《鸟哥的linux私房菜》第0章

计算机硬件的组成

• 计算机五大单元

  计算机由输入单元，输出单元，主储存器，CPU内部的控制单元和算术逻辑单元组成。

  1. 输入单元包括键盘、鼠标、卡片阅读机、扫描仪、手写板、触控屏幕等
  2. 输出单元包括屏幕、打印机等

• CPU(Central Processing Unit,中央处理器)

  CPU是一个具有特定功能的芯片，内部含有微指令集。CPU主要用于管理与运算。

  因此在 CPU 内又可分为两个主要的单元，分别是：算数逻辑单元与控制单元。其中算数逻辑单元主要负责程序运算与逻辑判断，控制单元则主要在协调各周边组件与各单元间的工作。

  • CPU组成

    CPU包括控制、算术逻辑单元，记忆单元。记忆单元又包含主存储器(main memory, RAM)与辅助内存，其中辅助内存包括硬盘、软盘、光盘、磁带等。

  • CPU架构

    CPU 内部已经含有一些微指令，我们所使用的软件都要经过 CPU 内部的微指令集来达成。这些指令集的设计主要被分为两种设计理念,也就是目前世界上常见的两种CPU 架构。

    1. 精简指令集 (Reduced Instruction Set Computer, RISC)
       1. RISC微指令集较为精简，每个指令的运行时间都很短，完成的动作也很单纯，指令的执行效能较佳。但是若要做复杂的事情，就要由多个指令完成。
       2. 常见的 RISC 微指令集 CPU 主要有甲骨文 (Oracle) 公司的 SPARC 系列、 IBM 公司的 Power Architecture (包括 PowerPC) 系列、与ARM Holdings的 ARM CPU 系列等。
    2. 复杂指令集(Complex Instruction Set Computer, CISC)
       1. CISC 微指令集的每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作，指令数目多且复杂,，每条指令的长度不同。因为指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长，但个别指令可以处理的工作较丰富。
       2. 常见的 CISC 微指令集 CPU 主要有 AMD、Intel、VIA 等x86 架构的 CPU.由于 AMD、 Intel、 VIA 所开发出的 x86 架构 CPU 被大量使用于个人计算机上，因此个人计算机常被称为 x86 架构的计算机

• 运作方式

  数据由输入单元流入主储存器，数据会流进/流出内存是 CPU 所发布的控制命令，而 CPU 实际要处理的数据则完全来自于主存储器。因此,如果主存储器能提供给 CPU 的数据量越大，整体系统效能越快。

计算机用途的分类

• 超级计算机(Supercomputer)

  超级计算机是运作速度最快的计算机,，主要用于需要有高速计算的计划中。 如国防军事、气象预测、太空科技，用在模拟的领域较多。

• 大型计算机(Mainframe Computer)

  大型计算机通常也具有数个高速的 CPU，可用来处理大量资料与复杂的运算。 如大型企业的主机或数据库服务器等。

• 迷你计算机(Minicomputer)

  迷你计算机仍保有大型计算机同时支持多用户的特性，但主机可放在一般作业场所，通常用来科学研究、工程分析与工厂的流程管理等。

• 工作站(Workstation)

  工作站是针对特殊用途而设计的计算机，在学术研究与工程分析方面相当常见。

• 微电脑(Microcomputer)

  个人计算机就属于这部份的分类，体积最小，价格最低，但功能全。

计算机常用的计算单位

• 容量单位

  0/1这种二进制单位成为bit，但bit太小，所以储存每份简单的数据都用8bits来记录，因此定义出单位byte，**1 byte = 8 bits。**但byte还是太小，较大容量下无法判断数据的大小，从而使用K表示1024byte，M表示1024K。

• 速度单位

  CPU 的指令周期常使用 MHz 或 GHz，Hz 是秒分之一。在网络传输方面，由于网络使用 bit 为单位，因此网络常使用的单位为 Mbps(Mbits per second)。

个人计算机架构与相关设备组件

💡 *以Intel主板架构为例*

• Intel芯片主板架构

  由CPU、显卡、网卡、主储存器、南桥、北桥组成。由于主板是链接各组件的一个重要项目，早期的芯片组通常分为两个网桥来控制各组件的沟通，分别是：

  1. 北桥：负责链接速度较快的 CPU、主存储器与显示适配器界面等组件。由于北桥最重要
     的是 CPU 与主存储器之间的桥接，因此大多将北桥内存控制器整合到 CPU封装中。
  2. 南桥：负责连接速度较慢的装置接口,，包括硬盘、USB、网络卡等。

• CPU

  • CPU 的工作频率：外频与倍频

    频率就是CPU每秒钟可以进行的工作次数，频率越高表示CPU单位时间内可作更多事（频率目前仅能用来比较同款 CPU 的速度）。外频是 CPU 与外部组件进行数据传输的速度，倍频是 CPU 内部加速工作效能的一个倍数，两者相乘是 CPU 的频率速度。

