鸟哥的Linux私房菜(基础篇)-第零章、计算机概论（零.1）
最近更新日期：2009/08/03 1. 計(jì)算機(jī)：輔助人腦的好工具
1.1 計(jì)算機(jī)硬件的五大單元
1.2 CPU的種類
1.3 周邊設(shè)備
1.4 運(yùn)作流程
1.5 計(jì)算機(jī)分類
1.6 計(jì)算機(jī)上面常用的計(jì)算單位 (容量、速度等)
計(jì)算機(jī)：輔助人腦的好工具
進(jìn)入二十一世紀(jì)的現(xiàn)在，沒有用過計(jì)算機(jī)的朋友應(yīng)該算很少了吧？但是，你了解計(jì)算機(jī)是什么嗎？計(jì)算機(jī)的機(jī)殼里面含有什么組件？不同的計(jì)算機(jī)可以作什么事情？你生活周遭有哪些電器用品內(nèi)部是含有計(jì)算機(jī)相關(guān)組件的？底下我們就來談一談這些東西呢！
所謂的電腦就是一種計(jì)算機(jī)，而計(jì)算機(jī)其實(shí)是：『接受使用者輸入指令與數(shù)據(jù)，經(jīng)由中央處理器的數(shù)學(xué)與邏輯單元運(yùn)算處理后，以產(chǎn)生或儲(chǔ)存成有用的信息』。因此，只要有輸入設(shè)備 (不管是鍵盤還是觸控式螢?zāi)?及輸出設(shè)備(螢?zāi)换蛑苯哟蛴〕鰜?，讓你可以輸入數(shù)據(jù)使該機(jī)器產(chǎn)生信息的，那就是一部計(jì)算機(jī)了。
圖1.1.1、計(jì)算機(jī)的功能
根據(jù)這個(gè)定義你知道哪些東西是計(jì)算機(jī)了嗎？包括一般商店用的簡易型加減乘除計(jì)算機(jī)、打電話用的手機(jī)、開車用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、提款用的提款機(jī) (ATM)、你常使用的桌上型個(gè)人計(jì)算機(jī)、可攜帶的筆記型計(jì)算機(jī)還有這兩年 (2008, 2009) 很火紅的 Eee PC (或稱為 netbook) 等等，這些都是計(jì)算機(jī)！
那么計(jì)算機(jī)主要的組成組件是什么呢？底下我們以常見的個(gè)人計(jì)算機(jī)來作為說明。
計(jì)算機(jī)硬件的五大單元
關(guān)於計(jì)算機(jī)的組成部分，其實(shí)你可以觀察你的桌上型計(jì)算機(jī)分析一下，依外觀來說這家伙主要分為三部分：
- 輸入單元：包括鍵盤、鼠標(biāo)、讀卡機(jī)、掃描器、手寫板、觸控螢?zāi)坏鹊纫欢?#xff1b;
- 主機(jī)部分：這個(gè)就是系統(tǒng)單元，被主機(jī)機(jī)殼保護(hù)住了，里面含有 CPU 與主內(nèi)存等；
- 輸出單元：例如螢?zāi)弧⒋蛴C(jī)等等
我們主要透過輸入設(shè)備如鼠標(biāo)與鍵盤來將一些數(shù)據(jù)輸入到主機(jī)里面，然后再由主機(jī)的功能處理成為圖表或文章等信息后，將結(jié)果傳輸?shù)捷敵鲈O(shè)備，如螢?zāi)换蛴”頇C(jī)上面。重點(diǎn)在於主機(jī)里面含有什么組件呢？如果你曾經(jīng)拆開過計(jì)算機(jī)主機(jī)機(jī)殼，會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)主機(jī)里面最重要的就是一片主機(jī)板，上面安插了中央處理器 (CPU) 以及主內(nèi)存還有一些介面卡裝置而已。
整部主機(jī)的重點(diǎn)在於中央處理器 (Central Processing Unit, CPU)，CPU 為一個(gè)具有特定功能的芯片，里頭含有微指令集，如果你想要讓主機(jī)進(jìn)行什么特異的功能，就得要參考這顆 CPU 是否有相關(guān)內(nèi)建的微指令集才可以。由於 CPU 的工作主要在於管理與運(yùn)算，因此在 CPU 內(nèi)又可分為兩個(gè)主要的單元，分別是：算數(shù)邏輯單元與控制單元。(注1)其中算數(shù)邏輯單元主要負(fù)責(zé)程序運(yùn)算與邏輯判斷，控制單元?jiǎng)t主要在協(xié)調(diào)各周邊組件與各單元間的工作。
