Linux学习日记第一篇——计算机概论
一、什么是计算机
计算机，是用以接受用户输入指令与数据，在经过中央处理器的数据与逻辑单元运算处理后，能产生或存储成有用的信息的机器。例如，我们日常生活当中所使用的ATM提款机、笔记本电脑等等，都属于计算机。
二、个人计算机架构与接口设备
1. 计算机硬件的组成
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输入单元： 如键盘、鼠标、触摸屏等
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输出单元： 如屏幕、打印机等
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控制单元：位于CPU内部，用以协调各组件与单元之间的工作
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算术逻辑单元： 位于CPU内部，用以程序运算与逻辑判断
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内存： CPU与外界数据连接的桥梁，CPU要处理的数据要从内存中读出，处理完的数据会存入到内存中
值得关注的是，在随后的发展当中，为了满足不同情况的需求，计算机又进行了外部存储的扩展，成为了今天我们所看到的硬盘、U盘、光盘等，它们统称为外部存储设备
2.计算机的架构
一般消费者常常使用的计算机通常指的是x86的个人计算机架构，主要有两大开发商，Intel和AMD，他们的CPU架构不兼容，设计理念也有所区别。因为目前x86的CPU主要厂商是Intel，所主要阐述Intel的主板架构。
Intel 主板架构
2.1 南北桥
在整个主板上，最重要的是芯片组，而芯片组通过两个桥接器来控制各个组件的通信，称为南桥和北桥。
目前，北桥所支持的频率可以达到333/400/533/800/1066/1333/1600MHz，能够应用于不同的情况。北桥所支持的频率称为前端总线速度（Front Side Bus， FSB），每次传送的位数则是总线宽度，常见的有32位/64位。每秒钟传送的最大数据量用总线频宽来衡量，总线频宽 = “FSB × 总线宽度”。
CPU每次能够处理的数据量称为字组大小（Word Size），字组大小依据CPU的设计而有32位与64位，如果是32位，我们就称该计算机是32位的！！
2.2 中央处理器CPU
如果将人和计算机进行一个类比，会发现有很多相似之处，这是人类根据现有事物为基础，进行理论设计的证明。例如，计算机中的中央处理器（Central Processing Unit， CPU），类似于人类的大脑，能够集中处理计算机获取到的外界信息。
CPU本身，是一个具有特定功能的芯片，里面含有微指令集，包含控制单元、算术逻辑单元，能够完成管理与运算的工作。其中，算术逻辑单元主要负责程序运算与逻辑判断，控制单元则主要协调各组件与各单元间的工作。
CPU的分类
这种指令集较为精简，指令长度较短，完成的操作简单，执行的效果良好，但要完成复杂的事情，需要由多个指令来完成
不同于RISC，CISC的微指令集能够执行一些较低阶的硬件操作，指令数目较多并且复杂，指令长度不同，完成指令相应操作的时间较长
** RISC和CISC常见类型和应用 **
| 类别 | 常见类型 | 应用 |
|---|---|---|
| RISC | Sun公司的SPARC系列、IBM公司的Power Architecture（包括Power PC系列）系列和ARM系列 | SPARC架构的计算机常用于学术领域的大型工作站、银行金融体系的服务器中； 基于Power PC架构的Cell处理器应用到了Sony公司生产的Play Station 3（PS3）上； 基于ARM结构的CPU用在了如手机、导航、网络设备等生活中的各个领域中（目前使用最为广泛的CPU就是ARM） |
| CISC | AMD、Intel、VIA生产的X86架构CPU | 个人计算机（Person Computer， PC） |
CPU连接的其他设备
将CPU比作大脑是贴切的，但要完成计算机相应的任务，还需要其他的组件。除了前面提到的输入单元、输出单元、内存之外，还需要连接一些外围的设备，称为接口设备。
主要的接口设备有：
