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首页Linux入门:理解计算机组成与计算器原理
"《入门基础教程Linux》是一本针对非计算机专业背景的学习者编写的Linux基础教程,作者强调了理解计算机基本概念对快速掌握Linux的重要性。在第一章“计算器概论”中,作者首先阐述了计算机的本质,定义它为一种接受用户输入指令、数据并通过中央处理器进行数学和逻辑运算,最终产生或存储有用信息的工具。这不仅限于传统的桌面计算机,还包括笔记本电脑、平板、智能手机等现代设备。 在这个部分,作者详细解释了计算机的基本组成,如机壳内的组件,如CPU(中央处理器)、内存、硬盘、显卡等,并指出不同的计算机可以应用于各种工作场景,如办公、模拟、导航等。他还提到计算器的概念并不局限于简单的加减乘除设备,而是延伸到了现代生活中众多智能化设备,如GPS、ATM机、手机以及新兴的平板和单板计算机(如Raspberry Pi)。 通过这个章节,读者可以建立起计算机的基础认知,明白任何能接收输入并产生输出的设备都可以视为计算器,进而更好地理解Linux操作系统的底层运作原理。作者以实际工作中空气污染仿真和分析的例子,展示了计算机在复杂计算中的强大作用。对于初学者而言,这是一个重要的起点,帮助他们建立起对计算机硬件和软件之间关系的理解,为后续学习Linux打下坚实的基础。"
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SRAM)的帮忙了。 SRAM 在设计上使用的晶体管数量较多,价格较高,且不易做成大容量,不过由
于其速度快, 因此整合到 CPU 内成为高速缓存以加快数据的存取是个不错的方式喔!新一代的 CPU
都有内建容量不等的 L2 快取在 CPU 内部, 以加快 CPU 的运作效能。
只读存储器(ROM)
主板上面的组件是非常多的,而每个组件的参数又具有可调整性。举例来说,CPU 与内存的频率是
可调整的; 而主板上面如果有内建的网络卡或者是显示适配器时,该功能是否要启动与该功能的各
项参数, 是被记录到主板上头的一个称为 CMOS 的芯片上,这个芯片需要借着额外的电源来发挥记
录功能, 这也是为什么你的主板上面会有一颗电池的缘故。
那 CMOS 内的数据如何读取与更新呢?还记得你的计算机在开机的时候可以按下[Del]按键来进入一
个名为 BIOS 的画面吧? BIOS(Basic Input Output System)是一套程序,这套程序是写死到主板上面的
一个内存芯片中, 这个内存芯片在没有通电时也能够将数据记录下来,那就是只读存储器(Read Only
Memory, ROM)。 ROM 是一种非挥发性的内存。另外,BIOS 对于个人计算机来说是非常重要的, 因
为他是系统在开机的时候首先会去读取的一个小程序喔!
另外,韧体(firmware)(注 12)很多也是使用 ROM 来进行软件的写入的。 韧体像软件一样也是一个被
计算机所执行的程序,然而他是对于硬件内部而言更加重要的部分。例如 BIOS 就是一个韧体, BIOS
虽然对于我们日常操作计算机系统没有什么太大的关系,但是他却控制着开机时各项硬件参数的取得!
所以我们会知道很多的硬件上头都会有 ROM 来写入韧体这个软件。
BIOS 对计算机系统来讲是非常重要的,因为他掌握了系统硬件的详细信息与开机设备的选择等等。
但是计算机发展的速度太快了, 因此 BIOS 程序代码也可能需要作适度的修改才行,所以你才会在
很多主板官网找到 BIOS 的更新程序啊!但是 BIOS 原本使用的是无法改写的 ROM ,因此根本无
法修正 BIOS 程序代码!为此,现在的 BIOS 通常是写入类似闪存 (flash) 或 EEPROM (注 13) 中。
(注 14)
Tips 很多硬件上面都会有韧体喔!例如鸟哥常用的磁盘阵列卡、 10G 的网卡、交换器设备
等等!你可以简单的这么想!韧体就是绑在硬件上面的控制软件!
0.2.3 显示适配器
显示适配器插槽如同图 0.2.2、华硕主板示意图所示,在中左方有个 PCIe 3.0 的项目, 这张主板中
提供了两个显示适配器插槽喔!
显示适配器又称为 VGA(Video Graphics Array),他对于图形影像的显示扮演相当关键的角色。 一般
对于图形影像的显示重点在于分辨率与颜色深度,因为每个图像显示的颜色会占用掉内存, 因此显
示适配器上面会有一个内存的容量,这个显示适配器内存容量将会影响到你的屏幕分辨率与颜色深度
的喔!
