海创软件组-20200531-Linux的学习-计算机概论0.1

…计算机其实是：接受用户输入的命令与数据，经由中央处理器的算术与逻辑单元运算处理后，产生或存储成有用的信息。因此，只要有输入设备 （不管是键盘还是触摸屏）及输出设备（例如电脑屏幕或直接由打印机打印出来），让你可以输入数据使该机器产生信息的 ，那就是一台计算机了。

电脑硬件的五大单元

一台台式电脑，依照外观可以分为三部分：
①输入单元：包括键盘、嵌标、读卡器、扫描仪、手写板、触控屏幕等；
②主机部分：这个就是系统单元，被主机机箱保护着，里面含有一堆板子、CPU 与内存等；
③输出单元：例如屏幕、打印机等。
…主机里面最重要的就是一块主板，上面安装了中央处理器（CPU)以及内存、硬盘（或存储卡）还有一些适配卡设备。

CPU 为一个具有特定功能的芯片，里面含有指令集，如果你想要让主机进行什么特殊的功能，
就得要参考这块 CPU 是否有相关内置的指令集才可以 。 
由于 CPU 的工作主要在于管理与运算，因此在 CPU 内又可分为两个主要的单元，
分别是：算术逻辑单元与控制单元 。
其中算术逻辑单元主要负责程序运算与逻辑判断，
控制单元则主要协调各周边组件与各单元间的工作。

既然 CPU 的重点是在进行运算与判断，那么要被运算与判断的数据是从哪里来的呢？
CPU 读取的数据都是从内存来的，内存中的数据则是从输入单元所传输进来的，
而 CPU 处理完毕的数据也必须要先写回内存，最后数据才从内存传输到输出单元。

…为什么说要加快系统性能 ， 通常将内存容量力口大就可以获得相当好的效果？
因为所有的数据都要经过内存的传输 ，所以内存的容量如果太小，数据读写性能就不足，对性能的影响相当大 。 尤其在 Linux 作为服务器操作系统的环境下，这点特别要注意。

目前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

这种 CPU 的设计中，指令集较为精简，每个指令的运行时间都很短，完成的操作也很简单，指令的执行性能较佳；但是若要做复杂的事情，就要由多个指令来完成。 …在应用方面，SPARC CPU 的电脑常用于学术领域的大型工作站中，包括银行金融体系的主服务器也都有这类的电脑架构；那 ARM 公司的 ARM 呢？你常使用的各品牌手机、 PDA 、 导航系统、网络设备（交换机 、 路由器）等，几乎都是使用 ARM 架构的 CPU 。 目前世界上使用范围最广的 CPU 可能就是 ARM 这种架构。

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，每条指令的长度并不相同 。 因为指令执行较为复杂，所以每条指令花费的时间较长，但每个单条指令可以处理的工作较为丰富 。
…由于 AMD、Intel 、 VIA 所开发出来的 x86 架构 CPU 被大量使用于个人电脑 （ Persona l Computer),因此，个人电脑常被称为 x86 架构电脑。 那为何称为 x86 架构？这是因为最早的那块 InteI 研发出来的 CPU 代号称为 8086 ，后来依此架构叉开发出 80286 、80386 等，因此这种架构的 CPU 就被称为x86 架构了 。
…在 2003 年以前由Intel 所开发的 x86 架构 CPU 由 8 位升级到 16 、 32 位，后来 AMD 依此架构修改新一代的 CPU 为 64 位，为了区别两者的差异，因此 64 位的个人电脑 CPU 又被统称为 x86-64 架构。
那么不同的 x86 架构的 CPU 有什么差异呢？
除了 CPU 的整体结构（如二级缓存 、 命令执行周期数等）之外，主要是在于指令集的不同。新的 x86 的 CPU 大多含有很先进的指令集，这些指令集可以加速多媒体程序的运行，也能够增强虚拟化的性能，而且某些指令集更能够增加能源利用效率，让CPU 耗电量降低。 由于电费越来越高，购买电脑肘，除了整体的性能之外，节能省电的 CPU 也可以考虑 。

