计算机的结构与工作原理
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发布时间：2022-04-22 17:04
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时间：2023-10-06 12:52
最简单的理解方式：cpu是心脏，提供必要的电脑生存动力。硬盘是大脑，存储了电脑必备的系统和程序。显示器键盘和鼠标就是你用来和别人沟通的嘴和手。光驱软驱就是眼睛耳朵，用来采集和充实你电脑的信息量并完成输出转换。
ps：如果你不是高手也不想成为高手，就按这个思路理解吧。专业的术语可能会让你看了头疼！呵呵。。
但如果你要了解更多，就看看前面老兄们的解释，很不错哦！看看下面的也可以：
从计算机系统的结构来看，存储器分为内存储器和外存储器两大类。内存储器与CPU直接联系，负责各种软件的运行。外存储器包括软盘、硬盘、光盘、磁带机等。硬盘和软盘很相似，它们的工作原理大致相同，不同的是软盘与软盘驱动器是分开的，而硬盘与硬盘驱动器却是装在一起。另外，在使用时，二者速度差异很大。
硬盘主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。
硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。硬盘作为精密设备，尘埃是其大敌，必须完全密封。
(一)硬盘的外部结构。
目前市场上的常见的硬盘除昆腾公司的Bigfoot(大脚)系列为5.25英寸结构外，其他都为3.25英寸产品，其中又有半高型和全高型之分。 常用的3.5英寸硬盘外形大同小异，在没有元件的一面贴有产品标签，标签上是一些与硬盘相关的内容。在硬盘的一端有电源插座、硬盘主、从状态设置跳线器和数据线联接插座。
1.接口 包括电源插口和数据接口两部分，其中电源插口与主机电源相联，为硬盘工作提供电力保证。数据接口则是硬盘数据和主板控制器之间进行传输交换的纽带，根据联接方式的差异，分为EIDE接口和SCSI接口等。
2.控制电路板 大多采用贴片式元件焊接，包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块高效的单片机ROM芯片，其固化的软件可以进行硬盘的初始化，执行加电和启动主轴电机，加电初始寻道、定位以及故障检测等。在电路板上还安装有容量不等的高速缓存芯片。
3.固定盖板 就是硬盘的面板，标注产品的型号、产地、设置数据等，和底板结合成一个密封的整体，保证硬盘盘片和机构的稳定运行。固定盖板和盘体侧面还设有安装孔，以方便安装。
(二) 硬盘的内部结构
硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口及附件等几大部分组成，而盘头组件(HardDiskAssembly，HDA)是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴驱动机构、前置读写控制电路等。
1.浮动磁头组件 由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有0.1～0.3um，可以获得极高的数据传输率。现在转速5400rpm的硬盘飞高都低于0.3um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性。
图为：放大了的磁头部分
2.磁头驱动机构 由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。
3.盘片和主轴组件 盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软磁盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。主轴组件包括主轴部件如轴瓦和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术。
