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. 計算機：輔助人腦的好工具
1.1 計算機硬件的五大單元
1.2 CPU的種類
1.3 周邊設備
1.4 運作流程
1.5 計算機分類
1.6 計算機上面常用的計算單位 (容量、速度等)
計算機：輔助人腦的好工具
進入二十一世紀的現在，沒有用過計算機的朋友應該算很少了吧？但是，你了解計算機是什么嗎？計算機的機殼里面含有什么組件？不同的計算機可以作什么事情？你生活周遭有哪些電器用品內部是含有計算機相關組件的？底下我們就來談一談這些東西呢！
所謂的電腦就是一種計算機，而計算機其實是：『接受使用者輸入指令與數據，經由中央處理器的數學與邏輯單元運算處理后，以產生或儲存成有用的信息』。因此，只要有輸入設備 (不管是鍵盤還是觸控式螢幕)及輸出設備(螢幕或直接打印出來)，讓你可以輸入數據使該機器產生信息的，那就是一部計算機了。
圖1.1.1、計算機的功能
根據這個定義你知道哪些東西是計算機了嗎？包括一般商店用的簡易型加減乘除計算機、打電話用的手機、開車用的衛星定位系統(GPS)、提款用的提款機 (ATM)、你常使用的桌上型個人計算機、可攜帶的筆記型計算機還有這兩年 (2008, 2009) 很火紅的 Eee PC (或稱為 netbook) 等等，這些都是計算機！
那么計算機主要的組成組件是什么呢？底下我們以常見的個人計算機來作為說明。
計算機硬件的五大單元
關於計算機的組成部分，其實你可以觀察你的桌上型計算機分析一下，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、讀卡機、掃描器、手寫板、觸控螢幕等等一堆；
- 主機部分：這個就是系統單元，被主機機殼保護住了，里面含有 CPU 與主內存等；
- 輸出單元：例如螢幕、打印機等等
我們主要透過輸入設備如鼠標與鍵盤來將一些數據輸入到主機里面，然后再由主機的功能處理成為圖表或文章等信息后，將結果傳輸到輸出設備，如螢幕或印表機上面。重點在於主機里面含有什么組件呢？如果你曾經拆開過計算機主機機殼，會發現其實主機里面最重要的就是一片主機板，上面安插了中央處理器 (CPU) 以及主內存還有一些介面卡裝置而已。
整部主機的重點在於中央處理器 (Central Processing Unit, CPU)，CPU 為一個具有特定功能的芯片，里頭含有微指令集，如果你想要讓主機進行什么特異的功能，就得要參考這顆 CPU 是否有相關內建的微指令集才可以。由於 CPU 的工作主要在於管理與運算，因此在 CPU 內又可分為兩個主要的單元，分別是：算數邏輯單元與控制單元。(注1)其中算數邏輯單元主要負責程序運算與邏輯判斷，控制單元則主要在協調各周邊組件與各單元間的工作。
既然 CPU 的重點是在進行運算與判斷，那么要被運算與判斷的數據是從哪里來的？CPU 讀取的數據都是從主內存來的！主內存內的數據則是從輸入單元所傳輸進來！而 CPU 處理完畢的數據也必須要先寫回主內存中，最后數據才從主內存傳輸到輸出單元。
綜合上面所說的，我們會知道其實計算機是由幾個單元所組成的，包括輸入單元、輸出單元、CPU內部的控制單元、算數邏輯單元與主內存五大部分。相關性如下所示：
圖1.1.2、計算機的五大單元(注2)
上面圖示中的『系統單元』其實指的就是計算機機殼內的主要組件，而重點在於CPU與主內存。特別要看的是實線部分的傳輸方向，基本上數據都是流經過主內存再轉出去的！至於數據會流進/流出內存則是CPU所發布的控制命令！而CPU實際要處理的數據則完全來自於主內存！這是個很重要的概念喔！
而由上面的圖示我們也能知道，所有的單元都是由CPU內部的控制單元來負責協調的，因此CPU是整個計算機系統的最重要部分！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其實內部已經含有一些小指令集，我們所使用的軟件都要經過CPU內部的微指令集來達成才行。那這些指令集的設計主要又被分為兩種設計理念，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)與復雜指令集(CISC)系統。底下我們就來談談這兩種不同CPU種類的差異！
- 精簡指令集(Reduced Instruction Set Computer, RISC)：(注3)
這種CPU的設計中，微指令集較為精簡，每個指令的執行時間都很短，完成的動作也很單純，指令的執行效能較佳；但是若要做復雜的事情，就要由多個指令來完成。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。
在應用方面，SPARC架構的計算機常用於學術領域的大型工作站中，包括銀行金融體系的主要服務器也都有這類的計算機架構；至於PowerPC架構的應用上，例如新力(Sony)公司出產的Play Station 3(PS3)就是使用PowerPC架構的Cell處理器；那ARM呢？你常使用的各廠牌手機、PDA、導航系統、網絡設備(交換器、路由器等)等，幾乎都是使用ARM架構的CPU喔！老實說，目前世界上使用范圍最廣的CPU可能就是ARM呢！(注4)
- 復雜指令集(Complex Instruction Set Computer, CISC)：(注5)
