一、硬件基础

1.1、CPU

一般说来，一个时钟周期完成的指令数是固定的，所以主频越高，CPU的速度也就越快了。所谓的外频指的是CPU与外部组件进行数据传输或运算时的速度，倍频则是CPU内部用来加速工作性能的一个倍数。用公式表示就是：主频=外频×倍频。由于CPU要进行大量的运算，所以CPU是一个高发热的组件。

一般的主板芯片组分为北桥和南桥，北桥的总线称为系统总线，因为是内存传输的主要通道，所以速度较快；南桥就是所谓的输入输出总线，主要用于联系硬盘、USB、网卡等接口设备。北桥所支持的频率我们称为前端总线速度（Front SideBus，FSB），而每次传输的位数则是总线宽度。所谓的总线频宽则是“FSB X 总线宽度”，即每秒可以传输的最大数据量。CPU每次能够处理的数据量称为字组大小，依据CPU的设计有32位和64位。

1.2、内存

内存是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。内存(Memory)也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。

内存一般采用半导体存储单元，包括随机存储器（RAM），只读存储器（ROM），以及高速缓存（CACHE）。个人计算机的主要组件是动态随机访问内存（DRAM），随机访问内存只有在通电时才能记录和使用，断电后数据就消失了。目前使用最多的是SDRAM和DDR SDRAM这两种，DDR是双倍数据传输速度，它可以在一个周期之内进行两次数据传输，在传输性能方面比SDRAM要好。新一代的PC大都采用DDR内存。

高速缓存位于CPU与内存之间，是一个读写速度比内存更快的存储器。当CPU向内存中写入或读出数据时，这个数据也被存储进高速缓冲存储器中。当CPU再次需要这些数据时，CPU就从高速缓冲存储器读取数据，而不是访问较慢的内存，当然，如需要的数据在Cache中没有，CPU会再去读取内存中的数据。高速缓存不能采用SDRAM（SDRAM很难达到CPU级别的速率），而是采用静态随机访问内存（SRAM）。SRAM在设计上采用的晶体管较多，价格较高，且不易做成大容量。

ROM表示只读存储器（Read Only Memory），在制造ROM的时候，信息（数据或程序）就被存入并永久保存。这些信息只能读出，一般不能写入，即使机器停电，这些数据也不会丢失。ROM一般用于存放计算机的基本程序和数据，如BIOS ROM。其物理外形一般是双列直插式（DIP）的集成块。

1.3、显卡

显卡（Video card，Graphics card）全称显示接口卡，又称显示适配器，是计算机最基本配置、最重要的配件之一。显卡作为电脑主机里的一个重要组成部分，是电脑进行数模信号转换的设备，承担输出显示图形的任务。显卡接在电脑主板上，它将电脑的数字信号转换成模拟信号让显示器显示出来，同时显卡还是有图像处理能力，可协助CPU工作，提高整体的运行速度。对于从事专业图形设计的人来说显卡非常重要。

集成显卡是将显示芯片、显存及其相关电路都集成在主板上，与其融为一体的元件；集成显卡的优点：是功耗低、发热量小、部分集成显卡的性能已经可以媲美入门级的独立显卡，所以不用花费额外的资金购买独立显卡。独立显卡是指将显示芯片、显存及其相关电路单独做在一块电路板上，自成一体而作为一块独立的板卡存在，它需占用主板的扩展插槽（ISA、PCI、AGP或PCI-E)。独立显卡的优点：单独安装有显存，一般不占用系统内存，在技术上也较集成显卡先进得多，但性能肯定不差于集成显卡，容易进行显卡的硬件升级。

显卡对图形的显示特别重要，一般对于图像的显示重点在于分别率和色彩深度。因为每个图像显示的颜色都要占用内存，因此显卡上面要有一个内存的容量，这个内存的容量将会影响到你的屏幕分辨率和色彩深度。除了显示图形之外，由于3D游戏和3D动画的流行，因此显卡的运算能力越来越重要，所以显卡厂商会在显卡上嵌入一个3D加速芯片，这就是GPU的由来。

1.4、硬盘与存储设备

硬盘有固态硬盘（SSD）、机械硬盘（HDD ）、混合硬盘（HHD 一块基于传统机械硬盘诞生出来的新硬盘）；SSD采用闪存颗粒来存储，HDD采用磁性碟片来存储，混合硬盘是把磁性硬盘和闪存集成到一起的一种硬盘。

1.4.1、性能指标

容量作为计算机系统的数据存储器，容量是硬盘最主要的参数。硬盘的容量以兆字节（MB/MiB）、千兆字节（GB/GiB）或百万兆字节（TB/TiB)为单位，而常见的换算式为：1TB=1024GB,1GB=1024MB而1MB=1024KB。但硬盘厂商通常使用的是GB，也就是1G=1000MB，而Windows系统，就依旧以“GB”字样来表示“GiB”单位（1024换算的），因此我们在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值要小。硬盘的容量指标还包括硬盘的单碟容量。所谓单碟容量是指硬盘单片盘片的容量，单碟容量越大，单位成本越低，平均访问时间也越短。一般情况下硬盘容量越大，单位字节的价格就越便宜，但是超出主流容量的硬盘略微例外。我们买硬盘的时候说是500G的，但实际容量都比500G要小的。因为厂家是按1MB=1000KB来换算的，所以我们买新硬盘，比买时候实际用量要小点的。