4.前置控制电路 前置放大电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。
硬盘是计算机中最重要的部件之一，按不同的接口和外形尺寸，其种类有很多，除了现在最常见的台式机中使用的3.5英寸EIDE和SATA接口的产品外，还有其他类型的硬盘。
1、SCSI硬盘
目前计算机中最大的速度瓶颈来自于硬盘。受制于IDE接口的局限，IDE硬盘速度的提高已趋于极限。SCSI硬盘的外观与普通硬盘基本一致，但现在SCSI硬盘的最高转速已达到了10000转/分，平均寻道时间在6ms左右，数据传输率可达到160MB/S，尤为关键的是SCSI盘的CPU占有率非常低，在5%左右。这些都使得SCSI硬盘的性能比IDE硬盘有较大的提高。现在7200转的SCSI盘价位已到了可接受的水平，如果经济条件许可，选用SCSI盘将有效提高计算机整机性能。
除此以外，SCSI接口和EIDE接口相比还有一个很大的技术优势，那就是SCSI接口中的设备可以同时使用数据总线进行数据传输，而EIDE接口中联接在同一条数据线上的设备只能交替(占用数据线)进行传输；EIDE只能联接四块设备，而SCSI接口可以联接7至15台设备。目前SCSI硬盘接口有三种，分别是50针、68针和80针。我们常见到硬盘型号上标有“N”“W”“SCA”，就是表示接口针数的。N即窄口(Narrow)，50针；W即宽口(Wide)，68针；SCA即单接头(Single ConnectorAttachment),80针。其中80针的SCSI盘一般支持热插拔。
2、活动硬盘
以前个人计算机，主要的存储设备是固定硬盘和软盘。固定硬盘为计算机提供了大容量的存储介质，但是其盘片无法更换，存储的信息也不便于携带和交换。而软盘则容量太小，可靠性也差。
一般活动硬盘同样采用Winchester硬盘技术，所以具有固定硬盘的基本技术特征，速度快，平均寻道时间在12毫秒左右，数据传输率可达10M/s，容量能达到10GB以上。活动硬盘的盘片和软盘一样，是可以从驱动器中取出和更换的，存储介质是盘片中的磁合金碟片。根据容量不同，活动硬盘的盘片结构分为单片单面、单片双面和双片双面三种，相应驱动器就有单磁头、双磁头和四磁头之分。活动硬盘接口方式SCSI、并口、USB等四种方式。用户可以根据自己的需求和计算机的配置情况选择不同的接口方式。不过活动硬盘只是昙花一现的产品。随着使用笔记本硬盘的USB移动硬盘价格的下跌和USB接口的普及，使得USB移动硬盘已经取代了活动硬盘。
3、笔记本硬盘
笔记本电脑内部空间狭小、电池能量有限，再加上移动中的难以避免的磕碰，对其部件的体积、功耗和坚固性等提出了很高的要求。由于笔记本电脑硬盘比通常的桌面硬盘有着更高的品质要求，生产的厂家不多，当今笔记本硬盘市场85%以上的份额被Hitachi(日立、IBM)、Toshiba(东芝)和富士通这三家公司占领。
笔记本硬盘最大的特点就是小巧轻便，它的直径一般仅为2.5英寸(还有1.8英寸的产品)，厚度也远低于3.5英寸硬盘。大多数产品厚度仅有9.5mm，重量尚不足百克，堪称小巧玲珑。目前笔记本电脑硬盘的发展方向就是外形更小、质量更轻、容量更大。除了常见的为2.5英寸规格，还有一种为1.8英寸规格，主要由东芝生产，随着轻薄机型的热销，1.8寸笔记本硬盘的前景也十分广阔，收购了IBM硬盘事业部的日立也在今年发布了1.8寸的笔记本硬盘产品：Travelstar C4K40-20。另外东芝和富士通都曾经推出过PC卡接口的1.8英寸硬盘，老机器用来升级容量十分方便。现在Iomega公司计划在2004年中期推出采用DCT(数字捕捉技术)的移动式1.8英寸硬盘。这种硬盘小到可以装进笔记本电脑的PC Card中，容量可达到2.5GB以上，而价格仅10美元。
4、微型硬盘
越来越小也是硬盘的发展方向之一，除了1.8寸的硬盘，更小的1英寸HDD(Micro Drive)，容量已达到了4GB，其外观和接口为CF TYPEⅡ型卡，传送模式为Ultra DMA mode 2。
