《鳥哥 Linux 私房菜：基礎篇》Chapter 00 - 計算機概論

• 第一篇：Linux 的規劃與安裝
  • Chapter 00 計算機概論
  • Chapter 01 Linux 是什麼與如何學習
  • Chapter 02 主機規劃與磁碟分割
  • Chapter 03 安裝 CentOS7.x
  • Chapter 04 首次登入與線上求助
• 第二篇：Linux 檔案、目錄與磁碟格式
• 第三篇：學習 Shell 與 Shell Scripts
• 第四篇：Linux 使用者管理
• 第五篇：Linux 系統管理員

0.1 電腦：輔助人腦的好工具

電腦其實是一種計算機，而計算機的即是：「接受使用者輸入指令與資料，經由中央處理器的數學與邏輯單元運算處理後，以產生或儲存成有用的資訊。」

0.1.1 電腦硬體的五大單元

依外觀來分類，有三大類：

• 輸入單元：鍵盤、滑鼠、觸控螢幕等。
• 主機部分：這個就是系統單元，被主集殼保護住了，裡面包含一堆板子、CPU 與主記憶體。
• 輸出單元：螢幕、印表機等。

整部主機的重點：中央處理器（Central Processing Unit, CPU）。
CPU 為一個具有特定功能的晶片，裡面含有 微指令集。如果想要主機進行什麼功能，要先確認微指令集中是否有內建。CPU 的主要工作是管理與計算，因此 CPU 又可以分成兩個重要單元：算數邏輯單元 與 控制單元。前者負責運算與邏輯判斷，後者負責協調元件間與單元間的工作。

綜合以上所說，可以分成五大單元：

• 輸入單元
• 輸出單元
• CPU 內部的控制單元
• CPU 內部的算數邏輯單元
• 主記憶體

0.1.2 一切設計的起點：CPU 的架構

目前常見的 CPU 架構：

• 精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer, RISC）
  • 精簡
  • 指令時間短，完成事件單純
  • 執行效能佳
  • 若要做複雜的事需要多個指令完成
  • 目前使用範圍最廣的事 ARM 架構
• 複雜指令集（Complex Instruction Set Computer, CISC）
  • 每個小指令可以執行一些較低階的軟體操作
  • 指令數目多、複雜
  • 花費時間較長
  • 一個指令中可以處理的工作較為豐富

0.1.3 其他單元的設備

• 系統單元：如上圖，包括 CPU 與記憶體及主機板相關元件。
• 記憶單元：包括主記憶體（main memory, RAM）與輔助記憶體（硬碟、光碟等）。
• 輸入、輸出單元：螢幕、喇叭 etc。

0.1.4 運作流程

0.1.5 電腦用途的分類

• 超級電腦
• 大型電腦
• 迷你電腦
• 工作站
• 微電腦：個人電腦屬於這一分類

0.1.6 電腦上面常用的計算單位（容量、速度等）

• 容量單位
  • 電腦只認識 0 與 1，這個二進位的單位稱為 bit。
  • 1 Byte = 8 bits
  • 接續由小至大：Kilo, Mega, Giga, Tera, Peta, Exa, Zetta
  • 一般來說，檔案容量是二進位制
• 速度單位
  • CPU： MHz, GHz
  • 網路：Mbps (Mbits per second)
  • 一般來說，速度單位是十進位制

0.2 個人電腦架構與相關設備元件

早期的晶片溝通：

• 南僑：負責連接較快的 CPU、主記憶體與顯示卡介面等。
• 北橋：負責連接速度較慢的裝置介面，包括硬碟、USB等。

目前大多將北橋記憶控制整合到 CPU 的封裝中囉！

Asus 主機版：

0.2.1 執行腦袋運算與判斷的 CPU

時脈：CPU 每秒鐘可以進行的工作次數

• 外頻與倍頻
  • 外頻：CPU 外部元件進行資料傳輸時的速度
  • 倍頻：CPU 內部用來加速工作效能一個倍數
  • 兩者相乘才是 CPU 的時脈速度
• 32 位元與 64 位元的 CPU 匯流排「寬度」
  • CPU 的各項資料都得通過主記憶體才能進行，因此主記憶體能提供給 CPU 的資料量越大，效能就會比較快
  • CPU 每次能處理的資料量，稱為字組大小（32 位元、64 位元）
  • 32 位元 MAX: 4 GBytes
  • 64 位元 MAX: 12.8 GBytes（1600 MHz 64 bit = 1600 MHz 8 bytes = 12.8 GBytes）
• CPU 等級
  • 依據不同的腳為設計有 i386, i586, i686
• 超執行緒（Hyper-Threading, HT）
  • 目前 CPU 都至少雙核心以上，因此運算常處閒置狀態，若 CPU 可以假象的同時執行兩個程序，可以讓系統效能增加

0.2.2 記憶體

1. CPU 所使用的資料都是來自於主記憶體
2. 個人電腦的主記憶體主要元件為動態隨機存取記憶體（通電使用、斷電消失）
3. 以伺服器來說，主記憶體容量有時比 CPU 更重要。

• 多通道設計
  • 所有資料都必須存放在主記憶體，所以寬度越大越好，但傳統的匯流排關僅大約 64 位元，為了加大寬度，將兩個主記憶體彙整再一起，就是雙通道的設計理念。
• DRAM 與 SRAM
  • 電腦中還有許多其他記憶體存在，最主要的是 第二層快取記憶體 ，如果很常用的放到 CPU 內部就不需要跑到主記憶體重新讀取了。
  • 
  • 因第二層快取速度必須與 CPU 時脈相同，DRAM 無法達到這個時脈速度，就需要靜態隨機存取記憶體（SRAM）的幫忙。
• 唯讀記憶體（ROM）
  • BIOS（Basic Input Output System）是一套寫死在主機板上的程式，沒有通電時也能夠將資料記錄下來，那就是唯讀記憶體（Read Only Memory, ROM）。