 所谓的位（ bit ），指的是 CPU 一次读取数据的最大量 。
 64 位 CPU 代表 CPU 一次可以读写64位的数据，
 32位CPU则是CPU一次能读取32位的意思。
 因为CPU读取数据量有限制，因此能够从内存中读写的数据也就有所限制。
 所以，一般32 位的CPU所能读写的最大数据量 ，大概就是 4GB 。

在主机机箱内的设备大多是通过主板 （ Motherboard）连接在一起，主板上面有个连接沟通所有设备的芯片组，这个芯片组可以将所有单元的设备连接起来，好让 CPU 可以通过这些设备执行命令。
①系统单元：系统单元包括 CPU 与内存及主板相关组件。 而主板上面其实还有很多的硬件接口与相关的适配卡，显卡等。尤其是显卡，这东西对于玩 3D游戏来说是非常重要的组件，它与显示的精细度、色彩与分辨率都有关系 。
②存储单元：包括内存（ Main Memory, RAM）与辅助存储，其中辅助存储其实就是存储设备，包括硬盘 、 软盘、光盘、磁带等。
③输入、输出单元：同时涵盖输入输出的设备最常见的大概就是触摸屏了 。 至于单纯的输入设备除键盘鼠标外，目前的体感设备也是重要的输入设备。 至于输出设备方面，除了屏幕外，打印机、扬声器、HDMI 电视、投影仪、蓝牙耳机等都算。

电脑的运作流程

① CPU＝脑袋：每个人会做的事情都不一样（指令集的差异），但主要都是通过脑袋来判断与控制身体各部分的活动 。
② 内存＝脑袋中存放正在被思考的数据的区块：在实际活动过程中，我们的脑袋需要有外界剌激的数据（例如光线、境、语言等）来分析，那这些互动数据暂时存放的地方就是内存，主要是用来提供给脑袋判断用的信息 。
③硬盘＝脑袋中存放回忆的记忆区块：跟刚刚的内存不同，内存是提供脑袋目前要思考与处理的信息，但是有些生活琐事或其他没有要立刻处理的事情，就当成回忆先放置到脑袋的记忆深处吧 ！那就是硬盘。 主要目的是将重要的数据记录起来，以便未来将这些重要的数据（经验）再次使用 。
④主板＝神经系统：好像人类的神经一样，将所有重要的组件连接起来，包括手脚的活动都是脑袋发布命令后，通过神经（主板）传导给手脚来进行活动 。
⑤各项接口设备＝人体与外界沟通的孚、脚、皮肤、眼睛等：就好像手脚一般，是人体与外界互动的重要关键。
⑦显卡＝脑袋中的影像：将来自眼睛的剌激转成影像后在脑袋中呈现，所以显卡所产生的数据源也是 CPU 控制的。
⑧主机电源（ Power）＝心脏：所有的组件要能运行得要有足够的电力供给才行。 这电力供给就好像心脏一样，如果心脏不够有力，那么全身也就无法动弹 。 心脏不稳定呢？那你的身体当然可能就断断续续地不稳定了。
…由这样的关系图当中，我们知道整个活动中最重要的就是脑袋。 而脑袋当中与现在正在进行的工作有关的就是 CPU 与内存。 任何外界的接触都必须要由脑袋中的内存记录下来，然后脑袋中的 CPU依据这些数据进行判断后，再发布命令给各个接口设备 。 如果需要用到过去的经验，就得从过去的经验（硬盘）当中读取。
…也就是说，整个人体最重要的地方就是脑袋，同样的，整部主机当中最重要的就是 CPU 与内存，而 CPU 的数据源通通来自于内存，如果要由过去的经验来判断事情时，也要将经验（硬盘）挪到目前的记忆（内存）当中，再交由 CPU 来判断，这点得要再次强调 。

