LINUX基础学习——计算机概论

一、电脑-辅助人脑的工具

计算机：接受使用者输入指令与数据，经由中央处理 器的数学与逻辑单元运算处理后， 以产生或储存成有用的信息。（那么由这句话我们就可以理解计算机实质上就是接受、处理、产生数据的机器）

计算机的主要组原件

输入单元：键盘、鼠标、读卡机、扫描仪、手写板、触摸屏等等；

主机部分：这个就是系统单元，被主机机箱保护住了，里面含有一堆板子、CPU 与内存 等；

输出单元：例如屏幕、打印机等等

CPU

主机的重点——中央处理器CPU是一个含有微指令集的具有特定功能的芯片，CPU的特异功能取决于微指令集。其内部可以被分为两部分—算数逻辑单元（程序的运算逻辑判断）与控制单元（协调周边原件和各个元件之间的合作）

CPU的核心功能就是运算与判断

CPU运算的数据来源于内存，内存的数据来自输入单元，CPU运算出的数据先储存到内存再储存到输出单元

五大原件的具体关系如下

CPU中含有许多微指令，软件的功能实现大多通过CPU中内置的微指令集，微指令集主要衍生出两种设计思路，分别是：精简指令集 （RISC） 与复杂指令集 （CISC），他们分别是是目前CPU的两种主要架构。

他们的区别如下

精简指令集 （Reduced Instruction Set Computer, RISC）：

 这种 CPU 的设计中，微指令集较为精简，每个指令的执行时间都很短，完成的动作也很单 纯，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。

复杂指令集（Complex Instruction Set Computer, CISC）：

与RISC不同的，CISC在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 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， 但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。

X86架构：

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（Personal computer）用途上面， 因此，个人电脑常被称为x86架构的电脑

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的 架构

X86CPU之间的区别主要在于微指令集的不同，他们决定了特定程序的速度、虚拟图像的处理、功耗等CPU的特性

其他单元的设备

主板：主板上面有个链接沟通所有设备的芯片组，这个芯片组可以将 所有单元的设备链接起来， 便于 CPU 对这些设备下达命令

系统单元：系统单元包括 CPU 与内存及主板相关元件

存储单元：包括内存 （main memory, RAM） 与辅助内存

输入、输出单元

运行流程

按用途分类的电脑：

超级计算机（Supercomputer） 超级计算机是运行速度最快的电脑，但是他的维护、操 作费用也最高！主要是用于需要有高速计算的计划中。

大型计算机（Mainframe Computer） 大型计算机通常也具有数个高速的CPU，功能上虽 不及超级计算机，但也可用来处理大量数据与复杂的运算。 例如大型企业的主机、全国 性的证券交易所等每天需要处理数百万笔数据的企业机构， 或者是大型企业的数据库服 务器等等。

迷你电脑（Minicomputer） 迷你电脑仍保有大型计算机同时支持多使用者的特性，但是 主机可以放在一般作业场所， 不必像前两个大型计算机需要特殊的空调场所。

工作站（Workstation） 工作站的价格又比迷你电脑便宜许多，是针对特殊用途而设计的 电脑。在个人电脑的性能还没有提升到目前的状况之前， 工作站电脑的性能/价格比是所 有电脑当中较佳的，因此在学术研究与工程分析方面相当常见。

微电脑（Microcomputer） 个人电脑就属于这部份的电脑分类，也是我们本章主要探讨的 目标！体积最小，价格最低，但功能还是五脏俱全的！ 大致又可分为桌上型、笔记型等 等。

电脑上面常用的计算单位 （容量、速度等）：

电脑的运算能力除了 CPU 微指令集设计的优劣之外，但主要还是由速度来决定的。至于存放 在电脑储存设备当中的数据容量也是有单位的。

下面是单位的换算：

1 Byte = 8 bits

1K = 1024Byte

二、个人电脑架构与相关设备元件

 

Intel芯片架构

主板是链接各个元件的重要项目，，因此在主板上面沟通各部元件的芯片组设计优劣， 就会影响性能不少

（1）北桥：负责链接速度较快的CPU、内存与显卡接口等元件；

（2）南桥：负责连接速度 较慢的设备接口， 包括硬盘、USB、网卡等等。

（目前大部分的北桥已经内嵌入CPU，便于超频）

执行脑袋运算与判断的 CPU

 由于CPU负责大量运算，因此 CPU通常是具有相当高发热量的元件。所以如果你曾经拆开过主板， 应该就会看到CPU上头 通常会安插一颗风扇来主动散热的。

x86个人电脑的CPU主要供应商为Intel与AMD，目前（2015）主流的CPU都是双核以上的架 构了！ 原本的单核心CPU仅有一个运算单元，所谓的多核心则是在一颗CPU封装当中嵌入了 两个以上的运算核心， 简单的说，就是一个实体的CPU外壳中，含有两个以上的CPU单元就 是。

