计算机概论

计算机概论

电脑硬件的五大单元

• 输入单元：包括键盘、鼠标、读卡器、扫描仪等
• 主机部分：系统单元，被主机机箱保护着，有许多的电路板、CPU以及内存等
• 输出单元：例如屏幕、打印机等

整台主机的重点在于中央处理器（Central Processing Unit. CPU）CPU为一个具有特定功能的芯片，里面含有指令集

CPU的功能主要在于管理与运算，因此CPU又可以分为两个主要的单元：分别是 算数逻辑单元与控制单元

CPU读取的数据都是从内存中来的，然而当CPU处理完毕的数据也必须要写回内存

一切设计的起点：CPU架构

世界上最常见的两种CPU架构，分别是： 精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）系统

• 精简指令集：每个指令运行时间短，完成操作简单，指令的执行性较佳；但若要做复杂的事情，就需要多个指令集来完成。常见的RISC指令集CPU有甲骨文（Oracle）公司的SPARC系列、IBM公司的Power Architecure系列与ARM公司的ARM系列

  目前世界上运用最广的CPU可能就是ARM 这种架构的

• 复杂指令集：与RISC不同的是CISC在指令集的每个小指令可以执行一些较低级的硬件操作，指令数目多而且复杂每条指令的长度不相同，每条指令花费时间较长，但是处理的工作较为丰富。

x86架构个人电脑常被称为x86架构电脑

其他单元设备

有系统单元、储存单元、输入和输出单元

显卡与显示的精细度、色彩与分辨率都有关系

运作流程

• CPU= 脑袋
• 内存 = 脑袋中存放正在被思考的数据的区块
• 硬盘 = 脑袋中存放记忆的记忆区块
• 主板 = 神经系统
• 各项接口设备 = 人体与外界沟通的手脚、皮肤眼睛等
• 显卡 = 脑袋中的影像
• 主机电源（Power）= 心脏

电脑的分类

• 超级计算机（Supercomputer）
• 大型计算机（Mainframe Computer）
• 迷你计算机（Minicomputer）
• 工作站（Workstation）
• 微电脑（Microcomputer）

电脑上面常用的计算单位（容量、速度等）

• 容量单位： 1 字节 = 8位 (1024)
• 速度单位：CPU的命令周期常使用 MHZ或者GHz之类的单位，，Hz就是 次数 / 秒的意思 网络使用的是 Mbit / s

个人电脑架构与相关设备组件

一般消费者说的电脑通常指的是 x86的个人电脑架构

Linux最早发展的时候就是一句个人电脑的架构来发展的

由于主板是链接各个组建的一个重要部分，因此在主板上链接的

执行脑袋运算与判断的CPU

不用指令集会导致CPU工作效率的高低

频率就是CPU每秒钟可以进行的工作次数

CPU的工作频率：外频与倍频

所谓的外频指的是CPU与外部组件进行数据传输时的速度，倍频则是内部用来加速工作性能的一个倍数 两者相乘才是CPU的频率速度

内存

以服务器来说，内存的容量有时比CPU的速度还重要

• 多通道设计：由于数据都必须存放到内存中，所以内存的数据 位宽当然是越大越好，传统位宽一般64位，将两个内存集合到一起，两根内存就可以达到128位
• DRAM和SRAM： DRAM(动态随机储存器) SRAM (静态随机储存器)
• 只读存储器（ROM）：BIOS是一个程序，这个程序是写死到主板上面的一个储存器芯片中，这个存储芯片在没有通电时也能够记录数据这就是只读存储器

显卡

显卡又称作 VGA(Video Graphics Array),他对图形影像的显示 扮演者相当关键的角色

应为每个图像显示的颜色会占内存，因此显卡上面会有集成内存并称为显存，这个显存容量会影像电脑屏幕的分辨率和颜色深度

针对于3D运算需求，在显卡上面嵌入一个3D加速的芯片 这就是所谓GPU的来源

显卡主要也是通过GPU 的控制芯片来与CPU、内存等通信

显卡 与电脑屏幕（电视）目前主要的链接接口

• D-sub（AVG） 为较早之前的连接接口，主要为15针的接口
• DVI 共有四种以上接口，市面上较常见的有提供数字信号的DVI-D,整合数组与模拟信号的DVI-I
• HDMI 可以同时传输影像与声音，故广泛使用于电视盘屏幕中，电脑屏幕目前也支持HDMI 格式
• DisplayPort 与HDMI相似，但目前在市面上较少有屏幕的支持