既然 CPU 的重點(diǎn)是在進(jìn)行運(yùn)算與判斷，那么要被運(yùn)算與判斷的數(shù)據(jù)是從哪里來的？CPU 讀取的數(shù)據(jù)都是從主內(nèi)存來的！主內(nèi)存內(nèi)的數(shù)據(jù)則是從輸入單元所傳輸進(jìn)來！而 CPU 處理完畢的數(shù)據(jù)也必須要先寫回主內(nèi)存中，最后數(shù)據(jù)才從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)捷敵鰡卧?/p>
綜合上面所說的，我們會(huì)知道其實(shí)計(jì)算機(jī)是由幾個(gè)單元所組成的，包括輸入單元、輸出單元、CPU內(nèi)部的控制單元、算數(shù)邏輯單元與主內(nèi)存五大部分。相關(guān)性如下所示：
圖1.1.2、計(jì)算機(jī)的五大單元(注2)
上面圖示中的『系統(tǒng)單元』其實(shí)指的就是計(jì)算機(jī)機(jī)殼內(nèi)的主要組件，而重點(diǎn)在於CPU與主內(nèi)存。特別要看的是實(shí)線部分的傳輸方向，基本上數(shù)據(jù)都是流經(jīng)過主內(nèi)存再轉(zhuǎn)出去的！至於數(shù)據(jù)會(huì)流進(jìn)/流出內(nèi)存則是CPU所發(fā)布的控制命令！而CPU實(shí)際要處理的數(shù)據(jù)則完全來自於主內(nèi)存！這是個(gè)很重要的概念喔！
而由上面的圖示我們也能知道，所有的單元都是由CPU內(nèi)部的控制單元來負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)的，因此CPU是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最重要部分！那么目前世界上有哪些主流的CPU呢？是否剛剛我們談到的硬件內(nèi)全部都是相同的CPU種類呢？底下我們就來談一談。
CPU的種類
如前面說過的，CPU其實(shí)內(nèi)部已經(jīng)含有一些小指令集，我們所使用的軟件都要經(jīng)過CPU內(nèi)部的微指令集來達(dá)成才行。那這些指令集的設(shè)計(jì)主要又被分為兩種設(shè)計(jì)理念，這就是目前世界上常見到的兩種主要CPU種類：分別是精簡指令集(RISC)與復(fù)雜指令集(CISC)系統(tǒng)。底下我們就來談?wù)勥@兩種不同CPU種類的差異！
- 精簡指令集(Reduced Instruction Set Computer, RISC)：(注3)
這種CPU的設(shè)計(jì)中，微指令集較為精簡，每個(gè)指令的執(zhí)行時(shí)間都很短，完成的動(dòng)作也很單純，指令的執(zhí)行效能較佳；但是若要做復(fù)雜的事情，就要由多個(gè)指令來完成。常見的RISC微指令集CPU主要例如升陽(Sun)公司的SPARC系列、IBM公司的Power Architecture(包括PowerPC)系列、與ARM系列等。
在應(yīng)用方面，SPARC架構(gòu)的計(jì)算機(jī)常用於學(xué)術(shù)領(lǐng)域的大型工作站中，包括銀行金融體系的主要服務(wù)器也都有這類的計(jì)算機(jī)架構(gòu)；至於PowerPC架構(gòu)的應(yīng)用上，例如新力(Sony)公司出產(chǎn)的Play Station 3(PS3)就是使用PowerPC架構(gòu)的Cell處理器；那ARM呢？你常使用的各廠牌手機(jī)、PDA、導(dǎo)航系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(交換器、路由器等)等，幾乎都是使用ARM架構(gòu)的CPU喔！老實(shí)說，目前世界上使用范圍最廣的CPU可能就是ARM呢！(注4)
- 復(fù)雜指令集(Complex Instruction Set Computer, CISC)：(注5)
