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計算機硬體相關知識

計算機簡史:

第一代電子管計算機(1946~1958):
特點: 操作指令是為特定任務而編制的,每種機器有各自不同的機器語言,功能受到限制,速度也慢。另一個明顯特徵是使用真空電子管和磁鼓儲存資料。

第二代電晶體計算機 (1956-1963):
特點: 電晶體代替了體積龐大電子管,使用磁芯儲存器。體積小、速度快、功耗低、效能更穩定。還有現代計算機的一些部件:印表機、磁帶、磁碟、記憶體、作業系統等。在這一時期出現了更高階的COBOL和FORTRAN等程式語言,使計算機程式設計更容易。新的職業(程式設計師、分析員和計算機系統專家)和整個軟體產業由此誕生。

第三代積體電路計算機 (1964-1971):


特徵是以中小規模積體電路,來構成計算機的主要功能部件。主儲存器採用半導體儲存器。運算速度可達每秒幾十萬次至幾百萬次基本運算。在軟體方面,作業系統日趨完善。

第四代大規模積體電路計算機 (1971-至今):
指從1970年以後採用大規模積體電路(LSI)和超大規模積體電路(VLSI)為主要電子器件製成的計算機,重要分支是以大規模、超大規模積體電路為基礎發展起來的微處理器和微型計算機。

 

發展階段 邏輯元件 主儲存器 運算速度(每秒) 軟體 應用
第一代(1946-1958) 電子管 電子射線管
幾千次到幾萬次 機器語言,組合語言 軍事研究,科學計算
第二代(1958-1964) 電晶體 磁芯 幾十萬次 監控程式,高階語言 資料處理、事務處理
第三代(1964-1971) 中小規模積體電路 半導體 幾十萬次到幾百萬次 作業系統、編輯系統、應用程式 有較大發展開始廣泛應用
第四代(1971-至今) 大規模超大規模積體電路 整合度更高的半導體 上千萬次到上億次 作業系統完善、資料庫系統、
高階語言發展、應用程式發展
滲入社會各級領域

電腦結構與CPU、記憶體、硬碟三者之間的關係

電腦之父——馮·諾伊曼提出了計算機的五大部件:輸入裝置、輸出裝置、儲存器、運算器和控制器。

 

輸入裝置: 向電腦輸入資料和資訊的裝置。除了鍵盤外,還有滑鼠,以及觸控板、麥克風、攝像頭,遊戲手柄、掃描器等等。

輸出裝置: 將電腦中的資訊輸出給使用者的裝置。常用的輸出裝置有:顯示器、音箱、印表機、投影儀等等。

主機板:連線所有其他裝置的裝置,是其他裝置的載體,主機板主要是為CPU、記憶體、顯示卡、硬碟等提供平臺,相當於人體的軀幹,關聯著各個器官。

CPU:中央處理單元(Cntral Pocessing Uit)的縮寫,也叫處理器,是計算機的運算核心和控制核心。人靠大腦思考,電腦靠CPU來運算、控制。讓電腦的各個部件順利工作,起到協調和控制作用。

硬碟:儲存資料和軟體等資料的裝置,有容量大,斷電資料不丟失的特點。也被人們稱之為“資料倉庫”。

 

記憶體:1. 負責硬碟等硬體上的資料與CPU之間資料交換處理;2. 快取系統中的臨時資料。3. 斷電後資料丟失。

顯示卡:顯示器想要呈現畫面,顯示卡是關鍵。簡單來說,就是負責在顯示屏上顯示一切資訊。打個比方,它就像是人的眼睛,沒有了它,電腦就無法驅動形成影象了。顯示卡效能好,電腦的圖形處理能力就高,尤其在玩遊戲時更能發現這個(所以很多遊戲會要求顯示卡效能)。對玩家而言,最好選擇獨立顯示卡。不過,如果不玩大型遊戲,CPU內建核心顯示卡也基本能滿足要求。缺點: 系統功耗有所加大,發熱量也較大,額外購買

