電腦硬體發展史

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電腦硬體

電腦分為五大組成部分，分別為：控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備。其中控制器+運算器是電腦的中央處理器（CPU），相當於人類的大腦。

控制器

電腦的指揮系統。列子如:大腦指揮全身的器官運作，但是大腦不會隨意的指揮身體行動，大腦只有在接受指令後才會控制身體行動

運算器

運算器是電腦的運算系統。大腦除了指揮，無時無刻還在運算。即實現算術運算和邏輯運算。

運算器 + 控制器 = 電腦的中央處理器CPU

列子如:
吃飯流程示例

  1.當你吃飯的時候，大腦會接受吃飯的指令，之後把指令翻譯成你身體需要進行的動作（控制器）

   2.如果吃的是西餐，則使用勺子；如果吃的是中餐，則使用筷子（運算器）

存儲器

電腦中第二重要的就是存儲了，所有人都意淫著存儲：速度快（這樣cpu的等待存儲器的延遲就降低了）+容量大+價錢便宜。然後同時兼備三者是不可能的，所以有瞭如下的不同的處理方式

分5層

寄存器 高速緩存 記憶體 磁碟 磁帶

寄存器即L1緩存：

用與cpu相同材質製造，與cpu一樣快，因而cpu訪問它無時延，典型容量是：在32位cpu中為32*32，在64位cpu中為64*64，在兩種情況下容量均<1KB。

高速緩存即L2緩存：

主要由硬體控制高速緩存的存取，記憶體中有高速緩存行按照0~64位元組為行0，64~127為行1。。。
高速緩存為命中，就必須訪問記憶體，這需要付出大量的時間代價。由於高速緩存價格昂貴，所以其大小有限，有些機器具有兩級甚至三級高速緩存，每一級高速緩存比前一級慢但是容易大。

記憶體 ***

再往下一層是主存，此乃存儲器系統的主力，主存通常稱為隨機訪問存儲RAM，就是我們通常所說的記憶體，容量一直在不斷攀升，所有不能再高速緩存中找到的，都會到主存中找，主存是易失性存儲，斷電後數據全部消失

磁碟

磁碟低速的原因是因為它一種機械裝置
每個磁頭可以讀取一段換新區域，稱為磁軌
把一個戈丁手臂位置上所以的磁軌合起來，組成一個柱面
每個磁軌劃成若幹扇區，扇區典型的值是512位元組
數據都存放於一段一段的扇區，即磁軌這個圓圈的一小段圓圈，從磁碟讀取一段數據需要經歷尋道時間和延遲時間

虛擬記憶體：

許多電腦支持虛擬記憶體機制，該機制使電腦可以運行大於物理記憶體的程式，方法是將正在使用的程式放入記憶體取執行，而暫時不需要執行的程式放到磁碟的某塊地方，這塊地方成為虛擬記憶體，在linux中成為swap，這種機制的核心在於快速地映射記憶體地址，由cpu中的一個部件負責，成為存儲器管理單元(Memory Management Unit MMU)

PS：從一個程式切換到另外一個程式，成為上下文切換(context switch),緩存和MMU的出現提升了系統的性能，尤其是上下文切換

磁帶

在價錢相同的情況下比硬碟擁有更高的存儲容量，雖然速度低於磁碟，但是因其大容量，在地震水災火災時可移動性強等特性，常被用來做備份。（常見於大型資料庫系統中）

輸入輸出設備

1、輸入設備
　　輸入設備的任務是把人們編好的程式和原始數據送到電腦中去，並且將他們轉換成電腦記憶體所能識別和接受的信息方式。
2、輸出設備
　　輸出設備的任務是將電腦的處理結果以人或其他設備所能接受的形式送出電腦。
　　目前最常用的輸出設備是印表機和顯示器。輔助存儲器也可以看做輸出設備。另外，數模（D/A）轉換裝置也是一種輸出設備。

匯流排

四小節中的結構在小型電腦中沿用了多年，並也用在早期的IBM PC中。但是隨著處理器和存儲器速度越來越快，單匯流排很難處理匯流排的交通流量了，於是出現了下圖的多匯流排模式，他們處理I/O設備及cpu到存儲器的速度都更快。

北橋即PCI橋：連接高速設備

南橋即ISA橋：連接慢速設備
電源（Power）==心臟：所有的組件要能運作，得要有足夠的電力供給才行。這就好像心臟一樣，如果心臟不跳動了，人就嗝屁了，電腦也是如果沒有電源，那也就是一堆垃圾，什麼作用都沒有。

電腦啟動流程

在電腦的主板上有一個基本的輸入輸出程式（Basic Input Output system)

BIOS就相當於一個小的操作系統，它有底層的I/O軟體，包括讀鍵盤，寫屏幕，進行磁碟I/O,該程式存放於一非易失性快閃記憶體RAM中。

啟動流程
1.電腦加電

2.BIOS開始運行，檢測硬體：cpu、記憶體、硬碟等

3.BIOS讀取CMOS存儲器中的參數，選擇啟動設備

4.從啟動設備上讀取第一個扇區的內容（MBR主引導記錄512位元組，前446為引導信息，後64為分區信息，最後兩個為標誌位）

5.根據分區信息讀入bootloader啟動裝載模塊，啟動操作系統

6.然後操作系統詢問BIOS，以獲得配置信息。對於每種設備，系統會檢查其設備驅動程式是否存在，如果沒有，系統則會要求用戶按照設備驅動程式。一旦有了全部的設備驅動程式，操作系統就將它們調入內核。然後初始有關的表格（如進程表），穿件需要的進程，併在每個終端上啟動登錄程式或GUI