计算机概论

0.1 电脑

计算机：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。

0.1.1 电脑硬件的五大单元

五大单元：输入单元、输出单元、CPU内部的控制单元、CPU内部的算术逻辑单元。内存。
主机里面都有什么呢？ 其实主机最主要的就是一块主板，上面安装了中央处理器（CPU）以及内存、硬盘（或储存卡）还有一些适配卡设备。那么整台机器最重要的就是中央处理器（CPU），CPU就是一个具有特定功能的芯片，里面含有指令集。你想让主机完成某个功能的话，那么你就要考虑你的CPU里是否有实现对应功能的指令集。

CPU的重点是运算与判断，但是数据是从哪来呢？CPU处理的数据全部是由内存来的，内存中的数据则是有输入单元所输入进来的，而CPU处理完的数据也必须先写回内存才能被输出单元输出出来。

0.1.2 CPU

既然说CPU的功能是管理与运算，那么CPU内又可以分成两个重要的单元，算术逻辑单元和控制单元。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个周边组件与各单元间的工作。

CPU中含有指令集，那么设计指令集也有两种设计理念：精简指令集（RISC）、复杂指令集（CISC）。

$\bullet$   精简指令集（Reduced Instruction Set Computer）
这种的CPU设计指令比较精简，每一个指令的执行周期短,完成的操作也很简单，指令的执行性较佳，但是要完成一个复杂的任务的话需要大量的指令。常见的RISC的指令集CPU有甲骨文公司的SPARC系列、ARM公司的ARM CPU等等。

$\bullet$   复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
CISC在指令集的每个小指令集可以执行一些较为低级的硬件操作，指数目多而且复杂，每条指令的长度并不相同。因为指令比较复杂所以执行时间较长，但是每个指令能处理的 工作较为丰富。常用的CISC指令集的CPU有英特尔和ARM的x86架构的CPU。

0.1.3 其他单元的设备

$\bullet$   系统单元：包括CPU、内存及相关组件，还有很多硬件接口以及相关的适配卡。
$\bullet$   存储单元：包括内存与辅助存储。其中辅助存储就是大家常听到的存储设备，包括硬盘、软盘、光盘、磁带等等。
输入、输出单元：键盘、触控屏、显示器等等。

0.1.4 运作流程

拿人体作比喻的话。CPU相当于大脑，控制身体的各部分的活动；内存就是在大脑中存放数据的区块；硬盘就是相当于大脑中存放记忆的记忆块，内存存储的是当前CPU需要处理的数据，然后硬盘存储的是暂时不需要处理的数据；主板就是神经系统，将电脑中的所有的组件连接起来；各项接口设备就是相当于手、胳膊、眼睛、嘴、鼻子，与外界互动；显卡相当于脑袋中的影像，就相当于来自眼睛的刺激然后传入到大脑中；主机电源相当于心脏，没电啥也没用。

0.1.5 电脑上常用的计量单位

0.容量单位
比特：bit
字节：Byte
千字节；Kilo
兆字节：Mega
吉字节：Giga
万亿字节：Tera
千万亿字节：Peta
百亿亿字节： Exa
$$1字节=8位$$
$1K=1024B1K=1024M1G=1024G1T=1024G...$

0.2 个人电脑架构与相关组件设备

一般的，人们常说的电脑就是x86个人电脑架构。

早期的芯片通常分为两个网桥来控制个组件之间的通信，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。但是现代的北桥往往被整合到CPU中。

0.2.1 执行脑袋运算与判断的CPU

$\bullet$   多核：所谓的多核其实就是一个核的物理外壳，里面含有两个及以上的CPU单元。
$\bullet$   频率：频率就是CPU每秒钟可以进行的工作次数。
CPU的主频也就是时钟频率包括两部分：外频与倍频系数（倍频），两者的乘积就是主频。
$\bullet$   位宽：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。