電源:將電壓220伏的市電轉換為低等電壓,然後送到主機板及各個硬體!供電!電腦執行需要電力,而電源就是為此供電的,也可以說它在為電腦提供一切動力。電源決定了電腦的穩定性。它和人體心臟功能類似,都是提供動力的核心。

 

 

CPU、硬碟、記憶體三者之間的關係

首先 ,我們討論一下三者的作用:

CPU:是計算機的運算核心和控制核心,讓電腦的各個部件順利工作,起到協調和控制作用。
硬碟:儲存資料和軟體等資料的裝置,有容量大,斷電資料不丟失的特點。也被人們稱之為“資料倉庫”。
記憶體:1. 負責硬碟等硬體上的資料與CPU之間資料交換處理;2. 快取系統中的臨時資料。3. 斷電後資料丟失。

然後, 我們再來看一下程式是如何執行起來的。

當我們在電腦上開啟QQ時(右鍵-開啟 或者雙擊QQ圖示),其實是通過滑鼠(輸入裝置)向CPU傳送了一條命令,CPU接收到這條命令後,QQ程式就從硬盤裡被載入到記憶體(載入時不通過處理器,直接從硬碟載入程式到記憶體裡),載入完成後,CPU就開始執行QQ程式。程式執行起來後,CPU可以讓QQ程式顯示在我們的在顯示器上。也就是你看到了QQ 程式執行起來了。如果這個時候,你用QQ截取了一張螢幕的圖片,那麼這張圖片會首先儲存到記憶體,在沒有退出截圖狀態時,你可以在這張圖片上寫字、畫線條,等你右鍵儲存這張圖片的時候,這張圖片就會儲存到硬盤裡。

記憶體存取資料的速度比硬碟的存取速度快了10倍, 在某些環境裡,硬碟和記憶體之間的速度差距可能會更大。

而CPU的速度比記憶體不知還要快多少倍。當我們把程式從硬碟放到記憶體以後,CPU就直接在記憶體執行程式,這樣比CPU直接在硬碟執行程式就要快很多。

記憶體解決了一部分CPU執行過快,而硬碟資料存取太慢的問題。 提高了我們的電腦的執行速度。

記憶體就如同一條“高速車道”一般,資料由傳輸速度較慢的硬碟通過這條高速車道傳送至CPU進行處理!

但記憶體是帶電儲存的(一旦斷電資料就會消失),而且容量有限,所以要長時間儲存程式或資料就需要使用硬碟。

 

其實記憶體在這裡起了兩個作用:

1.  儲存從硬碟讀取的資料,提供給CPU使用

2. 儲存CPU的一些臨時執行結果,以便CPU下次使用或儲存到硬碟

 

三者之間的關係:

簡單來說,硬碟用來儲存我們的程式和資料,當我們執行程式的時候,CPU首先接受到我們的命令,之後CPU是告訴硬碟,我要執行你儲存的程式A,你把程式A送到記憶體去。CPU對記憶體說,我讓硬碟把程式A送到你這裡來了,你儲存一下。 等程式A被完整的送到記憶體之後。CPU就開始執行程式A。

過程就像上面說的,我們在舉一個接近我們生活的例子。

如果說把硬碟比喻成一個大倉庫,CPU比喻成加工車間,那麼記憶體就是一個臨時的小倉庫。從距離上來說, 相比記憶體到CPU的距離和硬碟到記憶體的距離,記憶體和CPU的距離更短。

硬碟(大倉庫)用來儲存車間需要用的原料和最終生產出來的商品。倉庫太大,取出原料和儲存商品太慢,耗時間。

記憶體(臨時小倉庫):原料會先放到這裡,小倉庫,可以很快的找到需要的原料或商品。

CPU(車間):從記憶體(小倉庫)裡拿到原料,生產商品。中間會有半成品,半成品可以放在記憶體(小倉庫)裡。

 

以這種方式,車間的生產速度就會提高。