电脑上面常用的计算单位

容量单位

…电脑对数据的判断主要依据有没有通电来记录信息,所以理论上对于每一个记录单位而言，它只认识0与1而已。0/1 这个二进制的的单位我们称为位（bit ，亦称比特）。 但位实在太小了，所以在存储数据时每份简单的数据都会使用到 8 个位的大小来记录，因此定义出字节（Byte ）这个单位，它们的关系为：1 字节＝ 8 位
…不过同样的，字节还是太小了，在较大的容量情况下，使用字节不容易判别数据的大小，举例来说，1000000 字节这样的显示方式你能够看得出有几个零吗？所以后来就有一些常见的简化单位表示法，例如 K 代表 1024,M 代表 1024K 等 。 而这些单位在不同的进位制下有不同的数值表示：
一般来说，数据容量使用的是二进制的方式，所以1GB的文件大小实际上为：1024×1024×1024B这么大。速度单位则常使用十进制，例如1GB就是1000×1000×1000Hz的意思。

速度单位

CPU 的命令周期常使用 MHz 或是 GHz 之类的单位，这个 Hz 其实就是“次数／秒”的意思 。 而在网络传输方面，由于网络使用的是位（.bit ）为单位，因此网络常使用的单位为Mbit/s 即是每秒多少 Mbit。 举例来说，大家常听到的“20M/5M ”光纤传输速度，如果转成数据容量的字节时，其实理论最大传输值为：每秒 2 .5MB／每秒625KB 的下载或上传速度。

 那么什么是“进制 ” 呢？
 以人类最常用的十进制为例，每个位置上面最多仅能有一个数值，这个数值不可以比 9 还要大 。 
 那比 9 还大怎么办？
 就用“第二个位置来装一个新的1”。所以，9还是只有一个位置，10 则是用了两个位置 。 
 那如果是 16 进位怎么办？
 由于每个位置只能出现一个数值，但是数字仅有 0 ～ 9 而已 。
 因此16 进位中，就以 A 代表 10 的意思，以 B 代表11 的意思 
 所以16 进位就是 0-9 、 A 、B 、C 、 D 、 E 、F 
 有没有看到，“每个位置最多还是只有一个数值而已” 。
 而二进制，因为每个位置只能有 0 和1 而已，不能出现 2（ 逢 2 进 l 位）。

个人电脑架构与相关设备组件

…由于主板是连接各组件的一个重要部分，因此在主板上连接各部分组件的芯片组，其设计优劣， 就会影响性能 。 早期的芯片组通常分为两个网桥来控制各组件的通信，分别是：( 1 ）北桥，负责连接速度较快的 CPU 、内存与显卡等组件；（ 2）南桥，负责连接速度较慢的设备接口，包括硬盘、USB 设备、网卡等。 不过由于北桥最重要的就是 CPU 与内存之间的桥接，因此在目前的主
流架构中，大多将北桥的内存控制器整合到了 CPU 当中。

…早期芯片组分南北桥，北桥可以连接 CPU 、 内存与显卡 。 只是如果 CPU 有读写到内存的操作 ， 还需要北桥的支持，也就是 CPU 与 内存的交流 ， 会消耗掉北桥的总可用带宽 。因此目前将内存控制器整合到 CPU 后，CPU 与内存之间的通信是直接交流 ， 速度较快之外 ，
也不会消耗更多的带宽 。

…x86 个人电脑的 CPU 主要提供商为Intel 与 AMD ，目前（ 2015 ）主流的 CPU 都是双核以上的架构 。 原本的单内核 CPU 仅有一个运算单元，所谓的多内核则是在一块 CPU 封装当中嵌入了两个以上的运算内核，简单说，就是一个物理的 CPU 外壳中，含有两个以上的 CPU 单元 。不同的 CPU 型号大多具有不同的针脚（ CPU 上面的插脚），能够搭配的主板芯片组也不同，所以当你想要将主机升级时，不能只考虑 CPU ，还得要留意你的主板所支持的 CPU 型号。 不然买了最新的 CPU 也不能够安插在你的旧主板上 。

…不同的指令集会导致 CPU 工作效率的高低。 除了这点之外，CPU 性能的比较还有什么呢？那就是 CPU 的频率。 什么是频率。简单说，频率就是 CPU 每秒钟可以进行的工作次数 。 所以频率越高表示这块 CPU 单位时间内可以做更多的事情 。 举例来说，Intel 的i7-4790 CPU 频率为 3.6GHz ，表示这块 CPU 在一秒内可以进行3.6x10⁹ 次工作，每次工作都可以进行少数的指令执行之意。