硬盘与储存设备

• 硬盘的物理组成：由许多的圆形碟片、机械手臂、磁头与主轴马达组成，实际数据都是写在具有磁性物质的碟片上面，而读写主要是通过机械手臂上的磁头来完成 实际运行时，主轴马达让碟片运动，然后机械手臂可以伸展让磁头在碟片上面进行读写操作，由于单一碟片容量有限，因此硬盘上面会有两个以上的碟片。

• 碟片上的数据 ： 磁盘最小的物理储存单位，称之为扇区，同一个同心圆的扇区组合成的圆就是所谓的磁道。由于磁盘里可能会有很多个碟片，因此在所有碟片上面的 同一个磁道可以组合成所谓的柱面

• 传输接口：

  SATA接口 目前SATA版本已经到第三代，每一代的传输速度加快，而且每一代都可以向下兼容，只是速度上会差很多，目前主流都是用SATA 3.0 这个接口，速度可达600MB / s

  SAS 接口 一般电脑主机还是 以 SATA 为主要的磁盘；连接接口

  USB 接口 磁盘是外接式磁盘接口，USB接口也是目前最长见的外接式接口

• 固态硬盘（SSD）：传统硬盘有个致命的问题就是需要驱动马达去转动碟片，这会造成严重的磁盘读取延迟，由于没有磁头，都是闪存，与传统的机械磁盘不同，就称之为固态硬盘。其最大的好处就是，它没有马达，不需要转动，而是通过闪存直接读写的特性，因此除了没有数据延迟且快速之外，还很省电。

选购与使用须知

• HDD或SSD : 价格和速度都差很多 ，SSD 可以作为系统盘，数据储存大多放在HDD(硬盘驱动器)上面，这样系统运行快速，而且数据储量也大
• 容量 ： 在SSD方面，目前主流容量还是在128~256之间
• 缓冲储存器（缓存） ：缓冲储存器越大越好，目前主流产品可达64 MB左右的大小
• 转速 ： 转速会影响硬盘的性能。主流的桌面电脑硬盘每分钟转7200转，笔记本电脑则 是 4500 转，若有高性能的数据存储需要可购买告诉硬盘
• 使用须知：电脑接通电源后就不要移动主机，避免振动硬盘而导致整个一硬盘数据发生丢失。不要以为将电源拔掉就是顺利关机了因为机械手臂需要回归原位，所以要以操作系统的正常方式关机。

扩展卡与接口

主板上一般会留多个扩展接口的卡槽。由于有些旧老的卡可能还需要使用，因此一般主板大多数会保留一两个PCI卡槽，其他的则是根据PCle来设计

目前主板上已经集成了相当多的设备组件，常见的集成到主板的组件包括声卡、网卡、USB控制器、显卡、磁盘阵列卡

有时还可能增加额外的扩展卡。举例：如果需要一台电脑连接多个网络时（比如用作Linux的服务器），就得需要多个网卡。

• 多通道卡槽安装在少通道卡槽的可用性;要发挥扩展卡的能力，就得搭配对应的卡槽

主板

• 发挥扩展卡性能需考虑卡槽位置要知道PCle 2.0x8的理论速度已达到4Gb，但是与CPU的数据带宽竟然仅有2Gb，性能的瓶颈就发生在CPU与南桥的带宽上面，因此卡安装在哪个卡槽上面对性能而言影响很大，所以插卡时阅读说明书

• CMOS和BIOS: CMOS主要功能为记录主板上面的重要参数，包括系统时间、CPU电压与频率、各项设备的I/O地址与IRQ等，由于这些数据的记录要用电，因此主板上面才有电池。 BIOS是写入到主板上的某一块flash或EEPROM的程序，他可以在计算机启动的时候执行，以加载CMOS中的参数，并尝试调用储存设备中的引导程序，进一步进入到操作系统当中。

  注： BIOS程序可以修改CMOS中的数据，每种主板进入到BIOS设置程序的按键不一样，一般台式电脑使用的是[del]键进入的BIOS 设置。笔记本电脑与它的品牌等都有关，可以查询Baidu。

