计算机硬件基础

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什么是计算机？

 计算机（computer）俗称电脑，是现代一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。 

 程序自动化：可以将预先编好的程序组纳入计算机内存，在程序控制下，计算机可以连续、自动地工作，不需要人的干预。

高速：当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，普通电脑也可达每秒亿次以上，使大量复杂的科学计算问题得以解决。例如：卫星轨道的计算、大型水坝的计算、24小时天气算需要几年甚至几十年，而在现代社会里，用计算机只需几分钟就可完成。

计算机发展史

  17世纪　　1614: 苏格兰人John Napier (1550-1617)发表了一篇论文，其中提到他发明了一种可以计算四则运算和方根运算的精巧装置。 1623: Wilhelm Schickard (1592-1635)制作了一个能进行六位以内数加减法，并能通过铃声输出答案的"计算钟"。通过转动齿轮来进行操作。 1625: William Oughtred (1575-1660) 发明计算尺 1642: 法国数学家Pascal 在WILLIAM Oughtred计算尺的基础上将计算尺加以改进，能进行八位计算。并且还卖出了许多，成为一种时髦的商品。在此插入〈PASCAL像〉 　　1668: 英国人Samuel Morl(1625-1695)制作了一个非十进制的加法装置，适宜计算钱币。 1671: 德国数学家Gottfried Leibniz设计了一架可以进行乘法，最终答案可以最大达到16位。 18世纪　　1775: 英国Charles制作成功了一台与 Leibniz's 的计算机类似的机器。但更先进一些。 1776: 德国人Mathieus Hahn成功的制作了一台乘法器。 19世纪　　1801: Joseph-Maire Jacuard 开发了一台能用穿孔卡片控制的自动织布机。 1820: 法国人Charles Xavier Thomas de Colmar (1785-1870),制作成功第一台成品计算机，非常的可靠，可以放在桌面上，在后来的90多年间一直在市场上出售。 1822: 英国人Charles Babbage (1792-1871)设计了差分机和分析机，其中设计的理论非常的超前，类似于百年后的电子计算机，特别是利用卡片输入程序和数据的设计被后人所采用。 1832: Babbage 和Joseph Clement 制成了一个差分机的成品，开始可以进行6位数的运算。后来发展到20位、30位，尺寸将近一个房子那么大。结果以穿孔的形式输出。但限于当时的制造技术，他们的设计难以制成。 1834: 斯德哥尔摩的George Scheutz用木头做了一台差分机。 1834: Babbage 设想制造一台通用的分析机，在只读存储器（穿孔卡片）中存储程序和数据，Babbage在以后的时间继续他的研究工作，并于1840年将操作数提高到了40位，并基本实现了控制中心（CPU）和存储程序的设想，而且程序可以根据条件进行跳转，能在几秒内作出一般的加法，几分钟内作出乘除法。 　　1842: Babbage的差分机项目因为研制费用昂贵，被政府取消。但他自己仍花费大量的时间和精力于他的分析机研究。 1843: Scheutz 和他的儿子Edvard Scheutz 制造了一台差分机，瑞典政府同意继续支持他们的研究工作。 1847: Babbage 花两年时间设计了一台较简易的、31位的差分机，但没有人感兴趣并支持他造出这台机器。但后来伦敦科学博物馆用现代技术复制出这台机器后发现，它确实能准确的工作。 1848: 英国数学家George Boole创立二进制代数学。提前差不多一个世纪为现代二进制计算机铺平了道路。 1853: 令Babbage感到高兴的是，Scheutzes制造成功了真正意义上的比例差分机，能进行15位数的运算。象Babbage所设想的那样输出结果。后来伦敦的Brian Donkin又造出了更可靠的第二台。 1858: 第一台制表机被Albany的Dudley天文台买走。第二台被英国政府买走。但天文台并没有将其充分利用，后来被送进了博物馆。而第二台却被幸运的使用了很长时间。 1871: Babbage 制造了分析机的部分部件和印表机。 1878: 纽约的西班牙人Ramon Verea，制造成功桌面计算器。比前面提到的都要快。但他对将其推向市场不感兴趣，只是想表明，西班牙人可以比美国人做的更好。 1879: 一个调查委员会开始研究分析机是否可行，最后他们的结论是：分析机根本不可能工作。此时Babbage 已经去世了。调查之后，人们将他的分析机彻底遗忘了。但Howard Aiken 例外。 1885: 这时期更多的计算机涌现出来。如美国,俄国,瑞典等。他们开始用有槽的圆柱代替易出故障的齿轮。 1886: 芝加哥的Dorr E. Felt (1862-1930), 制造成了他的计算机。这是第一台用按键操作的计算器，而且速度非常快，按键抬起，结果也就出来了。 1889: Felt推出桌面印表计算器。 1890: 1890美国人口普查。1880年的普查人工用了7年的时间进行统计。这意味着1890年的统计将会超过10年。美国人口普查部门希望能得到一台机器帮助提高普查的效率。Herman Hollerith，建立制表机公司的那个人，后来他的公司发展成了IBM公司。借鉴了Babbage的发明，用穿孔卡片存储数据，并设计了机器。结果仅仅用了6个周就得出了准确的数据（62622250人）。Herman Hollerith大发其财。 1892: 圣多美和普林西比的William S. Burroughs (1857-1898),制作成功了一台比Felt的功能更强的机器，真正开创了办公自动化工业。 1896: Herman Hollerith创办了IBM公司的前身。 20世纪初期　　1900 1906: Henry Babbage, Charles Babbage 的儿子，在R. W. Munro的支持下，完成了父亲设计的分析机，但也仅能证明它能工作，而没有将其作为产品推出。