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/12881380/bg11.jpg)
除了显示适配器内存之外,现在由于三度空间游戏(3D game)与一些 3D 动画的流行,因此显示适配器
的『运算能力』越来越重要。 一些 3D 的运算早期是交给 CPU 去运作的,但是 CPU 并非完全针对
这些 3D 来进行设计的,而且 CPU 平时已经非常忙碌了呢! 所以后来显示适配器厂商直接在显示适
配器上面嵌入一个 3D 加速的芯片,这就是所谓的 GPU 称谓的由来。
显示适配器主要也是透过 CPU 的控制芯片来与 CPU、主存储器等沟通。如前面提到的,对于图形影
像(尤其是 3D 游戏)来说, 显示适配器也是需要高速运算的一个组件,所以数据的传输也是越快越好!
因此显示适配器的规格由早期的 PCI 导向 AGP, 近期 AGP 又被 PCI-Express 规格所取代了。如前面
华硕主板图示当中看到的就是 PCI-Express 的插槽。 这些插槽最大的差异就是在数据传输的带宽了!
如下所示:
规格
宽度
速度
带宽
PCI
32 bits
33 MHz
133 MBytes/s
PCI 2.2
64 bits
66 MHz
533 MBytes/s
PCI-X
64 bits
133 MHz
1064 MBytes/s
AGP 4x
32 bits
66x4 MHz
1066 MBytes/s
AGP 8x
32 bits
66x8 MHz
2133 MBytes/s
PCIe 1.0 x1
无
无
250 MBytes/s
PCIe 1.0 x8
无
无
2 GBytes/s
PCIe 1.0 x16
无
无
4 GBytes/s
比较特殊的是,PCIe(PCI-Express)使用的是类似管线的概念来处理,在 PCIe 第一版 (PCIe 1.0) 中,
每条管线可以具有 250MBytes/s 的带宽效能, 管线越多(通常设计到 x16 管线)则总带宽越高!另外,
为了提升更多的带宽,因此 PCIe 还有进阶版本,目前主要的版本为第三版,相关的带宽如下:(注
15)
规格
1x 带宽
16x 带宽
PCIe 1.0
250MByte/s
4GByte/s
PCIe 2.0
500MByte/s
8GByte/s
PCIe 3.0
~1GByte/s
~16GByte/s
PCIe 4.0
~2GByte/s
~32GByte/s
若以图 0.2.2 的主板为例,它使用的是 PCIe 3.0 的 16x,因此最大带宽就可以到达接近 32Gbytes/s 的
传输量! 比起 AGP 是快很多的!好可怕的传输量....
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/12881380/bg12.jpg)
如果你的主机是用来打 3D 游戏的,那么显示适配器的选购是非常重要喔!如果你的主机是用来做为
网络服务器的, 那么简单的入门级显示适配器对你的主机来说就非常够用了!因为网络服务器很少
用到 3D 与图形影像功能。
例题:
假设你的桌面使用 1024x768 分辨率,且使用全彩(每个像素占用 3bytes 的容量),请问你的显示适配器至少需要多
少内存才能使用这样的彩度?
答:
因为 1024x768 分辨率中会有 786432 个像素,每个像素占用 3bytes,所以总共需要 2.25MBytes 以上才行! 但如果
考虑屏幕的更新率(每秒钟屏幕的更新次数),显示适配器的内存还是越大越好!
除了显示适配器与主板的连接接口需要知道外,那么显示适配器是透过什么格式与计算机屏幕 (或电
视) 连接的呢?目前主要的连接接口有:
D-Sub (VGA 端子):为较早之前的连接接口,主要为 15 针的连接,为模拟讯号的传输,当初设计是针对
传统映像管屏幕而来。 主要的规格有标准的 640x350px @70Hz、1280x1024px @85Hz 及 2048x1536px
@85Hz 等。
DVI:共有四种以上的接头,不过台湾市面上比较常见的为仅提供数字讯号的 DVI-D,以及整合数字与模
拟讯号的 DVI-I 两种。DVI 常见于液晶屏幕的链接, 标准规格主要有: 1920x1200px @60Hz、
2560x1600px @60Hz 等。
HDMI:相对于 D-sub 与 DVI 仅能传送影像数据,HDMI 可以同时传送影像与声音,因此被广泛的使用
于电视屏幕中!计算机屏幕目前也经常都有支持 HDMI 格式!
Display port:与 HDMI 相似的,可以同时传输声音与影像。不过这种界面目前在台湾还是比较少屏幕的支
持!
