計算機基礎

計算機,俗稱電腦,是一種能接收和儲存資訊,並按照儲存在其內部的程式對海量資料進行自動,高效地處理,然後把處理結果輸出的現代化智慧電子裝置.

一個完整的計算機系統由硬體系統和軟體系統兩大部分組成

計算機硬體

1. 世界上第一臺計算機:ENIAC

2. 現代計算機都遵循馮諾依曼體系.

   • 採用二進位制,1byte=8bit
   • 計算機按照程式順序執行
   • 計算機硬體由運算器,控制器,儲存器,輸入裝置,輸出裝置五大部分組成.

3. 摩爾定律:當價格不變時,積體電路上可容納的元器件的數目,約每隔18-24個月便會增加一倍,效能也會提升一倍.

4. 計算機分類

   • 按規模劃分
     • 超級計算機
     • 大型計算機
     • 小型計算機
     • 微型計算機
   • 按功能和角色劃分
     • 伺服器
     • 客戶機
   • 按外形劃分
     • 塔式伺服器
     • 刀鋒伺服器
     • 機架式伺服器
     • 整機櫃伺服器

5. 相關硬體

   1. CPU

   • CPU,即中央處理器,由控制器和運算器組成,是計算機系統最重要的部分.
   • CPU指令集架構主流有x86和arm兩種,此外還有power架構,RISC-V,MIPS等.
   • CPU晶片市場主流廠商是AMD和Intel.
   • CPU指令集主要有複雜指令集(CISC)和精簡指令集(RISC).x86使用的是複雜指令集,arm使用的是精簡指令集.

   2. 主機板

   • 重要組成部分,包括BIOS晶片,鍵盤和麵板控制開關介面,輸入輸出裝置介面,主儲存器和輔助儲存器介面,電源供電模組等.

   3. 記憶體

   • 主儲存器,介於CPU和輔助儲存器之間.用於快取資料,對計算機效能影響較大.
   • 記憶體斷電後資料丟失.
   • 記憶體頻寬,指的是記憶體和北橋晶片之間的資料傳輸速率,計算公式是:記憶體頻寬=記憶體匯流排頻率(如2666,2933,3200)*資料匯流排位數(一般計算機都已經是64位了)/8,如果雙通道記憶體需要再乘以2.

   4. 硬碟

   • 按介面劃分:
     1. IDE
     2. SCSI
     3. SATA
     4. SAS
     5. 光纖通道
     6. M.2
   • 按結構分類:
     1. 機械硬碟:機械結構,價效比高.
     2. 固態硬碟: 沒有機械結構,以區塊寫入和擦除方式作讀寫功能,效能高,價格高,故障後難以恢復.

   5. 網絡卡

   • 計算機的網路裝置,一般主機板上會整合1-2個千兆網絡卡.
   • 高階網絡卡也會有光纖網絡卡等,傳輸速率達到10Gbps以上.

   6. 遠端管理卡

   • BMC
   • IPMI介面,用於伺服器的遠端管理.

   7. 陣列卡raid

   • 用於做硬碟冗餘備份
   • 支援級別包括RAID0,1,5,6等.
   • 還可以提供快取和電池,用於斷電保護的情況.

   7. 電源

   一般都會冗餘備份,防止伺服器斷電.

   8. 顯示卡/GPU

   • 一般伺服器不會專門配置顯示卡裝置.
   • 專用GPU伺服器會專門配置相關GPU卡,用於推理和訓練等.

6. 各種硬體處理器速率和效能對比:

CPU處理速率(L1>L2>L3)>記憶體(主儲存器)>硬碟(輔助儲存器)>網路裝置
處理速率越快,容量空間越小,價格越貴.

7. 其他技術

• 併發和多執行緒
• 單執行緒
• 快取
• 非同步

計算機軟體

1. 作業系統

   1. operating system,通用目的的軟體程式.
      

   2. 主要功能

   • 硬體驅動
   • 程序管理
   • 記憶體管理
   • 網路管理
   • 安全管理
   • 檔案管理

   3. OS分類

   • 伺服器OS:CentOS,Ubuntu,Windows Server,AIX
   • 桌面OS:Windows 10,Mac OS
   • 移動裝置:Android,IOS,HarmonyOS

   4. 作業系統相關概念

   • interface,介面
   • ABI,應用程式二進位制介面
   • API,應用程式開發介面
   • 使用者態
   • 核心態
   • 系統呼叫
   • 函式呼叫
   • 使用者和核心空間
   • 程式語言:低階語言,高階語言

2. GNU

• 目的是編寫大量兼容於Unix的自由軟體.
• GPL:GNU General Public License
• 自由軟體基金會
• 允許使用者任意複製,傳遞,修改和再發布
• 基於GPL修改再發布的軟體,仍須遵守GPL,具有傳染性,過於嚴格,也一定程度上制約了其發展.

3. 開源

• 開源不等於免費,free的意思是自由不是免費.
• 世界上開源協議有上百種.

4. Linux

• 遵循GPL編寫的一個核心.
• 完整的Linux發行版=Linux核心+GNU工具套件
• Linux核心版本
  
• 目前較常見的Linux發行版本主要有:
  1. redhat
  2. debian
  3. slackware
  4. LFS

5. Linux哲學
   • 一切都是檔案(包括硬體裝置,/dev/sda)
   • 小型,單一用途的程式(ls,cat等)
   • 連結程式,共同完成複雜的任務(通過管道,重定向等方式實現)
   • 避免令人困惑的使用者節目(可以沒有GUI)
   • 配置資料儲存在文字中(/etc)