• 连接外置设备的接口 ：主板与各项输入输出连接主要都在主机机箱的后面

  PS/2接口：原本常见的键盘和鼠标的接口，渐渐地被USB接口所取代

  USB 接口 ：通常剩下USB2.0 和USB3.0 ，为了方便区分USB3.0卡槽颜色为蓝色

  声音输出输入与麦克风：外看就是一个圆形插孔，只有看主板上面内置音效芯片时，才会有这三个插孔

  RJ-45网络头：就是统称的网线插口

  HDMI:如果内置显示芯片，那就是屏幕连接的接口，这种接口可以同时传输声音和影像，目前是电视屏的主流接口

主机电源(POWER)

• 能量转化率 所谓转化率指的是：输出功率 / 输出功率

主机电源本身会使用一部分电力

数据表达方式

电脑常用的数制是二进制数

电脑如何显示数字或文字

数字系统

早起电脑用通电与否的特性制造电子管，如果通电就是1 ，没有通电就是0 ， 后沿用至今，这种只有0 1 的环境为二进制英文称为binary.

得了解二进制、八进制、十进制、十六进制之间的转化

字符编码系统

事实上文本文件和数据都是被记录为 0 和 1 而已，而这个文件内容被读取查看时需要经过一个编码系统的处理。

*所谓编码系统就是可以想成是一个字码对照表

常用的英文编码表为ASCII系统这个编码系统中每个符号都会占一个字节的记录因此总共有 2e8 = 256种变化

中文编码系统中早起最常见的就是Big5这个编码表（注：Big5编码为台湾地区使用的编码，大陆地区使用GB2312 或 GBK编码方案）

为了解决乱码问题，国际组织ISO / IEC制定了所谓Unicode编码系统，我们常常称为UTF- 8或万国码的编码就是这个东西

软件程序运行

没有如软件的电脑就像，没有灵魂的躯体不过是行尸走肉

目前电脑软件分为两大类

• 软件系统
• 应用程序

机器语言程序与编译型程序

• 需要了解机器语言
• 需要了解所有硬件的相关功能函数
• 程序不具有可移植性
• 程序具有专一性

操作系统

• 操作系统内核Kernel :操作系统其实也是一组程序，这组程序重点在于管理电脑的所有活动以及驱动系统中的所有硬件

  如果不小心将内核程序破坏或停止将会导致整个系统的崩溃。因此内核程序放置到内存当中的区块是受保护的，并且启动后一直常驻在内存中

• 系统调用（System Call）: 操作系统一般会提供一套应用程序编程接口（application programming interface ,API）给程序员来开发软件，工程师只要遵守该API 就能很容易开发软件了

只要硬件不同（如X86架构与RISC架构的CPU），内核就得进行修改才行

由于内核只进行电脑系统的资源分配所以在上面还需要有应用程序的提供，用户才能够使用系统

为了保护内核，并且让程序员更加方便的开发软件，操作系统除了内核之外，还提供了一套API，那就是系统调用层。所以可以发现，软件与内核有比较大的关系，与硬件的关系并不大，硬件也与内核有比较大的关系，至于与用户的关系就是应用程序。

总结成以下概念

• 操作系统的内核层直接参考硬件规则写成，所以一个操作系统上的程序不能再不一样的硬件架构下运行
• 操作系统只是管理整个硬件资源，包括CPU、内存、输入和输出设备以及文件系统
• 应用程序的开发都是参照操作系统的API，所以该应用程序只能在该操作系统上运行而已，不能够在其他的操作系统上运行

内核的功能

• 系统调用的接口(System call interface)
• 进程管理(Process control)
• 内存管理(Memory management) 整个系统中内存管理和内存控制非常重要
• 文件系统管理(Filesystem management)
• 设备驱动(Device drivers) 硬件管理是内核的工作之一，当然设备的驱动程序就是内核需要做的事情

操作系统与驱动程序

驱动程序可以说是操作系统里相当重要的一环

• 操作系统必须要能够驱动硬件，如此应用程序才能够使用该硬件功能
• 一般来说操作系统会提供API，让开发商编写他们的驱动程序
• 要使用新硬件功能，必须要安装厂商提供的驱动程序才行
• 驱动程序是由厂商提供，已操作系统无关

应用程序

应用程序是根据操作系统提供的API所开发出来的软件