计算机组成原理

1. 计算机的本质与核心组成

计算机俗称“电脑”，其终极期望是通电后能像人脑一样工作，本质上是替代人类工作的机器。
计算机由五大核心硬件组成：

• 控制器：计算机的指挥系统，负责控制其他硬件的运行（大脑的控制中枢）。
• 运算器：负责数学运算与逻辑运算（大脑的计算中枢）。
  • 注：CPU = 控制器 + 运算器
• 存储器：计算机的记忆设备。
  • 内存/主存 (RAM)：基于电信号存储。存取速度快，但断电数据丢失。
  • 外存/硬盘：基于磁信号或固态闪存存储。可持久保存数据，但速度慢。
• 输入设备：键盘、鼠标、麦克风等。
• 输出设备：显示器、音响、打印机等。

2. 程序的运行原理 (站在硬件角度)

一个程序（软件）在计算机中的运行分为两个核心阶段：

1. 加载/启动阶段：程序最先存放于硬盘中。运行时，操作系统控制硬盘将程序的指令和数据读入内存。
2. 执行阶段：CPU 从内存中取出指令并执行。

3. CPU 与存储器进阶

• 指令集与位数：
  • x86 架构：复杂指令集。
  • 64位 CPU：一次性能够从内存中取出 64 位二进制数（即 64 bit）。64 位 CPU 兼容 32 位程序，但 32 位 CPU 只能运行 32 位程序。
• 存储单位：
  • 1 Byte (B) = 8 bit
  • 1 KB = 1024 B, 1 MB = 1024 KB, 1 GB = 1024 MB, 1 TB = 1024 GB
  • 硬盘存取单位通常是一个扇区（512 Bytes）。
• 机械磁盘耗时：
  • 平均寻道时间（找磁道）：约 5ms。
  • 平均延迟时间（转半圈）：约 4ms。
• 虚拟内存 (Swap 分区)：
  当物理内存不足时，借用硬盘空间作为临时内存。这是一种保命措施而非提效措施，虽然能保证系统不崩溃，但会显著降低运行速度。
• CMOS：主板电池供电，低耗电，用于保存 BIOS 配置信息。