與RISC不同的，CISC在微指令集的每個(gè)小指令可以執(zhí)行一些較低階的硬件操作，指令數(shù)目多而且復(fù)雜，每條指令的長度并不相同。因?yàn)橹噶顖?zhí)行較為復(fù)雜所以每條指令花費(fèi)的時(shí)間較長，但每條個(gè)別指令可以處理的工作較為豐富。常見的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架構(gòu)的CPU。
由於AMD、Intel、VIA所開發(fā)出來的x86架構(gòu)CPU被大量使用於個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal computer)用途上面，因此，個(gè)人計(jì)算機(jī)常被稱為x86架構(gòu)的計(jì)算機(jī)！那為何稱為x86架構(gòu)(注6)呢？這是因?yàn)樽钤绲哪穷wIntel發(fā)展出來的CPU代號(hào)稱為8086，后來依此架構(gòu)又開發(fā)出80286, 80386...，因此這種架構(gòu)的CPU就被稱為x86架構(gòu)了。
在2003年以前由Intel所開發(fā)的x86架構(gòu)CPU由8位升級(jí)到16、32位，后來AMD依此架構(gòu)修改新一代的CPU為64位，為了區(qū)別兩者的差異，因此64位的個(gè)人計(jì)算機(jī)CPU又被統(tǒng)稱為x86_64的架構(gòu)喔！
那么不同的x86架構(gòu)的CPU有什么差異呢？除了CPU的整體結(jié)構(gòu)(如第二層緩存、每次運(yùn)作可執(zhí)行的指令數(shù)等)之外，主要是在於微指令集的不同。新的x86的CPU大多含有很先進(jìn)的微指令集，這些微指令集可以加速多媒體程序的運(yùn)作，也能夠加強(qiáng)虛擬化的效能，而且某些微指令集更能夠增加能源效率，讓CPU耗電量降低呢！由於電費(fèi)越來越高，購買計(jì)算機(jī)時(shí)，除了整體的效能之外，節(jié)能省電的CPU特色也可以考慮喔！
例題： 最新的Intel/AMD的x86架構(gòu)中，請(qǐng)查詢出多媒體、虛擬化、省電功能各有哪些重要的微指令集？(僅供參考) 答：
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周邊設(shè)備
單有CPU也無法運(yùn)作計(jì)算機(jī)的，所以計(jì)算機(jī)還需要其他的周邊設(shè)備才能夠?qū)嶋H運(yùn)作。除了前面稍微提到的輸入/輸出設(shè)備，以及CPU與主內(nèi)存之外，還有什么周邊設(shè)備呢？其實(shí)最重要的周邊設(shè)備是主機(jī)板！因?yàn)橹鳈C(jī)板負(fù)責(zé)將所有的設(shè)備通通連接在一起，讓所有的設(shè)備能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)與溝通。而主機(jī)板上面最重要的組件就是主機(jī)板芯片組！這個(gè)芯片組可以將所有的設(shè)備匯集在一起！
其他重要的設(shè)備還有：
- 儲(chǔ)存裝置：儲(chǔ)存裝置包括硬盤、軟盤、光盤、磁帶等等；
- 顯示裝置：顯示卡對(duì)於玩3D游戲來說是非常重要的一環(huán)，他與顯示的精致度、色彩與解析度都有關(guān)系；
- 網(wǎng)絡(luò)裝置：沒有網(wǎng)絡(luò)活不下去啊！所以網(wǎng)絡(luò)卡對(duì)於計(jì)算機(jī)來說也是相當(dāng)重要的！
更詳細(xì)的各項(xiàng)周邊裝置我們將在下個(gè)小節(jié)進(jìn)行介紹！在這里我們先來了解一下各組件的關(guān)系！那就是，計(jì)算機(jī)是如何運(yùn)作的呢？
運(yùn)作流程
如果不是很了解計(jì)算機(jī)的運(yùn)作流程，鳥哥拿個(gè)簡單的想法來思考好了～假設(shè)計(jì)算機(jī)是一個(gè)人體，那么每個(gè)組件對(duì)應(yīng)到那個(gè)地方呢？可以這樣思考：
