chap 0 计算机概论 （鸟哥的Linux私房菜笔记）

• 开始短暂的20天暑假，终于可以开始啃这本书了。QAQ

电脑

五大单元

• 输入单元
• 输出单元
• CPU内部的 控制单元，算术逻辑单元
• 内存：基本上数据都是通过内存然后再从内存流出去的
  • CPU处理的数据完全来自于内存

CPU架构

• 使用的软件都要经过CPU内部的指令集来完成
• 最常见两种：精简指令集（RISC），复杂指令集（CISC）
• RISC
  • 每个指令的运行时间都很短，完成的操作也简单，指令的执行性能较佳
  • ARM，PowerPC, SPARC....
  • 手机、路由器....几乎都是使用ARM架构的CPU
• CISC
  • 每个小指令可以执行一些较低级的硬件操作，指令数目多且复杂
  • AMD， Intel, VIA等x86架构的CPU --> 常大量使用于个人电脑，个人电脑常被称为x86架构电脑
  • 不同的x86架构的cpu的差异主要是在：指令集的不同

运作流程

• cpu： 不同cpu的指令集有差异
• 内存
• 硬盘：要处理这部分的数据，则需要先被调入到内存中
• 主板：像人类神经一样，将所有重要的组件连接起来。CPU发命令，通过主板传到其他部分来完成。
• 各种接口设备
• 显卡：显卡所产生的数据源也是CPU控制的
• 主机电源

电脑的分类

• 超级计算机
• 大型计算机
• 迷你计算机
• 工作站： 强调稳定，运算正确
• 微电脑： 个人电脑属于这部分

常用的计算单位

• 数据容量使用的是二进制方法：1GB=1024*1024*1024B
• 字长：CPU每次能处理的数据量称为字长。
• 速度单位
  • 速度单位常使用十进制： 1GHz = 1*1000*1000*1000Hz
  • Hz: 次数/秒
  • 网络传输方面，常用bit, 常用Mbit/s

个人电脑架构与相关设备组件

• 主板是连接各个组件的重要部分，主板上连接各个组件的芯片组的优劣会影响性能。
• 早期芯片组分为：北桥和南桥
  • 北桥：负责连接速度较快的CPU, 内存与显卡等
  • 南桥：负责连接速度较慢的设备接口，如硬盘，USB设备，网卡等
• 目前主流的架构中，都将北桥的内存控制器整合到了CPU当中。

CPU

• 多内核CPU：一块CPU封装中嵌入了两个以上运算内核。一个物理CPU里面有两个以上的CPU单元。
• 不同的指令集会导致CPU工作效率的高低。
• CPU的工作频率：
  • 频率：CPU每秒可以进行的工作次数
  • 由于早期有北桥，所有的设备要通过北桥连接，因此各个设备工作频率要相同--〉前端总线（FSB）。
  • 为了满足FSB的频率，CPU内部加速。所以有外频和倍频。
  • 外频：CPU与外部组件进行速度传输时的速度。
  • CPU频率速度：外频*倍频。
• 现在有技术让CPU直接与内存、显卡等设备分别进行通信。不需要经过外部芯片。
• 现在没有所谓的北桥了，整合到CPU里了。CPU频率不需要考虑外频了。
• Intel的cpu会主动帮你超频。
• 超线程（Hyper-Threading，HT）
  • 在每个CPU内部将重要的寄存器分成两组，让程序分别使用这两组寄存器。
  • 可以有两个程序同时竞争一个CPU的运算单元，而非通过操作系统的多任务切换。

内存

• 个人电脑的内存主要组件是DRAM。
• DRAM：
  • 断电后数据消失
  • 通电才能记录和使用
  • 广泛的有SDRAM和DDR SDRAM
    • DDR：double data rate，一个工作周期里进行两次数据传输。
• 多通道设计
  • 双通道设计理念：一根内存可以达64 bits，两根就可以达128 bits
  • 内存插槽，容量相同的内存插在相同颜色的插槽中。
• DRAM和SRAM
  • CPU内有二级缓存（L2 Cache），使用SRAM。
  • ROM：
    • BIOS（Basic Input Output System）：是一个程序，写死到主板上的一个芯片中的，这个芯片在没有通电的时候也能记录数据，用的就是ROM。现在的BIOS通常写到类似flash或EEPROM。
    • 固件 firmware 很多也是使用ROM进行软件写入。

显卡

• 显卡又称VGA Video Graphics Array
• 显存：显卡里面会有集成内存，图像显示的颜色会占用内存
• GPU：在显卡上嵌入3D加速的芯片
• 显卡主要也是通过GPU的控制芯片来与CPU、内存等通信。
• 1024*768的分辨率中会有786432个像素。

硬盘与存储设备

• 硬盘由许多的圆形碟片、机械手臂、磁头与主轴马达所组成的。
• 主轴马达让碟片转动，机械手臂可以伸展让磁头在碟片上面进行读写的操作。
• 磁盘最小物理存储单元：扇区 sector
• 磁道 track：扇区形成的同心圆
• 柱面 cylinder：所有碟片上的同一磁道
• 传输接口：磁盘与主板的连接接口
  • SATA接口
  • SAS接口
  • USB接口
• SSD, solid state disk, 固态硬盘
  • 用闪存制作的
  • 不是传统意义上的磁盘：因为没有磁头与碟片，而都是闪存
  • 没有马达，不需要转动
• 缓冲存储器
  • 硬盘上面有一个缓冲存储器

主板

• I/O地址： 每个设备的门牌号
• IRQ中断（interrupt）：每个门牌号连接到CPU的专门路径。
• 各设备可以通过IRQ中断请求来告知CPU该设备的工作情况。
• CMOS和BIOS
  • CMOS主要功能：记录主板上的重要参数，记录需要用电，有个独立的电池。
  • BIOS：写入到主板上的flash或者EEPROM程序，可以在计算机启动的时候执行，以加载CMOS当中的参数，并尝试调用存储设备中的引导程序，进一步进入操作系统中。

操作系统 OS

操作系统内核 Kernel

• OS也是一组程序，重点在于管理电脑中的所有活动以及驱动系统中的所有硬件。
• 只有内核提供的功能，电脑系统才会帮你完成。
• 内核程序放置在内存当中的区块是受保护的，并且启动后就一直常驻在内存当中。
• OS的内核层直接参考硬件规格写成。
• 只要硬件不同，内核就要进行修改。

系统调度 system call

• 提供API

内核功能

• System call interface
• 进程管理 process control
• 内存管理 memory management
• 文件系统管理 filesystem management
• 设备驱动 device drivers