Linux 系统教程（笔记）

# 00. 计算机概论

# cpu: 负责大量运算

  • 微指令集会导致 CPU 的性能

  • 频率：CPU 每秒可以进行的工作次数，如 3.0 GHz 的 CPU 每秒可以进行 3*10 的 9 次方次

  • CPU 外频与倍频

    各个组件通过南桥与北桥连接至 CPU，

    • 外频：CPU 与外部组件进行数据传输/运算时的速度
    • 倍频：CPU 内部用来加速工作性能的一个倍数

    两者相乘才是 CPU 的频率，比如 3.0 GHz 的外频是 333 MHz，倍频就是 9 （3.0 G = 333M*9，其中 1 G = 1000M）

  • 超频

    倍频一般出厂已锁定，所以只能调整外频的数值，从而达到频率提高，但是不稳定

  • 32 位与 64 位

    CPU 运算的数据是由内存提供的，内存与 CPU 通信速度靠外部频率，那么每次可以传送数据量的大小就是总线的功能了，每次传送的位数称为「总线宽度」，也就是每秒钟可以传输的最大数据量。

    目前常见的总线宽度就是 32 位与 64 位（bit）

    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 的设计有 32 位与 64 位。

    所以早期 32 位 CPU 中只能最大支持 4 GB 的内存，就是因为每次解析数据量太小的缘故

  • CPU 等级

    CPU 的引脚位不统一导致出现了 i386、i586 等名词出现，64 位 CPU 统称为 x86_64 等级

# 内存

个人计算机的内存主要组件为动态随机访问内存（Dynamic Random Access Memory，DRAM）， 内存也分为频率/频宽，也就是有数据传输宽度。

  • 双通道设计：一条内存数据宽度为 64，那么双通道则变为 64*2

  • CPU 频率与内存的关系

    理论上应该一致为好，比如 CPU 外频为 333HMz，则应该选择内存外频为 333MHz 的较好

  • DRAM 与 SRAM

DRAM 就是内存，SRAM 就是把内做到到 CPU 中，也就是常听说的 L2 缓存，由于内置在 CPU 内部，传输速度更快

  • 只读存储器 ROM

    BIOS 中的数据就是存储在 ROM 中的，但是需要通电才会有数据持久效果，也就是为什么在台式机主板上会有一颗纽扣电池的原因了

# 硬盘

  • 硬盘物理组成

    硬盘由许多盘片、机械手臂、磁头与主轴马达所组成。

    数据是写在具有磁性物质的盘片上，而读写主要是通过在机械手臂上的读取头（head）来完成。 实际运行时，主轴马达让盘片转动，然后机械手臂可以伸展让读取头在盘片上面进行读写操作

  • 盘片上的数据

    • 扇区：每个扇区大小为 512 bytes，该值固定不变
    • 磁道：扇区组成的一个圆叫做磁道（Track）
    • 柱面：多硬盘上同一位置的磁道组成一个柱面，柱面也是我们分隔磁盘的最小单位了

  • 传输接口：不同的传输接口传输速度不同

    • IDE : 有跳针，理论上传输速度为每秒 133 MB
    • SATA：1 代每秒 150 MB，2 代每秒 300M

  • 容量：硬盘可以算一种消耗品，所以需要注意数据的重要性，该备份还得备份

  • 缓冲存储器

    类似一块小内存，作用是将常见数据缓存起来，加快访问。目前主流的产品可达 16 MB

  • 转速：因为是利用主轴马达转动盘片来访问，所以转速快慢会影响到性能

  • 运转须知：

    由于硬盘的构造，在读取数据时，避免硬盘抖动，造成磁头读写错误数据， 也应该避免非正常拔出插头，因为机械手臂必须要归回原位，所以正常的关机方式或则弹出，有利于硬盘的保养，因为会让硬盘的机械手臂归回原位

# 数据表示方式

计算机只认识 0 和 1，那么文字是怎么记录的呢？这个就是编码系统的工作了

# 数字系统

早期计算机适用的是利用通电与否的特性的真空管，通电就是 1，没通就是 0，这个也被沿用至今，称为二进制（Binary）。

十进制：逢十进一，比如 3456 的意义为：

3456 = 3*10^3 + 4*10^2 + 5*10^1 + 6*10^0

注意：10^0（10 的 0 次方）等于 1，10^1=10，10^2=100
1
2
3

二进制：逢二进一，比如 1101010 的计算方式为

一共 7 位
1101010 = 1*2^6 + 1*2^5 + 0*2^4 + 1*2^3 + 0*2^2 + 1*2^1 + 0*2^0
106     = 64    +   32  + 0*16  +   8   + 0*4   + 2     + 0*1

之前只知道二进制就是这样翻倍的规则，没有想到就是这样计算的。
1
2
3
4
5

二进制是计算机的基础，类似的 8 进制也是一样的。

那么十进制转二进制怎么做？刚刚是乘法，现在使用除法取余数就行了，比如

       除法      余数
106 = 106/ 2     0
    = 53 / 2     1
    = 26 / 2     0
    = 13 / 2     1
    = 6  / 2     0
    = 3  / 2     1
    =            1      -> 1 或则 0 是二进制中最小的单位了

    所以余数倒过来：1101010
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

计算机的加减乘除都是通过这样的机制来计算的，其他的还有补码等运算方式

# 文字编码

既然计算机都只有记录 0 或则 1，甚至记录数据都是使用 byte/bit 等单位来记录的， 1 byte = 8 bit （bit 也就是二进制中的位数）

那么当文字记录被存储时，实际上也是存储的 0 或则 1，再读取出来的话，就需要经过一个编码系统的处理才行。所谓的「编码系统」可以想象成是一个「字码对照表」，如下所示