圖1.4.1、各組件運(yùn)作
- CPU=腦袋瓜子：每個(gè)人會(huì)作的事情都不一樣(微指令集的差異)，但主要都是透過腦袋瓜子來進(jìn)行判斷與控制身體各部分的活動(dòng)；
- 主內(nèi)存=腦袋中的記錄區(qū)塊：在實(shí)際活動(dòng)過程中，我們的腦袋瓜子能夠?qū)⑼饨绲幕?dòng)暫時(shí)記錄起來，提供CPU來進(jìn)行判斷；
- 硬盤=腦袋中的記憶區(qū)塊：將重要的數(shù)據(jù)記錄起來，以便未來將這些重要的經(jīng)驗(yàn)再次的使用；
- 主機(jī)板=神經(jīng)系統(tǒng)：好像人類的神經(jīng)一樣，將所有重要的組件連接起來，包括手腳的活動(dòng)都是腦袋瓜子發(fā)布命令后，透過神經(jīng)(主機(jī)板)傳導(dǎo)給手腳來進(jìn)行活動(dòng)啊！
- 各項(xiàng)周邊設(shè)備=人體與外界溝通的手、腳、皮膚、眼睛等：就好像手腳一般，是人體與外界互動(dòng)的重要關(guān)鍵！
- 顯示卡=腦袋中的影像：將來自眼睛的刺激轉(zhuǎn)成影響后在腦袋中呈現(xiàn)，所以顯示卡所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來源也是CPU控制的。
- 電源供應(yīng)器 (Power)=心臟：所有的組件要能運(yùn)作得要有足夠的電力供給才行！這電力供給就好像心臟一樣，如果心臟不夠力，那么全身也就無法動(dòng)彈的！心臟不穩(wěn)定呢？那你的身體當(dāng)然可能斷斷續(xù)續(xù)的～不穩(wěn)定！
由這樣的關(guān)系圖當(dāng)中，我們知道整個(gè)活動(dòng)中最重要的就是腦袋瓜子！而腦袋瓜子當(dāng)中與現(xiàn)在正在進(jìn)行的工作有關(guān)的就是CPU與主內(nèi)存！任何外界的接觸都必須要由腦袋瓜子中的主內(nèi)存記錄下來，然后給腦袋中的CPU依據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷后，再發(fā)布命令給各個(gè)周邊設(shè)備！如果需要用到過去的經(jīng)驗(yàn)，就得由過去的經(jīng)驗(yàn)(硬盤)當(dāng)中讀取羅！
也就是說，整個(gè)人體最重要的地方就是腦袋瓜子，同樣的，整部主機(jī)當(dāng)中最重要的就是CPU與主內(nèi)存，而CPU的數(shù)據(jù)來源通通來自於主內(nèi)存，如果要由過去的經(jīng)驗(yàn)來判斷事情時(shí)，也要將經(jīng)驗(yàn)(硬盤)挪到目前的記憶(主內(nèi)存)當(dāng)中，再交由CPU來判斷喔！這點(diǎn)得要再次的強(qiáng)調(diào)啊！下個(gè)章節(jié)當(dāng)中，我們就對(duì)目前常見的個(gè)人計(jì)算機(jī)各個(gè)組件來進(jìn)行說明！
計(jì)算機(jī)分類
知道了計(jì)算機(jī)的基本組成與周邊裝置，也知道其實(shí)計(jì)算機(jī)的CPU種類非常的多，再來我們想要了解的是，計(jì)算機(jī)如何分類？計(jì)算機(jī)的分類非常多種，如果以計(jì)算機(jī)的復(fù)雜度與運(yùn)算能力進(jìn)行分類的話，主要可以分為這幾類：
- 超級(jí)計(jì)算機(jī)(Supercomputer)
超級(jí)計(jì)算機(jī)是運(yùn)作速度最快的計(jì)算機(jī)，但是他的維護(hù)、操作費(fèi)用也最高！主要是用於需要有高速計(jì)算的計(jì)畫中。例如：國防軍事、氣象預(yù)測(cè)、太空科技，用在模擬的領(lǐng)域較多。詳情也可以參考：國家高速網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算中心http://www.nchc.org.tw的介紹！至於全世界最快速的前500大超級(jí)計(jì)算機(jī)，則請(qǐng)參考：http://www.top500.org。