  • 32 位与 64 位的 CPU 与总线宽度

    与 CPU 的频率类似，主存储器也有工作的频率，这个频率限制来自于 CPU 内的内存控制器。一般每次频率能够传输的数据量大多为 64 位，这个 64 位就是所谓的宽度。CPU 每次能够处理的数据量称为字组大小(word size)，字组大小依据 CPU 的设计分为 32 位与 64 位。现在所称的计算机是 32 或 64 位主要依据 CPU 解析的字组大小而来。

  • 超线程 (Hyper-Threading, HT)

    每一个 CPU内部将重要的缓存器 (register) 分成两群，让程序分别使用这两群缓存器，即有两个程序同时竞争 CPU 的运算单元。因此，虽然大部分 i7 等级的 CPU 只有四个实体核心，但通过HT 机制，操作系统可以抓到八个核心，并且让每个核心逻辑上分离，就可以同时运作八个程序。

• 内存

  个人计算机的主存储器主要组件为动态随机存取内存(Dynamic Random Access Memory, DRAM)随机存取内存只有在通电时才能记录与使用，断电后数据就消失了。因此也称这种 RAM 为挥发性内存。

  • 多通道设计

    由于所有数据都必须存放于主存储器，所以主存储器的数据宽度越大越好。 但传统的总线宽度仅达 64 位，因此芯片组厂商就将两个主存储器汇整在一起。启动双信道内存功能时，数据同步写入/读出这一对主存储器中。

  • DRAM 与 SRAM

    CPU 到主存储器之间要通过内存控制器，若将某些常用程序或数据放置到 CPU 内部，CPU
    数据的读取效率将提升。而第二层快取(L2 cache)整合到 CPU 内部，L2 内存的速度必须要与 CPU 频率相同，静态随机存取内存(Static Random Access Memory,SRAM)可达到此速度。

    

  • 只读存储器(ROM)

    BIOS(Basic Input Output System)是一套程序是写死到只读存储器(Read Only Memory, ROM)中的程序，没有通电时也能将数据记录下来，ROM 是一种非挥发性的内存。韧体（韧体就是绑在硬件上的控制软件，firmware）大多也使用 ROM 来进行软件的写入。

• 显示适配器

  每个图像显示的颜色都会占用内存，因此显示适配器上的内存的容量会影响到屏幕分辨率与颜色深度。随着3D动画的发展，显示适配器的运算能力也愈发重要，所以显示适配器内部被嵌入一个3D加速芯片，也就是GPU.

• 硬盘与储存设备

  • 硬盘的物理组成

    硬盘由圆形磁盘盘、机械手臂、 磁盘读取头与主轴马达组成。实际的数据写在具有磁性物质的磁盘盘上，机械手臂上的读取头读写数据。实际运作时，主轴马达让磁盘盘转动，机械手臂伸展，让读取头在磁盘盘上头进行读写的。另外,由于单一磁盘盘的容量有限，因此有的硬盘内部会有两个以上的磁盘盘。

  • 磁盘盘上的数据

    如图，这个小区块就是磁盘的最小物理储存单位扇区 (sector)，同一个同心圆的扇区组合成的圆是磁道(track)。 由于磁盘里面可能会有多个磁盘盘,因此在所有磁盘盘上面的同一个磁道可以组合成所谓的磁柱 (cylinder)。

    

  • 固态硬盘 (Solid State Disk, SSD)

    由于传统硬盘需要驱动马达转动磁盘盘，会造成严重的磁盘读取延迟，因此发明固态硬盘。固态硬盘直接通过内存读写，没数据延迟并且省电

数据表示方式

• 数字系统

  早期的计算机使用的是利用通电与否的特性的真空管，通电为1，没有通电为0，后来沿用
  至今，我们称这种只有 0/1 的环境为二进制。

  十进制：3456 = 3x103 + 4x102 + 5x101 + 6x100

  二进制：1101010=1x26 + 1x25 + 0x24 + 1x23 + 0x22 + 1x21 + 0x20 = 64 + 32 + 0x16 + 8 + 0x4 + 2 + 0x1 = 106

  十进制转二进制：eg.106

  

• 文字编码系统

  

  常用的英文编码表为 ASCII 系统，每个符号(英文、数字或符号等)占用 1bytes的记录，因此总共有 256 种变化。对于非英语使用Unicode 编码系统，常称呼的UTF8 或万国码。

操作系统

• 操作系统核心(Kernel)

  操作系统(Operating System, OS)也是一组程序，重点在于管理计算机的所有活动以及驱动系统中的所有硬件，如让 CPU 可以开始判断逻辑与运算数值、 让主存储器开始加载/读出数据与程序代码、让硬盘开始被存取、让网卡开始传输数据、 让所有周边开始运转等，上述功能就是操作系统的核心(Kernel).核心程序放置在受保护的内存区块中，并且开机后一直常驻在内存中。

• 系统呼叫(System Call)

  计算机系统主要由硬件构成，核心程序主要管理硬件，提供合理的计算机系统资源分配(包括
  CPU 资源、内存使用资源等等)，因此只要硬件不同，核心就要修改。而由于核心只会进行计算机系统的资源分配，所以在还需要有应用程序，用户才能操作系统。为了保护核心并让容易开发软件，操作系统除了核心程序之外，通常还会提供一整组开发接口，也就是系统呼叫层。