AMD与Intel的芯片组架构的区别在于，内存直接与CPU通信，不经过北桥。为了加速两者的通信，AMD将内存控制组件集成到CPU当中。这是AMD和Intel两种CPU在架构上的主要区别。
3.内存
内存，是计算机内部的存储器。CPU进行处理的信息都是来自于内存，包括软件程序和数据。目前我们使用的计算机的内存主要组件为动态随机访问内存（Dynamic Random Access Memory， DRAM），并且只有当它在通电的时候才能记录使用，断电后丢失。
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容量：由于所有的数据都是从内存读取到CPU内部的，因此如果内存不够大，将会导致某些大容量数据无法被完整加载。通常内存越大表示系统越快，因为系统不需要常常释放一些内存内部的数据
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双通道：由于所有供给CPU处理的信息都在内存中，因此内存的数据宽度越大越好。通常的做法是将两个64位的内存条汇总在一起，组成一个128位的数据宽度。另外，两个内存条的型号最好相同，这是为了同步写入/读出数据，这样才能够提升整体的频宽
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内存与CPU频率：理论上说，CPU频率和内存的外频应当是一致的比较好。如CPU的外频为333MHz，则应该用内存外频为333MHz的内存
其他类别的内部存储器
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静态随机访问内存：相比较于DRAM，静态随机访问内存（Static Random Access Memory， SRAM）最大的特点是访问速度更快。它使用晶体管数量较多，价格较高，不易做成大容量。通常应用在CPU内部的第二层缓存L2 Cache上，以加快CPU的运行性能
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只读存储器：ROM（Read Only Memory， ROM），作为一种非挥发性存储器，其内部存储的内容不会因为断电而丢失，它在计算机内部中有极其重要的应用。例如开机时会首先读取的程序BIOS（Basic Input Output System），它的程序就是写在ROM上。
4.显卡
显卡，又称为VGA（Video Graphics Array），应用于计算机中图形影像的显示。一般对于图形影像的显示重点在于分辨率与色彩深度，因为每个图像显示的颜色会占用内存，因此显卡上面会有一个内存的容量，这个显卡的容量会最终影像屏幕分辨率与色彩深度。
对于一些需求高质量画质游戏的用户来说，显卡是需要重点考虑的对象
5.硬盘与存储设备
除了前面提到的内部存储器外，计算机仍然需要其他的存储方式来存储一些可能不常用、但需要重新读入的信息，如小众的应用程序。值得注意的是，这种存储器属于外部存储器，CPU无法直接进行操作，只有当信息读入到内存之后，CPU才能进行处理。
常用的硬盘与存储设备有硬盘、软盘、CD、U盘等。另外，对于大型机器的局域网存储设备（SAN、NAS）等，也可以用来存储数据。不过，最主要的存储设备还是硬盘。
5.1 硬盘
硬盘由许多的盘片、机械臂、磁头和主轴马达组成。存储的数据写在具有磁性物质的盘片上，通常，为了加大容量，硬盘内部会有两个以上的盘片。在运行时，由主轴马达控制盘片转动，机械臂伸展让读取头在盘片上进行读取的操作。
5.2 传输接口
目前，硬盘与主机系统的连接主要有三种，IDE、SATA、SCSI接口。
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IDE接口：IDE接口插槽使用的排线较宽，每条排线上面可以连接两个IDE设备，由磁盘驱动器调整跳针来判别设备的主从（Master/Slave）架构
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SATA接口：每条SATA连接线仅能接一个SATA设备。SATA接口速度很快，并且由于其排线较为细小，有利于主机壳内部的散热与安装
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SCSI接口：SCSI接口应用于工作站级别以上的硬盘传输，这种接口的硬盘在控制器上含有一块处理器，所以除了运转速度很快之外，消耗的CPU资源也较少