注意，不同的 CPU 之间不能单纯地以频率来判断运算性能
这是因为每块 CPU 的指令集不同，架构也不见得一样，可使用的 二级缓存及其运算机制可能也不同
，加上每一次频率能够进行的工作指令数也不同
所以，频率目前仅能用来比较同款 CPU 的速度。

在早期的 CPU 设计中
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 CPU 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。
超频指的是 将 CPU 的倍频或是外频通过主板提供的设置功能更改成较高频率的一种方式 。
但因为 CPU 的倍频通常在出厂时已经被锁定而无法修改 ，因此通常被超频的为外频。

…与 CPU 的频率类似，内存也有其工作频率，这个频率的限制还是来自于 CPU 中的内存控制器所决定 。 CPU 内置的内存控制芯片对内存的工作频率最高可达到1600MHz ，这只是工作频率（每秒几次）。 一般来说，每个时钟周期能够传输的数据量，大多为 64 位，这个 64 位就是所谓的“位宽”了 。与总线位宽相似的，CPU 每次能够处理的数据量称为字长（ word size ），字长依据 CPU 的设计而有 32 位与 64 位 。 我们现在所称的电脑是 32 或 64 位主要是依据这个 CPU 解析的字长而来的 。 早期的 32 位 CPU 中，因为 CPU 每次能够解析的数据量有限，因此由内存传来的数据量就有所限制，这也导致32 位的 CPU 最多只能支持最大到 4GB 的内存 。

得益于北桥整合到 CPU 内部的设计， CPU 得以单独与各个组件进行通信 。 因此，每种组件与 CPU 的通信具有很多不同的方式 。 例如内存使用系统总线带宽来与 CPU 通信，而显卡则通过 PCI击的序列信道设计来与 CPU 通信 。
… 在每一个 CPU 内部将重要的寄存器（register) 分成两组，而让程序分别使用这两组寄存器 。 也就是说，可以有两个程序“同时竞争 CPU 的运算单元”，而非通过操作系统的多任务切换 。 这一过程就会让CPU 好像“同时有两个内核”的样子。因此 ，虽然大部分 i7 级别的 CPU 其实只有四个物理内核，但通过HT技术，则操作系统可以检测到八个内核，并且让每个内核逻辑上分离，就可以同时运行八个程序 。

服务器所需要的内存速度更快 。 因此，除了双通道之外 ，中级服务器也经常提供三通道，甚至四通道的内存环境。

只读存储器（ROM）
…主板上面的组件是非常多的，而每个组件的参数又具有可调整性 。 举例来说，CPU 与内存的频率是可调整的；而主板上面如果有内置的网卡或显卡时，该功能是否要启动与该功能的各项参数，是被记录到主板上面的一个称为 CMOS 的芯片中，这个芯片需要借着额外的电源来使用记录功能，这也是为什么你的主板上面会有一块纽扣电池的缘故。
…那 CMOS 内的数据如何读取与更新昵？
还记得你的电脑在开机的时候可以按下 ［ Del］按键来进入一个名为 BIOS 的界面吧？ BIOS是一个程序，这个程序是写死到主板上面的一个存储芯片中，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。ROM 是一种非易失性的存储。 另外，BIOS 对于个人电脑来说是非常重要的，因为它是系统在启动的时候首先会去读取的一个小程序。
…另外，固件(firmware)很多也是使用 ROM 来进行软件的写入。 固件像软件一样也是一个被电脑所执行的程序 ， 然而它是对于硬件内部而言更加重要的部分 。 例如 BIOS 就是一个固件， BIOS 虽然对于我们日常操作电脑系统没有什么太大的关系，但是它却控制着启动时各项硬件参数的获取。 所以我们会知道很多的硬件上面都会有 ROM 来存储固件。
…BIOS 对电脑系统来讲是非常重要的，因为它掌握了系统硬件的详细信息与启动设备的选择等 。 但是电脑发展的速度太快了，因此BIOS 程序代码也可能需要作适度的修改才行，所以你才会在很多主板官网找到 BIOS 的更新程序 。 但是 BIOS 原本使用的是无法改写的 ROM ，因此根本无法修改 BIOS 程序代码 。 而现在的 BIOS 通常是写入类似闪存（ flash ） 或 EEPROM存储硬件中 。

