Linux學習日記第一篇——計算機概論

一、什麼是計算機

計算機，是用以接受使用者輸入指令與資料，在經過中央處理器的資料與邏輯單元運算處理後，能產生或儲存成有用的資訊的機器。例如，我們日常生活當中所使用的ATM提款機、膝上型電腦等等，都屬於計算機。

二、個人計算機架構與介面裝置

1. 計算機硬體的組成

• 輸入單元： 如鍵盤、滑鼠、觸控式螢幕等

• 輸出單元： 如螢幕、印表機等

• 控制單元：位於CPU內部，用以協調各元件與單元之間的工作

• 算術邏輯單元： 位於CPU內部，用以程式運算與邏輯判斷

• 記憶體： CPU與外界資料連線的橋樑，CPU要處理的資料要從記憶體中讀出，處理完的資料會存入到記憶體中

值得關注的是，在隨後的發展當中，為了滿足不同情況的需求，計算機又進行了外部儲存的擴充套件，成為了今天我們所看到的硬碟、U盤、光碟等，它們統稱為外部儲存裝置

2.計算機的架構

一般消費者常常使用的計算機通常指的是x86的個人計算機架構，主要有兩大開發商，Intel和AMD，他們的CPU架構不相容，設計理念也有所區別。因為目前x86的CPU主要廠商是Intel，所主要闡述Intel的主機板架構。

Intel 主機板架構

2.1 南北橋

在整個主機板上，最重要的是晶片組，而晶片組通過兩個橋接器來控制各個元件的通訊，稱為南橋和北橋。

• 南橋：負責連線速度較慢的周邊介面，如硬碟、USB等

• 北橋：負責連線速度較快的CPU、記憶體與顯示卡等部件

目前，北橋所支援的頻率可以達到333/400/533/800/1066/1333/1600MHz，能夠應用於不同的情況。北橋所支援的頻率稱為前端匯流排速度（Front Side Bus， FSB），每次傳送的位數則是匯流排寬度，常見的有32位/64位。每秒鐘傳送的最大資料量用匯流排頻寬來衡量，匯流排頻寬 = “FSB × 匯流排寬度”。

CPU每次能夠處理的資料量稱為字組大小（Word Size），字組大小依據CPU的設計而有32位與64位，如果是32位，我們就稱該計算機是32位的！！

2.2 中央處理器CPU

如果將人和計算機進行一個類比，會發現有很多相似之處，這是人類根據現有事物為基礎，進行理論設計的證明。例如，計算機中的中央處理器（Central Processing Unit， CPU），類似於人類的大腦，能夠集中處理計算機獲取到的外界資訊。

CPU本身，是一個具有特定功能的晶片，裡面含有微指令集，包含控制單元、算術邏輯單元，能夠完成管理與運算的工作。其中，算術邏輯單元主要負責程式運算與邏輯判斷，控制單元則主要協調各元件與各單元間的工作。

CPU的分類

• 精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer， RISC）

這種指令集較為精簡，指令長度較短，完成的操作簡單，執行的效果良好，但要完成複雜的事情，需要由多個指令來完成

• 複雜指令集（Complex InstructionSet Computer， CISC）

不同於RISC，CISC的微指令集能夠執行一些較低階的硬體操作，指令數目較多並且複雜，指令長度不同，完成指令相應操作的時間較長

** RISC和CISC常見型別和應用 **

CPU連線的其他裝置

將CPU比作大腦是貼切的，但要完成計算機相應的任務，還需要其他的元件。除了前面提到的輸入單元、輸出單元、記憶體之外，還需要連線一些外圍的裝置，稱為介面裝置。

主要的介面裝置有：

• 儲存裝置：硬碟、光碟、U盤等

• 顯示裝置：與顯示屏的精度、色彩與解析度直接相關

• 網路裝置：連線外圍網路

AMD與Intel的晶片組架構的區別在於，記憶體直接與CPU通訊，不經過北橋。為了加速兩者的通訊，AMD將記憶體控制組件整合到CPU當中。這是AMD和Intel兩種CPU在架構上的主要區別。

3.記憶體

記憶體，是計算機內部的儲存器。CPU進行處理的資訊都是來自於記憶體，包括軟體程式和資料。目前我們使用的計算機的記憶體主要元件為動態隨機訪問記憶體（Dynamic Random Access Memory， DRAM），並且只有當它在通電的時候才能記錄使用，斷電後丟失。