- 大型計(jì)算機(jī)(Mainframe Computer)
大型計(jì)算機(jī)通常也具有數(shù)個(gè)高速的CPU，功能上雖不及超級(jí)計(jì)算機(jī)，但也可用來處理大量數(shù)據(jù)與復(fù)雜的運(yùn)算。例如大型企業(yè)的主機(jī)、全國性的證券交易所等每天需要處理數(shù)百萬筆數(shù)據(jù)的企業(yè)機(jī)構(gòu)，或者是大型企業(yè)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等等。
- 迷你計(jì)算機(jī)(Minicomputer)
迷你計(jì)算機(jī)仍保有大型計(jì)算機(jī)同時(shí)支持多使用者的特性，但是主機(jī)可以放在一般作業(yè)場(chǎng)所，不必像前兩個(gè)大型計(jì)算機(jī)需要特殊的空調(diào)場(chǎng)所。通常用來作為科學(xué)研究、工程分析與工廠的流程管理等。
- 工作站(Workstation)
工作站的價(jià)格又比迷你計(jì)算機(jī)便宜許多，是針對(duì)特殊用途而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。在個(gè)人計(jì)算機(jī)的效能還沒有提升到目前的狀況之前，工作站計(jì)算機(jī)的性能/價(jià)格比是所有計(jì)算機(jī)當(dāng)中較佳的，因此在學(xué)術(shù)研究與工程分析方面相當(dāng)常見。
- 微計(jì)算機(jī)(Microcomputer)
又可以稱為個(gè)人計(jì)算機(jī)，也是我們這里主要探討的目標(biāo)！體積最小，價(jià)格最低，但功能還是五臟俱全的！大致又可分為桌上型、筆記型等等。
若光以效能來說，目前的個(gè)人計(jì)算機(jī)效能已經(jīng)夠快了，甚至已經(jīng)比工作站等級(jí)以上的計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度還要快！但是工作站計(jì)算機(jī)強(qiáng)調(diào)的是穩(wěn)定不當(dāng)機(jī)，并且運(yùn)算過程要完全正確，因此工作站以上等級(jí)的計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)的考量與個(gè)人計(jì)算機(jī)并不相同啦！這也是為啥工作站等級(jí)以上的個(gè)人計(jì)算機(jī)售價(jià)較貴的原因。
計(jì)算機(jī)上面常用的計(jì)算單位 (容量、速度等)
計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力是由速度來決定的，而存放在計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存設(shè)備當(dāng)中的數(shù)據(jù)容量也是有單位的。
- 容量單位
計(jì)算機(jī)依有沒有通電來記錄信息，所以理論上它只認(rèn)識(shí) 0 與 1 而已。0/1 的單位我們稱為 bit。但 bit 實(shí)在太小了，并且在儲(chǔ)存數(shù)據(jù)時(shí)每份簡單的數(shù)據(jù)都會(huì)使用到 8 個(gè) bits 的大小來記錄，因此定義出 byte 這個(gè)單位，他們的關(guān)系為：
1 Byte = 8 bits不過同樣的，Byte 還是太小了，在較大的容量情況下，使用 byte 相當(dāng)不容易判斷數(shù)據(jù)的大小，舉例來說，1000000 bytes這樣的顯示方式你能夠看得出有幾個(gè)零嗎？所以后來就有一些常見的簡化單位表示法，例如 K 代表 1024，M 代表 1024K 等。而這些單位在不同的進(jìn)位制下有不同的數(shù)值表示，底下就列出常見的單位與進(jìn)位制對(duì)應(yīng)：