與RISC不同的，CISC在微指令集的每個小指令可以執行一些較低階的硬件操作，指令數目多而且復雜，每條指令的長度并不相同。因為指令執行較為復雜所以每條指令花費的時間較長，但每條個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架構的CPU。
由於AMD、Intel、VIA所開發出來的x86架構CPU被大量使用於個人計算機(Personal computer)用途上面，因此，個人計算機常被稱為x86架構的計算機！那為何稱為x86架構(注6)呢？這是因為最早的那顆Intel發展出來的CPU代號稱為8086，后來依此架構又開發出80286, 80386...，因此這種架構的CPU就被稱為x86架構了。
在2003年以前由Intel所開發的x86架構CPU由8位升級到16、32位，后來AMD依此架構修改新一代的CPU為64位，為了區別兩者的差異，因此64位的個人計算機CPU又被統稱為x86_64的架構喔！
那么不同的x86架構的CPU有什么差異呢？除了CPU的整體結構(如第二層緩存、每次運作可執行的指令數等)之外，主要是在於微指令集的不同。新的x86的CPU大多含有很先進的微指令集，這些微指令集可以加速多媒體程序的運作，也能夠加強虛擬化的效能，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！由於電費越來越高，購買計算機時，除了整體的效能之外，節能省電的CPU特色也可以考慮喔！
例題： 最新的Intel/AMD的x86架構中，請查詢出多媒體、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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周邊設備
單有CPU也無法運作計算機的，所以計算機還需要其他的周邊設備才能夠實際運作。除了前面稍微提到的輸入/輸出設備，以及CPU與主內存之外，還有什么周邊設備呢？其實最重要的周邊設備是主機板！因為主機板負責將所有的設備通通連接在一起，讓所有的設備能夠進行協調與溝通。而主機板上面最重要的組件就是主機板芯片組！這個芯片組可以將所有的設備匯集在一起！
其他重要的設備還有：
- 儲存裝置：儲存裝置包括硬盤、軟盤、光盤、磁帶等等；
- 顯示裝置：顯示卡對於玩3D游戲來說是非常重要的一環，他與顯示的精致度、色彩與解析度都有關系；
- 網絡裝置：沒有網絡活不下去啊！所以網絡卡對於計算機來說也是相當重要的！
更詳細的各項周邊裝置我們將在下個小節進行介紹！在這里我們先來了解一下各組件的關系！那就是，計算機是如何運作的呢？
運作流程
如果不是很了解計算機的運作流程，鳥哥拿個簡單的想法來思考好了～假設計算機是一個人體，那么每個組件對應到那個地方呢？可以這樣思考：
圖1.4.1、各組件運作
- CPU=腦袋瓜子：每個人會作的事情都不一樣(微指令集的差異)，但主要都是透過腦袋瓜子來進行判斷與控制身體各部分的活動；
- 主內存=腦袋中的記錄區塊：在實際活動過程中，我們的腦袋瓜子能夠將外界的互動暫時記錄起來，提供CPU來進行判斷；
- 硬盤=腦袋中的記憶區塊：將重要的數據記錄起來，以便未來將這些重要的經驗再次的使用；
- 主機板=神經系統：好像人類的神經一樣，將所有重要的組件連接起來，包括手腳的活動都是腦袋瓜子發布命令后，透過神經(主機板)傳導給手腳來進行活動啊！
- 各項周邊設備=人體與外界溝通的手、腳、皮膚、眼睛等：就好像手腳一般，是人體與外界互動的重要關鍵！
- 顯示卡=腦袋中的影像：將來自眼睛的刺激轉成影響后在腦袋中呈現，所以顯示卡所產生的數據來源也是CPU控制的。
- 電源供應器 (Power)=心臟：所有的組件要能運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彈的！心臟不穩定呢？那你的身體當然可能斷斷續續的～不穩定！
由這樣的關系圖當中，我們知道整個活動中最重要的就是腦袋瓜子！而腦袋瓜子當中與現在正在進行的工作有關的就是CPU與主內存！任何外界的接觸都必須要由腦袋瓜子中的主內存記錄下來，然后給腦袋中的CPU依據這些數據進行判斷后，再發布命令給各個周邊設備！如果需要用到過去的經驗，就得由過去的經驗(硬盤)當中讀取羅！
也就是說，整個人體最重要的地方就是腦袋瓜子，同樣的，整部主機當中最重要的就是CPU與主內存，而CPU的數據來源通通來自於主內存，如果要由過去的經驗來判斷事情時，也要將經驗(硬盤)挪到目前的記憶(主內存)當中，再交由CPU來判斷喔！這點得要再次的強調啊！下個章節當中，我們就對目前常見的個人計算機各個組件來進行說明！
計算機分類
知道了計算機的基本組成與周邊裝置，也知道其實計算機的CPU種類非常的多，再來我們想要了解的是，計算機如何分類？計算機的分類非常多種，如果以計算機的復雜度與運算能力進行分類的話，主要可以分為這幾類：
- 超級計算機(Supercomputer)
超級計算機是運作速度最快的計算機，但是他的維護、操作費用也最高！主要是用於需要有高速計算的計畫中。例如：國防軍事、氣象預測、太空科技，用在模擬的領域較多。詳情也可以參考：國家高速網絡與計算中心http://www.nchc.org.tw的介紹！至於全世界最快速的前500大超級計算機，則請參考：http://www.top500.org。