• 容量：由於所有的資料都是從記憶體讀取到CPU內部的，因此如果記憶體不夠大，將會導致某些大容量資料無法被完整載入。通常記憶體越大表示系統越快，因為系統不需要常常釋放一些記憶體內部的資料

• 雙通道：由於所有供給CPU處理的資訊都在記憶體中，因此記憶體的資料寬度越大越好。通常的做法是將兩個64位的記憶體條彙總在一起，組成一個128位的資料寬度。另外，兩個記憶體條的型號最好相同，這是為了同步寫入/讀出資料，這樣才能夠提升整體的頻寬

• 記憶體與CPU頻率：理論上說，CPU頻率和記憶體的外頻應當是一致的比較好。如CPU的外頻為333MHz，則應該用記憶體外頻為333MHz的記憶體

其他類別的內部儲存器

• 靜態隨機訪問記憶體：相比較於DRAM，靜態隨機訪問記憶體（Static Random Access Memory， SRAM）最大的特點是訪問速度更快。它使用電晶體數量較多，價格較高，不易做成大容量。通常應用在CPU內部的第二層快取L2 Cache上，以加快CPU的執行效能

• 只讀儲存器：ROM（Read Only Memory， ROM），作為一種非揮發性儲存器，其內部儲存的內容不會因為斷電而丟失，它在計算機內部中有極其重要的應用。例如開機時會首先讀取的程式BIOS（Basic Input Output System），它的程式就是寫在ROM上。

4.顯示卡

顯示卡，又稱為VGA（Video Graphics Array），應用於計算機中圖形影像的顯示。一般對於圖形影像的顯示重點在於解析度與色彩深度，因為每個影象顯示的顏色會佔用記憶體，因此顯示卡上面會有一個記憶體的容量，這個顯示卡的容量會最終影像螢幕解析度與色彩深度。

對於一些需求高質量畫質遊戲的使用者來說，顯示卡是需要重點考慮的物件

5.硬碟與儲存裝置

除了前面提到的內部儲存器外，計算機仍然需要其他的儲存方式來儲存一些可能不常用、但需要重新讀入的資訊，如小眾的應用程式。值得注意的是，這種儲存器屬於外部儲存器，CPU無法直接進行操作，只有當資訊讀入到記憶體之後，CPU才能進行處理。

常用的硬碟與儲存裝置有硬碟、軟盤、CD、U盤等。另外，對於大型機器的區域網儲存裝置（SAN、NAS）等，也可以用來儲存資料。不過，最主要的儲存裝置還是硬碟。

5.1 硬碟

硬碟由許多的碟片、機械臂、磁頭和主軸馬達組成。儲存的資料寫在具有磁性物質的碟片上，通常，為了加大容量，硬碟內部會有兩個以上的碟片。在執行時，由主軸馬達控制碟片轉動，機械臂伸展讓讀取頭在碟片上進行讀取的操作。

5.2 傳輸介面

目前，硬碟與主機系統的連線主要有三種，IDE、SATA、SCSI介面。

• IDE介面：IDE介面插槽使用的排線較寬，每條排線上面可以連線兩個IDE裝置，由磁碟驅動器調整跳針來判別裝置的主從（Master/Slave）架構

• SATA介面：每條SATA連線線僅能接一個SATA裝置。SATA介面速度很快，並且由於其排線較為細小，有利於主機殼內部的散熱與安裝

• SCSI介面：SCSI介面應用於工作站級別以上的硬碟傳輸，這種介面的硬碟在控制器上含有一塊處理器，所以除了運轉速度很快之外，消耗的CPU資源也較少

6.PCI適配卡

外設部件互聯標準（Peripheral Component Interconnect, PCI）,簡稱PCI。PCI插槽可以提供給多個使用者，如果使用者有額外需要的功能卡，就能夠安插在這種PCI介面插槽上。不過，由於各個元件的成本一直在下降，主機板上面集成了相當多的元件裝置，如音效卡、網絡卡、USB控制卡等，所以現在的主機板上面所安插的PCI適配卡就少很多。

目前，由於PCI Express的快速發展，很多製造商都往PCIe介面發硬件，不過仍然有很多的硬體使用PCI介面。

7.主機板

主機板是整個主機當中相當重要的一部分，我們所談論的所有元件都是安插在主機板上面的。在主機板上，負責各個元件之間通訊的就是晶片組，晶片組由北橋和南橋組成。北橋負責CPU/RAM/VGA等的連線，南橋則負責PCI介面與速度較慢的I/O裝置。