6.PCI适配卡
外设部件互联标准（Peripheral Component Interconnect, PCI）,简称PCI。PCI插槽可以提供给多个用户，如果用户有额外需要的功能卡，就能够安插在这种PCI接口插槽上。不过，由于各个组件的成本一直在下降，主板上面集成了相当多的组件设备，如声卡、网卡、USB控制卡等，所以现在的主板上面所安插的PCI适配卡就少很多。
目前，由于PCI Express的快速发展，很多制造商都往PCIe接口发硬件，不过仍然有很多的硬件使用PCI接口。
7.主板
主板是整个主机当中相当重要的一部分，我们所谈论的所有组件都是安插在主板上面的。在主板上，负责各个组件之间通信的就是芯片组，芯片组由北桥和南桥组成。北桥负责CPU/RAM/VGA等的连接，南桥则负责PCI接口与速度较慢的I/O设备。
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芯片组：芯片组是依据CPU的能力进行规划的，所以在购买或升级主机的时候，需要综合考虑CPU、主板、内存与相关的接口设备。如果是集成的芯片组，只需要购买CPU、主板、内存等，不过性能上相对较弱；如果是独立型芯片组，则在更换的时候需要额外负担接口设备如声卡、显卡等的花费，但性能较强
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设备I/O地址和IRQ中断信道：I/O地址用于标记各个设备，被标记的设备可以通过IRQ中断信道知道目前CPU的工作状态，以方便CPU进行工作分配的任务
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CMOS和BIOS：CMOS用以记录主板上面的重要参数如系统时间、CPU电压和频率、各项设备的I/O地址和IRQ等。BIOS为写入到主板上某一块闪存或EEPROM的程序，在开机的时候运行，它会加载CMOS中的参数，调用存储设备中的开机程序，进一步进入到操作系统中
值得关注的是，主板上面的芯片组是一块散热很多的组件，因此常常需要使用一些手段进行散热，如热传导。另外，使用CMOS进行参数的记录时，需要耗电，这也是为什么主板需要安装电池。
三、计算机的软件程序
计算机的组成由硬件和软件共同组成，两者相辅相成，不存在优先级之分。没有硬件，计算机无法搭载软件，没有软件，计算机只是一堆无用的机器。目前，计算机系统将软件程序分为两大类，系统软件和应用程序。
1.机器程序与编译程序
计算机在工作时，内部只能够辨识由0和1编写的机器程序，编写难度很大。另外，由于不同的CPU的微指令架构也不同，在一台计算机上编写的程序往往难以应用到另一台计算机上。为此，计算机科学家设计出一类符合人们思维方式的编程语言，如C、C++、Java、Fortran等。编写完成之后，通过编译器转化成为机器程序，交付给机器执行。
2.操作系统
在早期，要让计算机执行程序必须得参考一堆硬件功能函数，每次写程序时都需要重新改写，而硬件与软件的功能往往不一致，这极大的阻碍了计算机的发展。为了解决这个问题，人们将所有的硬件都驱动，只提供一个开发软件的参考接口，以此来降低开发软件的难度，这种架构就称之为操作系统。
操作系统，在本质上，也属于一组程序，它的重点在于管理计算机的所有活动以及驱动系统中的所有硬件，所有的硬件操作都是由操作系统控制的。操作系统又分为内核和系统调用两部分，分别掌管内部硬件控制和外部软件接口。
内核：
在硬件具体操作的实现上，是由操作系统的内核完成的。由于这部分内的程序至关重要，所以一般的用户是不会接触到的。内核能够实现如设备驱动、多任务管理调度等功能。
系统调用：
在操作系统上进行软件开发时，开发人员只需要遵循软件开发接口的规则，不需要关注内核参数等问题。例如我们编写C语言的程序时，只需要关注C语言的语法，系统内部接口会将C语言的相关语法转换成可以了解的任务函数，这样内核就能够顺利运行该程序。
值得关注的是，操作系统的内核层是根据硬件写成的，因此不同的操作系统不能应用在不同的硬件架构上，例如Windows 32位操作系统和64位操作系统。另外，外部应用程序的开发也是如此，例如在Windows上开发的一些程序不能够应用在Linux上。对于一个应用厂商而言，要在一台计算机中使用他们制作的硬件，必须要写一套与该操作系统配套的硬件驱动程序，利用驱动程序来驱动他们制作的硬件。