D41. 计算机硬件
1.1. 计算机分为主机和外部设备
计算机硬件系统由主机和外部设备两部分组成。主机是计算机的核心，包含CPU、内存、存储设备等关键部件；外部设备则用于与用户或外部系统交互。
核心概念
- 主机：
- 组成：CPU（中央处理器）、内存（RAM/ROM）、主板、存储设备（硬盘/SSD）、电源等。
- 功能：执行指令、处理数据、协调各部件工作。
- 外部设备：
- 输入设备：键盘、鼠标、摄像头、扫描仪等。
- 输出设备：显示器、打印机、音箱等。
- 存储设备：U盘、移动硬盘、网络存储等。
示意图
mermaid
graph TD
Host[主机] --> CPU[CPU]
Host --> Memory[内存]
Host --> Storage[存储设备]
Host --> Motherboard[主板]
Host --> Peripherals[外部设备]
Peripherals --> Input[输入设备]
Peripherals --> Output[输出设备]TIP
主板是主机的“中枢神经”，通过电路连接所有硬件，并提供扩展接口（如USB、PCIe）。
1.2. 内存和 CPU 是主机的主要组成部分
CPU 是计算机的“大脑”，内存是“临时工作空间”。它们共同决定了计算机的运算能力和多任务处理效率。
CPU 核心结构
- 运算器与控制器：
- 运算器（ALU）：执行算术和逻辑运算。
- 控制器：协调CPU与内存、外设的交互。
- 寄存器与缓存：
- 寄存器：速度最快，用于临时存储指令和数据。
- 缓存（L1/L2/L3）：分层设计，L1缓存速度最快（纳秒级），L3缓存容量最大。
内存（RAM）的作用
- 功能：临时存储正在运行的程序和数据。
- 分类：
- DRAM：动态随机存取内存，需周期性刷新，成本低。
- SRAM：静态随机存取内存，速度快但成本高，常用于CPU缓存。
- 多进程支持：内存通过虚拟内存技术，允许多个进程共享物理内存。
WARNING
内存断电后数据丢失！重要数据需保存到硬盘或外部存储。
1.3. CPU 主频决定时钟周期从而影响运行速度
CPU 的**主频（MHz/GHz）**决定了时钟周期的长短，直接影响指令执行速度。
核心公式与概念
- 时钟周期：CPU 内部同步信号的周期，单位为秒（s）。
- 主频（Clock Speed）： [ \text{主频} = \frac{1}{\text{时钟周期}} ] 例如：3.2 GHz 的 CPU，时钟周期为 ( \frac{1}{3.2 \times 10^9} \approx 0.31 \text{ ns} )。
存储层级的访问速度对比
| 存储类型 | 访问时间（纳秒） | 用途 |
|---|---|---|
| 寄存器 | 0.1~0.5 ns | 存储当前运算数据 |
| CPU 缓存（L1） | 0.5~1 ns | 高频访问数据缓存 |
| 内存（RAM） | 100~200 ns | 程序运行时的工作空间 |
| 固态硬盘（SSD） | 50,000~100,000 ns | 长期存储数据 |
| 机械硬盘（HDD） | 8,000,000 ns | 大容量数据存储 |
例：CPU 从硬盘读取数据需要多久？
假设硬盘访问时间为 8 ms（8,000,000 ns），而 L1 缓存访问时间为 0.5 ns，两者相差约 1600万倍！
1.4. 内存是计算机得以多进程执行的基础
内存通过**堆（Heap）和栈（Stack）**管理程序数据，支持多任务并行。
堆与栈的区别
| 特性 | 栈（Stack） | 堆（Heap） |
|---|---|---|
| 分配方式 | 由编译器自动管理 | 由程序员手动分配/释放 |
| 速度 | 快（连续内存，寻址简单） | 慢（碎片化，需动态分配） |
| 用途 | 存储局部变量、函数调用帧 | 存储动态对象、大型数据结构 |
| 大小限制 | 有限（通常 1~8 MB） | 由物理内存决定 |
多进程内存管理
- 虚拟内存：通过硬盘模拟内存，突破物理内存限制。
- 分页机制：将内存划分为固定大小的页（Page），支持进程间隔离。
javascript
// 示例：JavaScript 中栈与堆的差异
function example() {
const num = 42; // 栈：存储值
const obj = { a: 1 }; // 栈存地址，堆存对象
return obj;
}TIP
栈内存分配在函数调用时自动开辟，调用结束自动释放；堆内存需手动管理（如 C/C++ 的 free()）。
1.5. 外部设备通过接口与主机通信
外部设备通过接口（如 USB、PCIe）与主机交换数据，传输速率和协议影响整体性能。
常见接口类型
| 接口类型 | 传输速率（理论值） | 典型用途 |
|---|---|---|
| USB 3.2 Gen 2 | 10 Gbps | 外设（U盘、外置硬盘） |
| PCIe 4.0 | 64 Gbps | 显卡、高速存储设备 |
| SATA III | 6 Gbps | 内置硬盘、SSD |
| HDMI 2.1 | 48 Gbps | 高清显示器、游戏输出 |
数据传输原理
- 并行传输：多线同时传输（如早期并口打印机），速度受限于线缆长度。
- 串行传输：单线按序传输（如 USB、PCIe），支持长距离和高带宽。
例：为什么 SSD 比 HDD 速度快？
SSD 通过 PCIe/NVMe 接口直接连接主板，避免机械硬盘的 SATA 接口瓶颈。
知识回顾
- 计算机硬件分为主机（CPU、内存、存储）和外部设备（输入/输出/存储）。
- CPU 主频决定时钟周期，存储层级访问速度：寄存器 > 缓存 > 内存 > 硬盘。
- 内存通过堆和栈管理数据，虚拟内存支持多进程运行。
- 外部设备依赖接口（如 USB、PCIe）与主机通信，传输速率影响整体性能。
课后练习
（单选）以下哪个存储类型访问速度最快？
- A. 机械硬盘
- B. 内存（RAM）
- C. CPU 寄存器
- D. 固态硬盘
（简答）解释“虚拟内存”的作用及实现原理。
（计算）若 CPU 主频为 2 GHz，执行一条指令需要 4 个时钟周期，则该指令的执行时间是多少纳秒？
参考答案
C- 虚拟内存通过硬盘扩展内存空间，将不常用数据暂存到硬盘，需时再调回内存，实现多进程运行。
- ( \frac{4}{2 \times 10^9} \times 10^9 = 2 \text{ ns} )
扩展阅读
- [计算机组成原理（冯·诺依曼架构）]