0.2.2 内存

个人电脑的内存只要组件为动态随机存取（DRAM），随机读写内存只有在通电时才能记录与使用，断电之后数据就消失。因此我们也称这种RAM为挥发性内存。

$\bullet$   多通道设计：我们前面说过CPU所需要处理的所有数据都会存储在内存，所以内存的数据位宽当然是越宽越好的。但是传统的总线位宽一般是64位，所以芯片场就把两个内存放在一起，一根如果可以存储64位的话，那么两根就可以变成128位。这就是双通道的设计理念。
$\bullet$   二级缓存：我们知道CPU需要的数据都要从内存中读取，但是CPU到内存之间还要通过CPU内存控制器，但是我们如果将一些常用的数据直接放置到CPU内部的话会大大提高效率，这就是二级缓存的设计理念。由于我们这个二级缓存需要与CPU的运行的效率是一致的，因此我们选用静态随机存储器（SRAM），SRAM在设计上晶体管较多，价格较高，且不易做成大容量。
$\bullet$   只读存储器（ROM）：Basic Input Output System（BIOS）是一个程序，这个程序是写死到主板上的一个存储芯片中，这个存储芯片在没有通电是也能记录数据，这就是只读存储器。只读存储器是非易失性存储器。

0.2.3 显卡

显卡对于图形影像的显示扮演者相当重要的角色。一般来说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是会占用内存的，因此显卡上面会有集成的内存被称为显存，这个显存会影响到你的屏幕分辨率和颜色深度。

0.2.4 硬盘与存储设备

$\bullet$   硬盘：电脑处理数据的时候我们总不能每次都现输入，所以需要有个东西存储和读取我们写过的数据，这个东西就是硬盘。硬盘其实是由许许多多的圆形碟片、机械手臂。磁头和主轴马达所组成。实际的数据都是写在具有磁性物质的碟片上，通过机械手臂上的磁头写入。实际的运作中就是主轴马达带动圆形碟片转动然后机械手臂上的磁头进行读和写的操作。

$\bullet$   固态硬盘（solid-state drive）：我们传统的磁盘有个很严重的问题就是时延，假设我们数据分布的比较分散，然后我们传统磁盘必须启动马达然后一个一个的读取，这样的话时延就会相对较大。后来很多厂商去拿闪存去制作磁盘，但是这种已经不能再成为磁盘了，它既没有马达也没有磁头，于是我们给他了一个新的命字就叫做固态硬盘。它不用转动马达而是直接利用闪存直接读写的特性，而且耗电量也比较小。

$\bullet$   缓冲存储器（缓存）：我们的硬盘上都有一个缓冲存储器，这个内存主要将硬盘常用的数据存起来便于下一次的使用。而且缓存很快，比我们在传统磁盘上找东西要快很多，所以缓存的容量越大越好。

0.3 数据表示方式

常见的字符编码为ASCll，简体中文编码主要有GB23及UTF-8两种，目前主流为UTF-8。

0.4 软件运行程序

计算机的灵魂就在于软件，下面我们就简单看看软件。

0.4.1 机器语言程序与编译型程序

$\bullet$   机器语言：用二进制代码表示的计算机可以直接识别和执行的一种机器指令的集合。

$\bullet$   高级语言：高级语言就是，人类学会了基本的语法就可以看懂的语言，我们写好高级语言，然后交给编译器，编译器会给我们翻译成机器语言，然后交给计算机并执行。

0.4.2 操作系统

$\bullet$   操作系统其实也是一组程序，这组程序的重点在于 管理电脑的所有活动以及驱动系统中的所有硬件。
$\bullet$   操作系统的内核是参考硬件规格写成的，所以同一个操作系统程序不能够在不一样的硬件架构下运行。
$\bullet$   操作系统只是管理整个硬件资源，包括CPU、内存、输入输出设备及文件系统等。
$\bullet$   应用程序的开发都是参考操作系统提供的API，所以该应用程序只能在该操作系统上运行，不能在其它的操作系统上运行。

内核功能：系统调用接口、进程管理、内存管理、文件系统管理、设备驱动

操作系统知识系统十分的庞大，大家如果感兴趣的话可以认真的单独学一下这类知识~

注：以上所有的知识参考的是鸟哥的《鸟哥的LINUX私房菜基础篇》