书籍 | 《鸟哥的Linux私房菜》第一章 计算机概论

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引言

《鸟哥的Linux私房菜》，

这本书非常经典，

至今仍然蝉联

最受欢迎华语Linux书籍第一的位置，

无人能撼动。

小媛儿瞻仰鸟哥已久，

决定凑凑热闹翻翻看~

01 计算器定义

接受用户输入指令或数据，经由中央处理器的数学和逻辑单元运算处理后，以产生或存储成有用的信息。

02 硬件组成

计算机硬件组成，依外观主要分为三部分

• 输入设备：键盘、鼠标、手写板等
• 主机：机壳内部的主板，以及其上安插的CPU、主存、磁盘、适配卡等
• 输出设备：屏幕、打印机等

其中主机中最重要的是中央处理器（CentralProcessing Unit,CPU）

CPU可分为：

• 算数逻辑单元：进行程序运算与逻辑判断
• 控制单元：协调各周边组件及各单元间的工作

计算机硬件五大单元：

• 输入单元
• 输出单元
• 算数逻辑单元
• 控制单元
• 记忆单元

五大单元的相关性如下图所示：

Tips:

CPU内部的数据传输：

输入单元-->主存-->CPU-->主存-->输出单元，CPU中所有的数据都要经过主存储器传输。

如果主存不够大，大容量数据无法被完整的加载，此时主存需要先释放暂时不用的数据。

通常主存越大系统速度越快，因为系统不用常常释放主存数据，这也是为什么，加大主存容量对加快系统性能有很好的成效。

03 计算机分类

1.超级计算机

特点：运行最快，维护、操作费用高

应用：需要高速计算的任务，如国防军事、气象预测、太空科技

2.大型计算机

特点：具有多个高速的CPU，功能不及超级计算机，但也可用来处理大量的计算

应用: 大型企业主机、数据库服务器、全国性证券交易所

3.迷你计算机

特点：具有大型计算机的同时支持多用户的特性，不必像前两种计算机需要特殊的空调场所，可以在一般环境中作业。

应用：科学研究、工程分析与工厂流程管理

4.工作站

特点：性能稳定、针对特殊用途而设计的计算机，价格相对前三种便宜

应用：学术研究、工程分析

5.微电脑

特点：体积小、价格低、功能五脏俱全

应用：个人计算机（笔记本、台式机）属于这一类

04 常用计量单位（速度、容量）

常用的单位和进位制

速度单位

• CPU指令周期：MHz、GHz
• 网络传输：Mbps

（每秒多少Mbits，市面上所说的20M/5M宽带，对应2.5Mbyte/s和625Mbyte/s上传和下载速度）

一般来说，

文件容量使用二进制方式，1GByte大小的文件实际为 1024*1024*1024Byte ，速度单位通常用十进制，如1GHz就是1000*1000*1000 Hz

Tips：

为什么新买的500GB硬盘，格式化之后只剩下460GB左右的容量？

硬盘制造厂商以十进制为单位，500GByte代表500*1000*1000*1000Byte，转成文件的容量单位时使用二进制，所以就只有466*1024*1024*1024Byte，即466GB的容量。

05 x86架构

早期芯片组通常用两个网桥来进行各个组件的沟通

• 北桥：负责连接速度较快的CPU、主存储器与显示适配器
• 南桥：负责连接速度较慢的硬盘、USB、网卡等

南北桥架构问题：

CPU读写主存储器的动作，需要北桥的支持，速度慢，并且会瓜分掉北桥的总可用带宽。

现在计算机的架构

• 将北桥整合到CPU内部，速度较快。
• 每个组件与CPU的沟通可以有很多不同形式 例如主存储器使用系统总线带宽与CPU沟通，而显示适配器则通过PCI-E的序列通道设计来与CPU沟通。

06 相关设备组件

1.CPU

设计理念

• 精简指令集（RISC）

特点：

·指令集精简，每个指令的执行时间较短

·指令完成动作单纯，执行效能好

·若要完成复杂工作，需要多条指令

举例：

·Oracle的SPARC

·IBM的Power Architecture

·ARM的ARM CPU

• 复杂指令集（CISC）

特点：

·指令数目多而复杂，长度不等

·指令可以执行低阶的硬件操作

·指令执行时间长

·个别指令可以处理复杂工作

举例：

·X86架构的CPU

工作频率

• 外频：CPU与外部组件进行数据传输时的速度。由于早期CPU架构是通过北桥来链接系统最重要的CPU，主存与显示适配器，因此每个设备的工作频率相同，这个工作频率就是所谓的CPU外频。
• 倍频：CPU内部用来加速工作效能的一个倍数，外频*倍频=主频（内频）