| 進(jìn)位制 | K | M | G | T | P |
| 二進(jìn)位 | 1024 | 1024K | 1024M | 1024G | 1024T |
| 十進(jìn)位 | 1000 | 1000K | 1000M | 1000G | 1000T |
一般來說，檔案容量使用的是二進(jìn)位的方式，所以 1 GBytes 的檔案大小實(shí)際上為：1024x1024x1024 Bytes 這么大！速度單位則常使用十進(jìn)位，例如 1GHz 就是 1000x1000x1000 Hz 的意思。
- 速度單位
CPU的運(yùn)算速度常使用 MHz 或者是 GHz 之類的單位，這個(gè) Hz 其實(shí)就是秒分之一。而在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，由於網(wǎng)絡(luò)使用的是bit 為單位，因此網(wǎng)絡(luò)常使用的單位為 Mbps 是 Mbits per second，亦即是每秒多少 Mbit。舉例來說，大家常聽到的 8M/1M ADSL傳輸速度，如果轉(zhuǎn)成檔案容量的 byte 時(shí)，其實(shí)理論最大傳輸值為：每秒 1Mbyte/ 每秒125Kbyte的上傳/下載容量喔！
| 例題： 假設(shè)你今天購買了500GB的硬盤一顆，但是格式化完畢后卻只剩下460GB左右的容量，這是什么原因？ 答： 因?yàn)橐话阌脖P制造商會(huì)使用十進(jìn)位的單位，所以500GByte代表為500*1000*1000*1000Byte之意。轉(zhuǎn)成檔案的容量單位時(shí)使用二進(jìn)位(1024為底)，所以就成為466GB左右的容量了。 硬盤廠商并非要騙人，只是因?yàn)橛脖P的最小物理量為512Bytes，最小的組成單位為磁區(qū)(sector)，通常硬盤容量的計(jì)算采用『多少個(gè)sector』，所以才會(huì)使用十進(jìn)位來處理的。相關(guān)的硬盤信息在這一章后面會(huì)提到的！ |
參考數(shù)據(jù)與延伸閱讀
- 注1：對(duì)於CPU的原理有興趣的讀者，可以參考維基百科的說明：
英文CPU(http://en.wikipedia.org/wiki/CPU)
中文CPU(http://zh.wikipedia.org/wiki/中央處理器)。 - 注2：圖片參考：作者：陳錦輝，『計(jì)算機(jī)概論-探索未來2008』，金禾信息，2007出版
- 注3：更詳細(xì)的RISC架構(gòu)可以參考維基百科：
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=精簡指令集&variant=zh-tw - 注4：關(guān)於ARM架構(gòu)的說明，可以參考維基百科：
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=ARM架構(gòu)&variant=zh-tw - 注5：更詳細(xì)的CISC架構(gòu)可參考維基百科：
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=CISC&variant=zh-tw - 注6：更詳細(xì)的x86架構(gòu)發(fā)展史可以參考維基百科：
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=X86&variant=zh-tw
出處：http://vbird.dic.ksu.edu.tw/linux_basic/0105computers_1.php
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的鸟哥的Linux私房菜(基础篇)-第零章、计算机概论（零.1）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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