有一块处理器，则不耗费CPU资源。

主板

南桥北桥、CMOS与BIOS上面已经说了。
设备I/O地址与IRQ中断信道

电源

电源主要注意能源转换率

巨人的肩膀(参考):
《MHz》百度百科http://baike.baidu.com/link?u...
《内存频率》百度百科http://baike.baidu.com/link?u...
《鸟哥的Linux私房菜 基础学习篇第三版》