随着数码产品对大容量和小体积存储介质的要求，早在1998年IBM就凭借强大的研发实力最早推出容量为170/340MB的微型硬盘。而现在，日立、东芝、南方汇通等公司，继续推出了4GB甚至更大的微型硬盘。微型硬盘最大的特点就是体积小巧容量适中，大多采用CF II插槽，只比普通CF卡稍厚一些。微型硬盘可以说是凝聚了磁储技术方面的精髓，其内部结构与普通硬盘几乎完全相同，在有限的体积里包含有相当多的部件。新第一代1英寸以下的硬盘也上市，东芝将是最早推出这种硬盘的公司之一，其直径仅为0.8英寸左右(SD卡大小)，容量却高达4GB以上。
5、固态硬盘
现在市场上由各种快闪存储器构成的小型存储卡应用很广泛了，其中有一种特殊的闪存存储器采用了标准IDE接口，因此也被称为“固态硬盘”，具有很强的耐冲击性能和抗干扰能力，在工业控制计算机等设备中应用很广泛，而随着信息家电的不断涌入家庭，以固态硬盘为主的便携记录媒体市场将会更加红火。随着新型闪存器件容量的急速增长和价格的下跌，固态硬盘将是今后PC存储设备发展的趋势。
虽说如今SD内存早已被装机者们淘汰，可是对于不少无缘DDR的老主板的用户来说，这SD内存可是升级的难觅之宝，往往加一根小小的内存就可以提高不少老机子的性能，做更多的事情。
但是偏偏好事多磨，内存的混插往往不是那么太平的，常常会出些这样那样的问题，究其原因，有很多中，其中之一便是这单面和双面内存混插造成。那什么是单面和双面内存呢？它们有些什么样的特性与区别呢？下面咱们就细细道来。
何谓内存BANK
一般而言，各位注意了，是一般而言，单面内存每条拥有一组BANK，而双面的内存则每条提供了两组的BANK，之所以要强调一般而言我会在文中加以阐明。……什么？不知道BANK为何物？好！那我就来解释一下BANK先。 内存的BANK其实分为两部分，逻辑BANK和物理BANK。
先来讲讲逻辑BANK。芯片的内部，内存的数据是以位（bit）为单位写入一张大的矩阵中，每个单元格我们称为CELL，只要指定一个行（Row），再指定一个列（Column），就可以准确地定位到某个CELL，这就是内存芯片寻址的基本原理。这样的一个阵列我们就叫它内存的逻辑BANK（Logical BANK）。
再来说说物理BANK。通常主板上的每个内存插槽分为两段，这个大家从VIA主板BIOS设置中的BANK 0/1 DRAM Timing选项很容易推理得到，实际上也就是两个BANK，不过这里的BANK概念与我们前面分析芯片内部结构时提到的BANK可不一样。
简单地说这个BANK就是内存和主板上的北桥芯片之间用来交换数据的通道，目前以SDRAM系统为例，CPU与内存之间（就是CPU到DIMM槽）的接口位宽是bit，也就意味着CPU一次会向内存发送或从内存读取bit的数据，那么这一个bit的数据集合就是一个内存条BANK，很多厂家的产品说明里称之为物理BANK（Physical BANK）。
目前绝大多数的芯片组都只能支持一根内存包含两个物理BANK，但是针对某个具体的条子，很多人想当然，认为每个DIMM插槽使用内存条的面数来区分占用几个BANK通道，单面的（16M，M）只占用一个物理BANK，而双面的（32M，128M）则需占用两个物理BANK。实际上物理BANK与面数是无关的，PCB电路可以设计成双面和单面，也可把全部芯片（16颗）放在一面上（至少从理论上是完全可能）。
有些内存条单面就是一个物理BANK，但有些双面才是一个物理BANK，所以不能一概而论。256MB内存条就是一个典型的例子，虽然是双面并多达16枚芯片，但仍然是单个物理BANK的。要准确知道内存条实际物理BANK数量，我们只要将单个芯片的逻辑BANK数量和位宽以及内存条上芯片个数搞清楚。各个芯片位宽之和为就是单物理BANK，如果是128就是双物理BANK。
CPU工作时与BANK的关系
CPU工作时，每次只访问一个物理BANK，这是因为一个物理BANK的位宽是Bit。CPU访问的数据是存放在内存条的内存颗粒上的，现在的芯片组设计时都是要求内存条上每个芯片均承担提供数据的任务，即内存条上的每个颗粒都要负担这bit数据的一部分。