转速（Rotational Speed 或Spindle speed），是硬盘内电机主轴的旋转速度，也就是硬盘盘片在一分钟内所能完成的最大转数。转速的快慢是标示硬盘档次的重要参数之一，它是决定硬盘内部传输率的关键因素之一，在很大程度上直接影响到硬盘的速度。硬盘的转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快，相对的硬盘的传输速度也就得到了提高。硬盘转速以每分钟多少转来表示，单位表示为RPM，RPM是RevolutionsPer minute的缩写，是转/每分钟。RPM值越大，内部传输率就越快，访问时间就越短，硬盘的整体性能也就越好。

硬盘的主轴马达带动盘片高速旋转，产生浮力使磁头飘浮在盘片上方。要将所要存取资料的扇区带到磁头下方，转速越快，则等待时间也就越短。因此转速在很大程度上决定了硬盘的速度。

平均访问时间（Average Access Time）是指磁头从起始位置到到达目标磁道位置，并且从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。均访问时间体现了硬盘的读写速度，它包括了硬盘的寻道时间和等待时间，即：平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间。硬盘的平均寻道时间（Average Seek Time）是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间。这个时间当然越小越好，硬盘的平均寻道时间通常在8ms到12ms之间，而SCSI硬盘则应小于或等于8ms。硬盘的等待时间，又叫潜伏期（Latency），是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。平均等待时间为盘片旋转一周所需的时间的一半，一般应在4ms以下。

传输速率（Data Transfer Rate)硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。内部传输率（InternalTransfer Rate) 也称为持续传输率（Sustained Transfer Rate），它反映了硬盘缓冲区未用时的性能。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。外部传输率（External Transfer Rate）也称为突发数据传输率（Burst DataTransfer Rate）或接口传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。Fast ATA接口硬盘的最大外部传输率为16.6MB/s，而Ultra ATA接口的硬盘则达到33.3MB/s。2012年12月，两80后研制出传输速度每秒1.5GB的固态硬盘。

缓存（Cache memory）是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度，它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。由于硬盘的内部数据传输速度和外界介面传输速度不同，缓存在其中起到一个缓冲的作用。缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素，能够大幅度地提高硬盘整体性能。当硬盘存取零碎数据时需要不断地在硬盘与内存之间交换数据，有大缓存，则可以将那些零碎数据暂存在缓存中，减小外系统的负荷，也提高了数据的传输速度。

1.4.2、物理结构

磁头是硬盘中最昂贵的部件，也是硬盘技术中最重要和最关键的一环。传统的磁头是读写合一的电磁感应式磁头，但是，硬盘的读、写却是两种截然不同的操作，为此，这种二合一磁头在设计时必须要同时兼顾到读/写两种特性，从而造成了硬盘设计上的局限。而MR磁头（Magnetoresistive heads），即磁阻磁头，采用的是分离式的磁头结构：写入磁头仍采用传统的磁感应磁头（MR磁头不能进行写操作），读取磁头则采用新型的MR磁头，即所谓的感应写、磁阻读。这样，在设计时就可以针对两者的不同特性分别进行优化，以得到最好的读/写性能。另外，MR磁头是通过阻值变化而不是电流变化去感应信号幅度，因而对信号变化相当敏感，读取数据的准确性也相应提高。而且由于读取的信号幅度与磁道宽度无关，故磁道可以做得很窄，从而提高了盘片密度，达到每平方英寸200MB，而使用传统的磁头只能达到每平方英寸20MB，这也是MR磁头被广泛应用的最主要原因。MR磁头已得到广泛应用，而采用多层结构和磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头（Giant Magnetoresistive heads）也逐渐开始普及。

当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道。这些磁道用肉眼是根本看不到的，因为它们仅是盘面上以特殊方式磁化了的一些磁化区，磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。相邻磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近时磁性会相互产生影响，同时也为磁头的读写带来困难。一张1.44MB的3.5英寸软盘，一面有80个磁道，而硬盘上的磁道密度则远远大于此值，通常一面有成千上万个磁道。磁道的磁化方式一般由磁头迅速切换正负极改变磁道所代表的0和1。

磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字节的信息，磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要以扇区为单位。1.44MB3.5英寸的软盘，每个磁道分为18个扇区。

硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘单面上的磁道数是相等的。无论是双盘面还是单盘面，由于每个盘面都只有自己独一无二的磁头，因此，盘面数等于总的磁头数。所谓硬盘的CHS，即Cylinder（柱面）、Head（磁头）、Sector（扇区），只要知道了硬盘的CHS的数目，即可确定硬盘的容量，硬盘的容量=柱面数*磁头数*扇区数*512B。