- 大型計算機(Mainframe Computer)
大型計算機通常也具有數個高速的CPU，功能上雖不及超級計算機，但也可用來處理大量數據與復雜的運算。例如大型企業的主機、全國性的證券交易所等每天需要處理數百萬筆數據的企業機構，或者是大型企業的數據庫服務器等等。
- 迷你計算機(Minicomputer)
迷你計算機仍保有大型計算機同時支持多使用者的特性，但是主機可以放在一般作業場所，不必像前兩個大型計算機需要特殊的空調場所。通常用來作為科學研究、工程分析與工廠的流程管理等。
- 工作站(Workstation)
工作站的價格又比迷你計算機便宜許多，是針對特殊用途而設計的計算機。在個人計算機的效能還沒有提升到目前的狀況之前，工作站計算機的性能/價格比是所有計算機當中較佳的，因此在學術研究與工程分析方面相當常見。
- 微計算機(Microcomputer)
又可以稱為個人計算機，也是我們這里主要探討的目標！體積最小，價格最低，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，目前的個人計算機效能已經夠快了，甚至已經比工作站等級以上的計算機運算速度還要快！但是工作站計算機強調的是穩定不當機，并且運算過程要完全正確，因此工作站以上等級的計算機在設計時的考量與個人計算機并不相同啦！這也是為啥工作站等級以上的個人計算機售價較貴的原因。
計算機上面常用的計算單位 (容量、速度等)
計算機的運算能力是由速度來決定的，而存放在計算機儲存設備當中的數據容量也是有單位的。
- 容量單位
計算機依有沒有通電來記錄信息，所以理論上它只認識 0 與 1 而已。0/1 的單位我們稱為 bit。但 bit 實在太小了，并且在儲存數據時每份簡單的數據都會使用到 8 個 bits 的大小來記錄，因此定義出 byte 這個單位，他們的關系為：
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 相當不容易判斷數據的大小，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位制下有不同的數值表示，底下就列出常見的單位與進位制對應：
| 進位制 | K | M | G | T | P |
| 二進位 | 1024 | 1024K | 1024M | 1024G | 1024T |
| 十進位 | 1000 | 1000K | 1000M | 1000G | 1000T |
一般來說，檔案容量使用的是二進位的方式，所以 1 GBytes 的檔案大小實際上為：1024x1024x1024 Bytes 這么大！速度單位則常使用十進位，例如 1GHz 就是 1000x1000x1000 Hz 的意思。
- 速度單位
CPU的運算速度常使用 MHz 或者是 GHz 之類的單位，這個 Hz 其實就是秒分之一。而在網絡傳輸方面，由於網絡使用的是bit 為單位，因此網絡常使用的單位為 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，如果轉成檔案容量的 byte 時，其實理論最大傳輸值為：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： 因為一般硬盤制造商會使用十進位的單位，所以500GByte代表為500*1000*1000*1000Byte之意。轉成檔案的容量單位時使用二進位(1024為底)，所以就成為466GB左右的容量了。 硬盤廠商并非要騙人，只是因為硬盤的最小物理量為512Bytes，最小的組成單位為磁區(sector)，通常硬盤容量的計算采用『多少個sector』，所以才會使用十進位來處理的。相關的硬盤信息在這一章后面會提到的！ |
參考數據與延伸閱讀
- 注1：對於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，『計算機概論-探索未來2008』，金禾信息，2007出版
- 注3：更詳細的RISC架構可以參考維基百科：
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=精簡指令集&variant=zh-tw - 注4：關於ARM架構的說明，可以參考維基百科：
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=ARM架構&variant=zh-tw - 注5：更詳細的CISC架構可參考維基百科：
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=CISC&variant=zh-tw - 注6：更詳細的x86架構發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
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）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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