这就要牵扯到我们上文所说得位宽的问题了，如果内存芯片的位宽是8位，那么用这个芯片组成内存条只需要8颗芯片即完成了位数据并发任务，如果是4位，那么就需要16颗芯片才能达到bit的要求。当内存条颗粒设计为位宽为8位，16颗内存颗粒的时候，内存条的位宽就变为6 x 16=128bit。所以就要设计为双BANK。这是由于CPU一次只能处理bit的数据所造成的。
以后随着技术的进步，128bit,256bit都是可以实现的。以上就是所谓的逻辑BANK和物理BANK。 虽然这些区别不是很大，但是却往往造成不小的问题，让人头痛。举一个较古老的例子：曾经有一款大度256M内存采用单面了设计，仅有一组物理BANK。但是由于INTEL(Intel440BX，i815)芯片组只能正确识别单物理BANK最高容量为128M，这种情况造成大部分INTEL主板就无法完全使用大度256M内存的全部容量，只可以使用一半128M。
事实上很多类似的大容量内存不能为一些旧型号主板支持的主要原因就是芯片组对内存芯片的逻辑BANK数据深度有一定*。我们知道芯片的容量主要由三个参数决定，首先是逻辑BANK的单元格数（数据深度），其次是逻辑BANK的位数。最后是逻辑BANK的个数。三者相乘得到芯片的容量。
大度内存256MB之所以不能在440BX上用，就是由于BX芯片组只支持内存芯片的数据深度为4M，而不是8M，所以大度条子的内存芯片在BX板上被识别成4×4×4=Mbit（8MB），而不是本来的8×4×4=128Mbit（16MB），现在很多大容量的内存没有在BANK数和位宽上提高多少，基本都是增加芯片的数据深度，而这是需要芯片组支持的，象INTEL的LX/BX/810/815等老主板都只能支持最大4M，所以出问题再所难免。
单、双面内存孰好孰坏
那这是不是意味着单面内存不好呢？答案是否定的，上述问题的罪魁祸首应该是INTEL芯片的SDRAM识别技术，VIA、ALI、SIS大部分芯片的主板就没有问题。不过现在内存厂商考虑兼容性的问题，已经不生产单面256M的产品了，所以用户一般不用考虑此环节。
另外如果在INTEL815芯片组的主板(如ASUS CUSL2)上插三条现代双面128M的内存，系统就会自动把内存的时钟频率降到PC100来使用，而且使用过程中很不稳定，经常死机。出现这种情况是因为，INTEL815E芯片虽然有三个DIMM槽，但最多同时支持4组Bank运行在PC133状态下，如果超过四组就会自动降至PC100。所以上述问题如果换用三条单面128M的内存就迎刃而解。
我们再以kingmax为例。对比KingMax PC150 128M两个版本的产品（MPGA83S-68KX3 单面128M和MPGA83S-88KX3 双面128M），从外形上不难发现，凡1.0版的内存采用的都是16M×8，即单面八片结构的，而1.2版本的则是8MB×8即双面十六片结构。
对照SDRAM内存工业标准来看，现在通用的168线SDRAM的电路结构应该是单面八片的形式，而背面应该完全留给芯片级升级使用。我们可以简单的理解为双面的就是在一根MB内存条的基础上添加了8个芯片，实现'内存条升级'的结果。所以说， KingMax PC150 1.0版本和1.2版本的主要区别在于单面和双面封装的不同，而准确的讲，单面封装的1.0 版本则为SDRAM的标准产品。虽然两种结构下的内存条容量是相同的，但理论上讲，无论是扩充性、稳定性还是兼容性，单面结构都比双面结构稍胜一筹。
MPGA83S-68KX3
其实说了半天，也不是说单面内存就一定比双面内存好，或者一定要在两者之间区分伯仲。单、双面内存它们的本身没有好坏，区别也很小，只不过看哪种封装被主板芯片组支持的更好罢了。不可否认的一点是，同等容量的内存，单面比双面的集成度要高，生产日期要靠后，所以工作起来就更稳定。
但是升级内存的用户请注意，一定要尽量保证升级前后，内存单、双面的统一性，这样可以最大程度的保证你系统的稳定。同时，对于广大想要对老主板升级的用户来说，分清楚自己主板所支持的范围是最重要的，当然喽，有些问题我们也可以通过升级新的主板bios达到支持的目的，但是这样做的可操作性就不是很强了，要因人而异，因板而异了。
热心网友
时间：2023-10-06 12:53
计算机工作原理