比如：Intel Core2 E8400的内频为3.0GHz，外频为333MHz，倍频=3.0GHz/333MHz=9，（1G=1000M）。

• 超频：更改主板的设定功能，来提高CPU的倍频或外频。

Tips：

现在的Intel的CPU主动帮你超频。

比如小媛儿的CPU是Intel XeonE5 v3，基本频率为2.8GHz，通过Intel的turbo技术，如果没有大量的运算需求（图左），CPU的频率会降到1.2GHz，倍频=12；当有大量运算时（图右），CPU频率提高到2.8GHz，倍频=28。

Tips:

CPU频率是CPU每秒工作次数，每次工作都可以运行少数指令;CPU频率越高，CPU单位时间内可以做的事情越多。

但是，不同CPU的指令集不同，架构也不见得相同，每次频率能够进行的工作指令数也不相同，因此选购电脑时，频率参数目前只能用来比较同款CPU的速度。

2.主存

个人计算机的主存储器为动态随机存取内存DRAM，随机存取内存只有在通电时才能记录和使用，断电后数据就消失，因此我们也称这种RAM为挥发性内存。

主存的多通道设计：

传统的总线宽度一般大约仅达64位，为了要加大这个带宽，芯片组厂商将两个主存储器汇整在一起，如果一支内存可达64位，两支内存可以达到128位，这就是双通道设计思想。

大多数笔记本厂商都会设计两个内存卡槽，只需要安装同等规格的两个内存，就可实现双通道。

4.L2 Cache

除了主存储器外，整部个人计算机还有许许多多的内存存在，最为我们所知的是CPU内的第二层高级缓存。

CPU与主存之间需要通过内存控制器，如果某些很常用的程序或数据可以放置到CPU内部，即第二层快取（L2 Cache)中，L2 Cache速度接近CPU频率，计算机效能会大大提升。

L2 Cache要求速度快，DRAM是无法满足这个频率速度的，一般采用随机静态存取内存SRAM。

5.ROM(只读存储器)

绑在硬件上面的控制软件——韧体，很多都是写入只读存储器ROM中。

如BIOS是系统在开机时首先会去读取的一个小程序，这套程序是写死在主板上的内存芯片中。

这种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（ROM）。

Tips：

计算机发展速度较快，因此BIOS程序代码也可能需要做适当修改才行，在主板官网上能找到BIOS的更新程序。

但是BIOS原本使用的是无法改写的ROM，根本无法修正BIOS程序代码，因此，现在BIOS通常是写入类似flash或EEPROM中。

6.显示适配器（VGA）

图像影像的显示重点在于分辨率与颜色深度。

每个图像显示的颜色会占用掉内存，因此显示适配器上会有一个内存，显示适配器内存容量将会影响到你的屏幕分辨率与颜色深度。

随着3D游戏和3D动画的流行，显示适配器的运算能力越来越重要。

早期3D的运算是交给CPU去运作，但是CPU并非完全针对3D来进行设计的，而且CPU平时已经比较忙碌，所以显示适配器厂商直接在显示器上嵌入一个3D加速的芯片，这就是所谓的GPU。

7.硬盘

机械硬盘（3.5寸、2.5寸）的组成：许许多多圆形磁盘盘、机械手臂、磁盘读取头与主轴马达。

读写主要是通过在机械手臂上的读取头来完成的。实际运作时，主轴马达让磁盘盘转动，机械手臂可伸展让读取头在磁盘盘上头进行读取动作。

Tips:

因为关机时机械手臂必须要回到原位，所以最好使用正常关机方式，才能够有比较好的硬盘保养。

固态硬盘 VS 机械硬盘

• 机械硬盘（HDD)，需要取动马达去转动磁盘盘，会造成很严重的磁盘读取延迟，如果数据放置的比较分散，那么读写的速度会延迟更明显。
• 固态硬盘(SSD)，用闪存制作的高容量设备，通过内存直接读写的特性，因此除了没有数据延迟且快速之外，还很省电。

小媛儿把“古董”笔记本换了固态硬盘，换下的1T机械硬盘用做移动硬盘，这样既有固态硬盘的速度，又有机械硬盘的容量。

07 软件程序

1.操作系统

操作系统是一组程序，用于管理计算机的所有活动以及驱动系统中的所有硬件。

为了防止用户不小心对核心程序的破坏，核心程序放置到内存当中的区块是受保护的，并且开机后就一直常驻内存。

2.系统呼叫/调用

为了保护核心，并且让程序设计师比较容易开发软件，操作系统除了核心外，通常还会提供一整组开发接口，也就是系统呼叫（调用）层，软件工程师只要遵循公认的系统调用参数来开发软件，该软件就能够在核心运行。

3.应用程序

应用程序是参考操作系统提供的开发接口所开发出来的软件，这些软件可以让用户操作，以达到某些计算机的功能利用。

比如，办公软件，图像处理软件，浏览器软件。

作者：葡萄媛

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