0.2.3 顯示卡

1. 顯示卡又成為 VGA（Video Graphic Array）
2. 影響螢幕解析度與色彩深度

目前主要連接介面：

• D-Sub（VGA 端子）
• DVI
• HDMI
• Display port

0.2.4 硬碟與儲存設備

• 硬碟的物理組成
  • 
  • 許多圓型磁碟盤、機械手臂、磁碟讀取頭與主軸馬達組成。
• 磁碟盤上的資料
  • 
• 傳輸介面
  • SATA 介面
  • SAS 介面
  • USB 介面
  • 固態硬碟（Solid State Disk, SSD）

0.2.5 擴充卡與介面

• 多通道卡（例如 x8 的卡）安裝在少通道插槽（例如 x4 的插槽）的可用性

0.2.6 主機板

• 發揮擴充卡效能須考慮插槽位置
• 設備 I/O 位址與 IRQ 中斷通道
  • I/O 位置類似門牌號碼，獨立唯一
  • IRQ 類似各個門牌號碼連接到郵件中心（CPU）的專門路徑
• CMOS 與 BIOS
  • CMOS：紀錄主機板重要參數，如系統時間、CPU 電壓與頻率等等
  • BIOS 為寫入主機板的程式，可以在開機時執行
• 連接周遭設備的介面

0.2.7 電源供應器

• 能源轉換率：輸出功率／輸入功率

0.2.8 選購須知

• 伺服器建議購買，不要自己組裝
• 速度的快慢與「整體系統的最慢那個有關」

0.3 資料表示方式

• 電腦: 0 跟 1。
• 人類
  • 數值通常是十進位
  • 文字方面則有上百種語言

探討數值與文字的編碼系統，建立與電腦溝通的橋樑！

0.3.1 數字系統

• 二進位轉十進位【乘法】
  • 1101010 = 1x26 + 1x25 + 0x24 + 1x23 + 0x22 + 1x21 + 0x20 = 64 + 32 + 0x16 + 8 + 0x4 + 2 + 0x1 = 106
• 十進位轉二進位【除法】
  • 

0.3.2 文字編碼系統

• 英文：ASCII
• 中文：原為 Big5，後為 Unicode 編碼系統（又稱 UTF8 或萬國碼）

0.4 軟體程式運作

「硬體之於身體，軟體之於靈魂。」

軟體分成兩大類：

• 系統軟體
• 應用程式

0.4.1 機器程式與編譯程式

為了讓人類更容易與電腦溝通，電腦科學家發明了「編譯器」，將程式語言轉譯成機器語言。目前常見的編譯器有 C, C++, Java, Fortran 等。

0.4.2 作業系統

在早期，如果想要讓電腦執行程式，要參考硬體功能函數，並使用機器語言溝通。同時，每次寫程式都必須要重新改寫，因為硬體與軟體功能不見得一致。

那倘若能將所有硬體都驅動，並使用一個參考介面來讓工程師開發軟體... 於是，作業系統就誕生了！

• 作業系統核心（Kernel）
  • 作業系統（Operating System, OS），是一組程式，管理電腦的所有活動以及驅動系統中的硬體。
  • 作業系統的功能：讓 CPU 判斷邏輯與運算、讓主記憶體載入／讀出資料與程式碼、讓硬碟被存取、讓網路卡傳輸資料、讓周邊運轉等等。
  • 以上這些功能就是作業系統的核心（Kernel）
  • 核心程式所放置到記憶體當中的區塊是受保護的，並且開機後就常駐在記憶體當中。
• 系統呼叫（System Call）
  • 
  • 作業系統通常會提供一整組開發介面給工程師開發軟體。
  • 硬體不同，如 X86 與 RISC 架構的 CPU，核心就需進行修改。
  • 統整：
    • 作業系統核心參考硬體規格寫成的，同一個作業系統不能在不同硬體架構下運作。
    • 作業系統只是在「管理」整個硬體資源。
    • 應用程式的開發是參考「作業系統」提供的開發介面，因此應用程式只能在該作業系統運作。
• 核心功能
  • 系統呼叫介面（System Call Interface）
  • 程序管理（Process Control）
  • 記憶體管理（Memory Management）
  • 檔案系統管理（Filesystem Management）
  • 裝置的驅動（Device Drivers）
• 作業系統與驅動程式
  • 驅動程式是作業系統中相當重要的一環，因為硬體也在持續進步當中，較新推出的硬體我們的作業系統也不認識，要驅動新硬體（如顯示卡），作業系統會提供開發介面給硬體開發商，讓他們藉此驅動他們硬體的驅動程式。

0.4.3 應用程式

應用程式是參考作業系統提供的開發介面，所開發出來的軟體，讓使用者操作以進行特別的利用，如 Office 是給使用者辦公使用、影像處理軟體用來處理影音資料等。

資料來源

鳥哥的 Linux 私房菜: http://linux.vbird.org/linux_basic/