• 晶片組：晶片組是依據CPU的能力進行規劃的，所以在購買或升級主機的時候，需要綜合考慮CPU、主機板、記憶體與相關的介面裝置。如果是整合的晶片組，只需要購買CPU、主機板、記憶體等，不過效能上相對較弱；如果是獨立型晶片組，則在更換的時候需要額外負擔介面裝置如音效卡、顯示卡等的花費，但效能較強

• 裝置I/O地址和IRQ中斷通道：I/O地址用於標記各個裝置，被標記的裝置可以通過IRQ中斷通道知道目前CPU的工作狀態，以方便CPU進行工作分配的任務

• CMOS和BIOS：CMOS用以記錄主機板上面的重要引數如系統時間、CPU電壓和頻率、各項裝置的I/O地址和IRQ等。BIOS為寫入到主機板上某一塊快閃記憶體或EEPROM的程式，在開機的時候執行，它會載入CMOS中的引數，呼叫儲存裝置中的開機程式，進一步進入到作業系統中

值得關注的是，主機板上面的晶片組是一塊散熱很多的元件，因此常常需要使用一些手段進行散熱，如熱傳導。另外，使用CMOS進行引數的記錄時，需要耗電，這也是為什麼主機板需要安裝電池。

三、計算機的軟體程式

計算機的組成由硬體和軟體共同組成，兩者相輔相成，不存在優先順序之分。沒有硬體，計算機無法搭載軟體，沒有軟體，計算機只是一堆無用的機器。目前，計算機系統將軟體程式分為兩大類，系統軟體和應用程式。

1.機器程式與編譯程式

計算機在工作時，內部只能夠辨識由0和1編寫的機器程式，編寫難度很大。另外，由於不同的CPU的微指令架構也不同，在一臺計算機上編寫的程式往往難以應用到另一臺計算機上。為此，電腦科學家設計出一類符合人們思維方式的程式語言，如C、C++、Java、Fortran等。編寫完成之後，通過編譯器轉化成為機器程式，交付給機器執行。

2.作業系統

在早期，要讓計算機執行程式必須得參考一堆硬體功能函式，每次寫程式時都需要重新改寫，而硬體與軟體的功能往往不一致，這極大的阻礙了計算機的發展。為了解決這個問題，人們將所有的硬體都驅動，只提供一個開發軟體的參考介面，以此來降低開發軟體的難度，這種架構就稱之為作業系統。

作業系統，在本質上，也屬於一組程式，它的重點在於管理計算機的所有活動以及驅動系統中的所有硬體，所有的硬體操作都是由作業系統控制的。作業系統又分為核心和系統呼叫兩部分，分別掌管內部硬體控制和外部軟體介面。

核心：

在硬體具體操作的實現上，是由作業系統的核心完成的。由於這部分內的程式至關重要，所以一般的使用者是不會接觸到的。核心能夠實現如裝置驅動、多工管理排程等功能。

系統呼叫：

在作業系統上進行軟體開發時，開發人員只需要遵循軟體開發介面的規則，不需要關注核心引數等問題。例如我們編寫C語言的程式時，只需要關注C語言的語法，系統內部介面會將C語言的相關語法轉換成可以瞭解的任務函式，這樣核心就能夠順利執行該程式。

值得關注的是，作業系統的核心層是根據硬體寫成的，因此不同的作業系統不能應用在不同的硬體架構上，例如Windows 32位作業系統和64位作業系統。另外，外部應用程式的開發也是如此，例如在Windows上開發的一些程式不能夠應用在Linux上。對於一個應用廠商而言，要在一臺計算機中使用他們製作的硬體，必須要寫一套與該作業系統配套的硬體驅動程式，利用驅動程式來驅動他們製作的硬體。

3.應用程式

應用程式是依據作業系統給出的開發介面所開發出來的軟體，使用者能夠直接操作這些軟體，實現某些使用者預期的要求。例如Chrome瀏覽器、MarkdownPad 2編輯器、CCleaner清理器等。同樣的，在不同系統下開發的應用程式可能無法相容，例如Windows XP和Windows 7，在Windows XP上無法執行辦公室軟體，而Windows 7則可以。