不同的CPU型号大多具有不同的脚位（CPU上面的插脚），能够搭配的主板芯片组也不同， 所以打算主机升级时，不能只考虑CPU，还要留意你的主板上面所支持的 CPU型号。

CPU的工作频率：外频与倍频

早期的 CPU 架构主要通过北桥来链接系统最重要的 CPU、内存与显卡设备。因为所有的设 备都得通过北桥来链接，因此每个设备的工作频率应该要相同。 于是就有所谓的前端总线 （FSB） 这个东西的产生。但因为 CPU 的运算速度比其他的设备都要来的快，又为了要满足 FSB 的频率，因此厂商就在 CPU 内部再进行加速， 于是就有所谓的外频与倍频了。

CPU的等级：

由于x86架构的CPU在Intel的Pentium系列（1993年）后就有不统一的脚位与设计，为了将不 同种类的CPU规范等级， 所以就有i386,i586,i686等名词出现了。

基本上，在Intel Pentium MMX与AMD K6年代的CPU称为i586等级， 而Intel Celeron与AMD Athlon（K7）年代之后的45 32位CPU就称为i686等级。 至于目前的64位CPU则统称为x86_64等级。

内存

到CPU所使用的数据都是来自于内存（main memory），不论是软件程序还是数据， 都必须要读入内存后CPU才能利用。 个人电脑的内存主要元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。因此我们也称这种RAM为挥发性内存。

DRAM根据技术的更新又分好几代，而使用上较广泛的有所谓的SDRAM与DDR SDRAM两 种。 这两种内存的差别除了在于脚位与工作电压上的不同之外，DDR是所谓的双倍数据传送 速度（Double Data Rate）， 他可以在一次工作周期中进行两次数据的传送，感觉上就好像46 是CPU的倍频啦！ 所以传输频率方面比SDRAM还要好。新一代的PC大多使用DDR内存了。 下表列出SDRAM与DDR SDRAM的型号与频率及带宽之间的关系。

 DDR SDRAM又依据技术的发展，有DDR, DDR2, DDR3, DDR4等等，其中，DDR2 的频率 倍数则是 4 倍而DDR3 则是 8 倍。

多通道设计：由于所有的数据都必须要存放在内存，所以内存的数据宽度当然是越大越好。 但传统的总线 宽度一般大约仅达64位，为了要加大这个宽度，因此芯片组厂商就将两个内存汇整在一起， 如果一支内存可达64位，两支内存就可以达到128位了，这就是双通道的设计理念。

如上所述，要启用双通道的功能必须要安插两支（或四支）内存，这两支内存最好连型号 都一模一样比较好， 这是因为启动双通道内存功能时，数据是同步写入/读出这一对内存中， 如此才能够提升整体的带宽啊！ 所以当然除了容量大小要一致之外，型号也最好相同。（除了双通道，中阶层服务器也常常提供三通道，甚至四信道的内存环境）

DRAM与SRAM

内存条以外，事实上电脑中还有狠毒内存存在，最为我们所知的就 是CPU内的第二层高速缓存内存。如果某些很常用的程序或数据可以放置到CPU内部的话， 那么CPU数据的读取就不需要跑到内存重新读取了！

这就是第二层高速缓存的设计概念。第二层高速缓存与内存及CPU的关系如下图所示：

 因为第二层高速缓存（L2 cache）整合到CPU内部，因此这个L2内存的速度必须要CPU频率 相同。 使用DRAM是无法达到这个频率速度的，此时就需要静态随机存取内存（Static Random Access Memory, SRAM）的帮忙。

RAM在设计上使用的电晶体数量较多，价格 较高，且不易做成大容量，不过由于其速度快， 因此整合到CPU内成为高速缓存内存以加快 数据的存取是个不错的方式。

只读存储器（ROM）

主板上面的元件是非常多的，而每个元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者是显卡时，该功能是否要启动与该功能 的各项参数， 是被记录到主板上头的一个称为CMOS的芯片上，这个芯片需要借着额外的电源来发挥记录功能， 这也是为什么你的主板上面会有一颗电池的缘故。

值得一提的是：BIOS（Basic Input Output System）是一套程序，这套程序是写 死到主板上面的一个内存芯片中， 这个内存芯片在没有通电时也能够将数据记录下来，那就 是只读存储器（Read Only Memory, ROM），ROM是一种非挥发性的内存。

另外，固件（firmware）很多也是使用ROM来进行软件的写入的。 固件像软件一样也是 一个被电脑所执行的程序，然而他是对于硬件内部而言更加重要的部分