0.2.4 硬盘与储存设备
计算机总是需要记录与读取数据的,而这些数据当然不可能每次都由用户经过键盘来打字!所以就需
要有储存设备咯。 计算机系统上面的储存设备包括有:硬盘、软盘、MO、CD、DVD、磁带机、随
身碟(闪存)、还有新一代的蓝光光驱等, 乃至于大型机器的局域网络储存设备(SAN, NAS)等等,都
是可以用来储存数据的。而其中最常见的应该就是硬盘了吧!
硬盘的物理组成
大家应该都看过硬盘吧!硬盘依据桌上型与笔记本电脑而有分为 3.5 吋及 2.5 吋的大小。我们以 3.5
吋的桌面计算机使用硬盘来说明。 在硬盘盒里面其实是由许许多多的圆形磁盘盘、机械手臂、 磁盘
读取头与主轴马达所组成的,整个内部如同下图所示:
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/12881380/bg13.jpg)
图 0.2.4、硬盘物理构造(图片取自维基百科)
实际的数据都是写在具有磁性物质的磁盘盘上头,而读写主要是透过在机械手臂上的读取头(head)来
达成。实际运作时, 主轴马达让磁盘盘转动,然后机械手臂可伸展让读取头在磁盘盘上头进行读写
的动作。 另外,由于单一磁盘盘的容量有限,因此有的硬盘内部会有两个以上的磁盘盘喔!
磁盘盘上的数据
既然数据都是写入磁盘盘上头,那么磁盘盘上头的数据又是如何写入的呢?其实磁盘盘上头的数据有
点像下面的图标所示:
图 0.2.5、磁盘盘上的数据格式(图片取自维基百科)
由于磁盘盘是圆的,并且透过机器手臂去读写数据,磁盘盘要转动才能够让机器手臂读写。因此,通
常数据写入当然就是以圆圈转圈的方式读写啰! 所以,当初设计就是在类似磁盘盘同心圆上面切出
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/12881380/bg14.jpg)
一个一个的小区块,这些小区块整合成一个圆形,让机器手臂上的读写头去存取。 这个小区块就是
磁盘的最小物理储存单位,称之为扇区 (sector),那同一个同心圆的扇区组合成的圆就是所谓的磁道
(track)。 由于磁盘里面可能会有多个磁盘盘,因此在所有磁盘盘上面的同一个磁道可以组合成所谓
的磁柱 (cylinder)。
我们知道同心圆外圈的圆比较大,占用的面积比内圈多啊!所以,为了善用这些空间,因此外围的圆
会具有更多的扇区(注 16)! 就如同图 0.2.5 的示意一般。此外,当磁盘盘转一圈时,外圈的扇区数
量比较多,因此如果数据写入在外圈,转一圈能够读写的数据量当然比内圈还要多! 因此通常数据
的读写会由外圈开始往内写的喔!这是默认值啊!
另外,原本硬盘的扇区都是设计成 512byte 的容量,但因为近期以来硬盘的容量越来越大,为了减
少数据量的拆解,所以新的高容量硬盘已经有 4Kbyte 的扇区设计! 购买的时候也需要注意一下。
也因为这个扇区的设计不同了,因此在磁盘的分区方面,目前有旧式的 MSDOS 兼容模式,以及较
新的 GPT 模式喔! 在较新的 GPT 模式下,磁盘的分区通常使用扇区号码来设计,跟过去旧的
MSDOS 是透过磁柱号码来分区的情况不同喔!相关的说明我们谈到磁盘管理 (第七章) 再来聊!
传输界面
为了要提升磁盘的传输速度,磁盘与主板的连接界面也经过多次的改版,因此有许多不同的界面喔!
传统磁盘界面包括有 SATA, SAS, IDE 与 SCSI 等等。 若考虑外接式磁盘,那就还包括了 USB,
eSATA 等等界面喔!不过目前 IDE 已经被 SATA 取代,而 SCSI 则被 SAS 取代,因此我们底下
将仅介绍 SATA, USB 与 SAS 界面而已。
SATA 界面
如同华硕主板图示右下方所示为 SATA 硬盘的连接接口插槽。这种插槽所使用的扁平电缆比较窄小,
而且每个装置需要使用掉一条 SATA 线。因为 SATA 线比较窄小之故,所以对于安装与机壳内的通
风都比较好!因此原本的 IDE 粗扁平电缆界面就被 SATA 取代了! SATA 的插槽示意图如下所示:
图 0.2.6、SATA 接口的扁平电缆 (图标取自 Seagate 网站)
由于 SATA 一条扁平电缆仅接一颗硬盘,所以妳不需要调整跳针。不过一张主板上面 SATA 插槽的
数量并不是固定的, 且每个插槽都有编号,在连接 SATA 硬盘与主板的时候,还是需要留意一下。
此外,目前的 SATA 版本已经到了第三代 (注 17), 每一代之间的传输速度如下所示,而且重点是,
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