计算机组成

计算机分类

  • 服务器
  • PC机:个人计算机
  • 嵌入式设备:手机,可携带设备

其中根据分类不同,计算机组成的部件与偏向性能也会不同。

  • 服务器:可靠性高,故障少,7x24小时工作,运算效率高,存储大,吞吐量高
  • PC机:显卡,显示器,鼠标,音响,打印机等等外设
  • 嵌入式设备:体积小,存储小,易携带

处理器(CPU)

计算机完成的任务是一条一条指令完成的,而指令的执行在处理器中。而外部的输入的信息经过处理器后通过计算机表现。

存储器

存储器层次结构如下: 可以看到CPU中,内核有寄存器,CPU中有L1,L2,L3缓存,再到内存条,硬盘/闪存,最后Server服务器都是存储器。

存储器

其中CPU在做计算时,都是从寄存器中读取数据,但是寄存器能存储的数据太少,而且成本非常高,高运算的CPU几乎无时无刻都需要从主存中获取数据,所以在CPU中加入了Cache来避免频繁的读写。

主板

主板承载着计算机内部所有的部件,如CPU,显卡,声卡,硬盘,光驱等,其中还有南北桥芯片主要负责CPU与其他部件之间的通信。

北桥芯片

与处理器相邻的为北桥芯片,北桥芯片主要负责CPU与高带宽通信的部件,比如内存条以及显卡

比如Inter Core i7处理器已经集成了内存控制器,直接与内存条相连接,而其他的处理器没有,则北桥芯片负责提供内存控制器,连接CPU与内存条。

南桥芯片

负责CPU与低速度部件间的接口,通常连接各种输入输出设备,如音响,硬盘等

计算机的性能主要来源于CPU,内存,显卡。但是如果没有合适的主板和芯片组,处理器与其他部件的数据通信速度会受到主板总线的限制,从而影响CPU的运行速度。

芯片组和主板一般是针对某一特定处理器或者处理器家族进行设计的,其他的部件(显卡,硬盘,键盘等)相对独立,只要符合标准,接进来安装完驱动即可。

显卡

显卡是连接主机与显示器之间的桥梁,最基本的功能是将CPU送来的图像数据处理成显示器认识的格式,再送到显示器形成图像。现在的显卡还具备图像绘制,视频解码的功能。

显卡中最终要的部件为GPU,图形用户界面、视频游戏等都是通过一系列的图形和图像组成。

当CPU需要画一个圆时,就告诉GPU一个命令,包括圆的位置,大小,颜色信息等,GPU就可以把圆画出来,由于GPU是专门针对图形算法设计的,绘制的任务就可以交由GPU单独负责。包括视频播放也是GPU通过一帧一帧解码,形成图像。

部件通信

各个部件间都需要有通信机制,这样每个部件在处理完自己的事情后可以将数据或者消息发送给其他部件,接着往下执行。

多处理器连接的通信协议:QPI 主板与外部设备连接的通信协议:PCI-E,目前CPU直接焊在PCB板上,使用PCI-E进行芯片间的链接,目前也成为了芯片间互联的协议

原来使用的协议为PCI,该协议为共享式总线,使用一条总线连接多个外部设备,因为数据传输的独享性,每个时刻只能有一个外设占用总线,所以当时需要有总线仲裁器来决策哪个外设使用总线。 而PCI-E在多设备通信时,使用桥的方式,两两设备间通信互不干扰,通信效率得到提升

主板与硬盘之间的通信协议:SATA

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