 固件就是固定在硬件上面的控制软件。

显卡

…显卡又称为 VGA (Video Graphics Array )， 它对于图形影像的显示扮演着相当关键的角色 。 一般对于图形影像的显示重点在于分辨率与颜色深度，因为每个图像显示的颜色会占用内存，因此显卡上面会有集成内存并被称为显存，这个显存容量将会影响到你的屏幕分辨率与颜色深度 。
…除了显存之外，现在由于3D游戏与一些3D动画的流行，因此显卡的运算能力越来越重要 。 一些3D的运算任务早期是由 CPU 完成,但是 CPU 并非完全针对这些3D运算需求来进行设计的，而且CPU平时已经非常忙碌了。所以后来显卡厂商直接在显卡上面嵌入一个 3D 加速的芯片，这就是所谓的 GPU 称谓的由来。
…显卡主要也是通过 GPU 的控制芯片来与 CPU 、内存等通信。 如前面提到的，对于图形影像（ 尤其是 3D 游戏）来说，显卡也是需要高速运算的一个组件，所以数据的传输也是越快越好。 因此显卡
的规格由早期的 PCI 升级为 AGP ，近期 AGP 又被PCI-Express 所取代。

硬盘与存储设备

…电脑总是需要记录与读取数据的，而这些数据当然不可能每次都由用户经过键盘来打字，所以就需要有存储设备 。 电脑系统上面的存储设备有：硬盘、软盘、MO 、CD 、DVD 、磁带机、U 盘，还有新一代的蓝光光驱等，乃至于大型计算机的局域网络存储设备（ SAN与 NAS ）等，都是可以用来存储数据的，而其中最常见的应该就是硬盘了吧 ！

…由于碟片是圆的，并且通过机器手臂去读写数据，碟片要转动才能够让机器手臂读写 。 因此，通常数据写入当然就是以圆圈转圈的方式读写 。 所以，当初设计就是在类似礁片同心圆上面切出一个一个的小区块，这些小区块整合成一个圆形，让机器手臂上的磁头去读写 。 这个小区块就是磁盘的最小物理存储单位，称之为扇区（sector），同一个同心圆的扇区组合成的圆就是所谓的磁道（ track ） 。 由于磁盘里面可能会有多个碟片，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（ cylinder ） 。
…我们知道同心圆外圈的圆比较大，占用的面积比内圈多。所以，为了合理利用这些空间，外围的圆会具有更多的扇区。此外，当碟片转一圈时，外圈的扇区数量比较多，因此如果数据写入在外圈，转一圈能够读写的数据量当然比内圈还要多 。 因此通常数据的读写会由外圈开始往内写，这是默认方式 。
…另外，原本硬盘的扇区都是设计成 512B的大小，但因为近期以来硬盘的容量越来越大，为了减少数据量的拆解 ，所以目前绝大部分的高容量硬盘已经使用了 4KB 大小的扇区设计 ，购买的时候也需要注意一下 。也因为这个扇区的设计不同，因此在磁盘的分区方面，目前有旧式的 MBR 模式（ MS-DOS兼容模式），以及较新的 GPT 模式。 在较新的 GPT 模式下，碰盘的分区通常使用扇区号码来划分，跟过去旧的MS-DOS是通过柱面号码来划分的情况不同。

传输接口

…为了提升磁盘的传输速度，磁盘与主板的连接接口也经过多次的改良，因此有许多不同的接口 。传统磁盘接口包括有 SATA 、 SAS 、
IDE 与 SCSI 等。 若考虑外接式磁盘，那就还包括了 USB 、 eSATA
等接口 。 不过目前IDE 已经被 SATA 取代，而SCSI 则被 SAS 替换，因此我们下面将仅介绍 SATA 、USB 与 SAS 接口 。