计算机的构成

1. 硬件指的是可以看得到、摸得到的物件，是一个具体的实物。如显示器、鼠标等，试着举例一下还有那些是硬件。所有硬件共同组合在一起，形成的一个整体系统，我们称为硬件系统。
(1) 硬件系统主要有五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
(2) 运算器：是负责算术运算与逻辑运算。与控制器共同组成了中央处理器(CPU)。
(3) 控制器：是负责发送和接收指令。
(4) 存储器：是用来存储正在进行程序、将要进行程序的数据及刚处理完的数据。
(5) 输入设备：是用来进行输入的设备。如键盘，扫描仪等。
(6) 输出设备：是用来进行输出的设备。如显示器，音箱等。

计算机硬件和软件

软件是为了完成某一项特定工作而开发的程序，软件分为系统软件和应用软件。

系统软件：系统软件是指控制和协调计算机及外部设备,支持应用软件开发和运行的系统，是无需用户干预的各种程序的集合，主要功能是调度，监控和维护计算机系统；负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作。系统软件使得计算机使用者和其他软件将计算机当作一个整体而不需要顾及到底层每个硬件是如何工作的。系统软件举例：windows xp 、windows 7、windows 8、windows 10 、android（安卓手机系统） 、IOS（苹果手机系统），unix，linux等

应用软件举例：爱奇艺视频，暴风影音，QQ，office等 

硬件、软件及用户的关系：

硬件是基础，硬件需要通过系统软件控制来启动硬件，并让各个硬件之间相互协同工作，在系统软件的基础上是用户，用户操控的是系统软件，并在系统软件的基础上安装相应的应用软件，来完成用户所需要的工作。所以说最底层的是硬件，硬件上一层是系统软件，系统软件上一层是应用软件，而最上层的则是用户。

计算机硬件介绍

处理器

CPU是计算机的核心，它从内存中取指令->解码->执行，然后再取指->解码->执行下一条指令，周而复始，直至整个程序被执行完成，每钟类型的CPU指令集都不相同，所以所有CPU内部都有一些用来保存关键变量和临时数据的寄存器。

寄存器的分类：通用寄存器、程序计数器、堆栈指针、程序状态字寄存器

　　通用寄存器用来保存变量和临时结果

　　程序计数器，它保存了将要取出的下一条指令的内存地址。在指令取出后，程序计算器就被更新以便执行后期的指令

　　堆栈指针，它指向内存中当前栈的顶端。该栈包含已经进入但是还没有退出的每个过程中的一个框架。在一个过程的堆栈框架中保存了有关的输入参数、局部变量以及那些没有保存在寄存器中的临时变量

　　程序状态字寄存器(Program Status Word,PSW),这个寄存器包含了条码位(由比较指令设置)、CPU优先级、模式（用户态或内核态），以及各种其他控制位。用户通常读入整个PSW，但是只对其中少量的字段写入。

内核态与用户态

　　多数CPU都有两种模式，即内核态与用户态

　　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

　　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

存储器

　　寄存器即L1缓存：用与cpu相同材质制造，与cpu一样快，因而cpu访问它无时延

　　高速缓存即L2缓存：最常用的高速缓存行放置在cpu内部或者非常接近cpu的高速缓存中。

　　cpu运算时会先在L1中寻找，如果找不到会去L2，再找不到去内存，内存没有去硬盘寻找

　　RAM是易失性存储，断电后数据全部消失

　　易失性随机访问存储如ROM（Read Only Memory，ROM），在电源切断之后，非易失性存储的内容并不会丢失

　　EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程ROM）和闪存（flash memory）也是非易失性的

　　CMOS，它是易失性的，许多计算机利用CMOS存储器来保持当前时间和日期。CMOS还可以保存配置的参数，CMOS存储器由一小块电池驱动

磁盘

8个bit称为一个字节bytes，1024bytes=1k，1024k=1M，1024M=1G,所以我们平时所说的磁盘容量最终指的就是磁盘能写多少个2进制位。

每个磁头可以读取一段换新区域，称为磁道

把一个戈丁手臂位置上所以的磁道合起来，组成一个柱面

每个磁道划成若干扇区，扇区典型的值是512字节

数据都存放于一段一段的扇区，即磁道这个圆圈的一小段圆圈，从磁盘读取一段数据需要经历寻道时间和延迟时间

平均寻道时间

机械手臂从一个柱面随机移动到相邻的柱面的时间成为寻到时间，找到了磁道就以为着招到了数据所在的那个圈圈，但是还不知道数据具体这个圆圈的具体位置

计算机硬件基础

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