1.4.3、硬盘接口

从整体的角度上，硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI、SAS和光纤通道五种，IDE接口硬盘多用于家用产品中，也部分应用于服务器，SCSI接口的硬盘则主要应用于服务器市场，而光纤通道只用于高端服务器上，价格昂贵。SATA主要应用于家用市场，有SATA、SATAΙΙ、SATAΙΙΙ，是现在的主流。

IDE的英文全称为“IntegratedDrive Electronics”，即“电子集成驱动器”，它的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。把盘体与控制器集成在一起的做法减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为硬盘生产厂商不需要再担心自己的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容。对用户而言，硬盘安装起来也更为方便。IDE这一接口技术从诞生至今就一直在不断发展，性能也不断的提高，其拥有的价格低廉、兼容性强的特点，为其造就了其它类型硬盘无法替代的地位。IDE代表着硬盘的一种类型，但在实际的应用中，人们也习惯用IDE来称呼最早出现IDE类型硬盘ATA-1，这种类型的接口随着接口技术的发展已经被淘汰了，而其后发展分支出更多类型的硬盘接口，比如ATA、Ultra ATA、DMA、Ultra DMA等接口都属于IDE硬盘。

SATA（串口硬盘）是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而知名。相对于并行ATA来说，就具有非常多的优势。首先，Serial ATA以连续串行的方式传送数据，一次只会传送1位数据。这样能减少SATA接口的针脚数目，使连接电缆数目变少，效率也会更高。实际上，Serial ATA 仅用四支针脚就能完成所有的工作，分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据，同时这样的架构还能降低系统能耗和减小系统复杂性。其次，Serial ATA的起点更高、发展潜力更大，Serial ATA 1.0定义的数据传输率可达150MB/s，这比目前最新的并行ATA（即ATA/133）所能达到133MB/s的最高数据传输率还高，而在Serial ATA 2.0的数据传输率将达到300MB/s，最终SATA将实现600MB/s的最高数据传输率。

SCSI的英文全称为“Small Computer System Interface”（小型计算机系统接口），是同IDE（ATA）完全不同的接口，IDE接口是普通PC的标准接口，而SCSI并不是专门为硬盘设计的接口，是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI接口具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点，但较高的价格使得它很难如IDE硬盘般普及，因此SCSI硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。

1.5、磁盘分区与开机流程

在传统的磁盘管理中，将一个硬盘分为两大类分区：主分区和扩展分区。主分区是能够安装操作系统，能够进行计算机启动的分区，这样的分区可以直接格式化，然后安装系统，直接存放文件。磁盘的第一个扇区主要记录了两个重要的信息，主引导分区（可以安装引导加载程序的地方，有446Bytes）和分区表（记录整块硬盘的分区状态，46Bytes）。其实所谓的分区就是对64Bytes的分区表进行设置，硬盘的分区表只能写入4个分区信息（主分区和扩展分区一个有4个，且扩展分区只能有一个），分区的最小单位是柱面。逻辑分区是由扩展分区持续切割而来的，能够被格式化后最为数据访问的分区为主分区和逻辑分区，扩展分区无法进行格式化。

BIOS是在开机的时候计算机系统会主动执行的第一个程序。接下来，BIOS会去分析计算机里面有哪些存储设备，以硬盘为例，BIOS会依据用户的设置去取得能够开机的硬盘，并且到该硬盘里面去读取第一个扇区中的主引导分区（Master Boot Record，MBR）位置。MBR这个仅有446bytes的硬盘容量里面会放置最基本的引导加载程序（Boot loader），此时BIOS就功成圆满，接下来就是MBR内的引导加载程序的工作了。这个引导加载程序的目的是加载内核文件，由于引导加载程序是操作系统在安装的时候所提供的，所以它会识别硬盘内的文件系统格式，因此就能够读取内核文件，接下来就是内核文件的工作了，之后就是我们所知道的操作系统的任务。

简单的说，整个开机流程到操作系统之前的动作应该是这样的：

1）BIOS：开机主动执行的韧体，会认识第一个开机的设备

2）MBR：第一个可开机设备的第一个扇区内的主引导分区块，内含引导加载程序（Boot

loader）。

3）引导加载程序：一只可读取内核文件来执行的软件。

4）内核文件：开始操作系统的功能。

BIOS与MBR都是硬件本身会支持的功能，至于Boot loader（引导加载程序）则是操作系统安装在MBR上面的一套软件。由于MBR仅有466bytes而已，因此这个引导程序是非常小而完美的。这个boot loader的主要任务有下面几项：

1）提供菜单：用户可以选择不同的开机选项，这也是多重引导的重要功能呢。

2）载入内核文件：直接执行可开机的程序区段来开始操作系统。

3）转交其他loader：将引导加载功能转交给其他loader负责。

以上可以总结为：

1）每个分区都拥有自己的启动扇区。

2）实际可开机的内核文件是放置到各分区内的。

3）loader只会认识自己的系统分区内的可开机内核文件，以及其他loader而已。

4）loader可直接指向或者是间接将管理权转交给另一个管理程序。

5）每个分区都有自己的启动扇区，loader可以安装在MBR或启动扇区上，loader只会识别自己分区内的可开机内核文件。

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