十进制 对应字母
65 A
66 B
67 C

存储的二进制，经过编码系统之后还原为对应的文字。

常用的英文编码表为 ASCII 系统，这个编码系统中，每个符号（英文、数字或符号等）都会占用 1 B（Byte，也就是 8 b 位） 的记录，因此总共有 2^8 = 256 中变化。

中文编码系统，如 big5 (简体是 gb2312) ，每个中文会占用 2 B，理论上会有 2^16=65536，也就是最多可达 6 万多个中文字。但是并非所有的位数都是用来运用为对照表，所以并不会有 6 万多字。目前 big5 只定义了一万三千多个中文字，所以有好多繁体字无法显示。

big5 对于某些数据库系统来说是有问题的，比如 「许」、「盖」等字会被识别为单/双引号，可写入，但是读取出来就有问题了，乱码了。英文中也会出现这种的情况。

为了解决这个问题，国际组织 ISO/ICE 制定了 Unicode 编码系统，常常称呼为 UTF-8 编码。这个编码打破了所有国家的不同编码问题。

# 软件程序运行

# 机器程序与编译程序

计算机只认识 0 或 1，而且最重要的运算与逻辑判断是在 CPU 内部，而 CPU 是有微指令集的，因此需要 CPU 帮忙工作的时候，就需要参考微指令集内容，然后编写让 CPU 能识别的指令码，CPU 就能运行了。

这个过程有几个点很麻烦：

  • 需要了解机器语言：只认 1 或 0，那么你需要学习直接写给机器看的内容
  • 了解所有硬件相关功能函数：比如 DVD 播放影片，那么就需要参考光驱的硬件信息，写给光驱能看懂的指令码
  • 程序不具有可移植性：每个 CPU 都有独特的微指令集，每个硬件也有自己的功能函数，所以换一台计算机可能该程序就不能使用了。
  • 程序具有专一性：因为这样的程序需要针对硬件功能函数来编写，所以开发了浏览器程序，再开发文件管理程序的话，就得重新参考硬件的相关功能函数来编写，因此计算机科学家设计出了让人类看得懂的程序语言，然后创造一种「编译器」来将程序语言转译为机器能看得懂得机器码。比如 java 、 C 、C++ 等语言

编译器有了，但是在这样的环境下还需要考虑整体的硬件系统来设计程序，举例来说明：当你将运行的数据写入内存中，你需要自己分配一个内存块，让自己的数据能够填充上去，所以还需要了解内存的地址是如何定位的。

为了克服硬件方面老是需要重复编写句柄的问题，所以就有操作系统（Operating System OS）出现了

# 操作系统

在早期想要让计算机执行程序就要参考一堆硬件功能函数，并且需要学习机器语言才能实现。同时每次写程序时都必须要重新改写，因为硬件与软件功能不见得都一致。

所以如果能将所有硬件都驱动，并且提供一个开放软件的参考接口来给工程师开放软件的话，哪开放软件不就变得非常简单了？那么这个就是操作系统。

  • 系统内核（Kernel）

    其实也是一组程序，这组程序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

    比如，你的内核不支持 TCP/IP 协议，那么无论你购买什么网卡都不能支持上网。

  • 系统调用（System Call）

    所有的硬件由内核管理，那么开发程序就由参考硬件函数变为参考内核功能， 所以操作系统通常都会提供一整组开发接口给工程师使用。

    那么操作系统的角色就分为以下几个：

    1. 硬件
    2. 内核：主要管理硬件，提供合理的计算机系统资源分配（CPU、内存使用资源等）
    3. 系统调用
    4. 应用程序

    操作系统就是内核和系统调用

    为了保护内核，提供了一整组开发接口，这就是系统调用层。

  • 操作系统的内核层直接参考硬件规格写成，所以同一个操作系统程序不能够在不一样的硬件架构下运行

  • 操作系统只是在管理整个硬件资源：所以需要各种应用程序来驱动它工作

  • 应用程序的开发都是参考操作系统提供的接口，所以不能夸操作系统：如 win 上的程序不能再 linux 上运行

  • 内核功能

    内核主要负责计算机系统相关的资源分配与管理，最重要的就是 CPU 与内存了，所以至少有以下几个功能：

    • 系统调用接口（System call interface）

    • 程序管理（Process control）

      如多任务环境下，需要管理 CPU 什么时候执行哪个任务的指令

    • 内存管理（Memory management）

      内存很重要，当内存不足时，内核一般都会提供虚拟内存的功能，使用内存交换（Swap）功能

    • 文件系统（Filesystem management）

      例如数据的输入输出（I/O）等工作

    • 设备驱动（Device driver）

      硬件的管理是内核主要工作之一，驱动程序就是需要做的事情，现在有可加载模块功能， 可以将驱动程序编写成模块，就不需要重新编译内核了（后面会讲到）

# 重点回顾

  • 计算机的定义为：接受用户输入指令与数据，经由中央处理器的数据与逻辑单元运行处理后，以产生或存储成有用的信息

  • 计算机的五大单元

    • 输入单元
    • 输出单元
    • CPU 内部的控制单元
    • 算术逻辑单元
    • 内存

  • 数据会流进/流出内存是 CPU 所发布的控制指令，而与 CPU 实际要处理的数据则完全来自内存

  • CPU 依设计理念主要分为精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）系统

  • 关于 CPU 频率部分

    • 外频：指 CPU 与外部组件进行数据传输时的速度
    • 倍频：指 CPU 内部用来加速工作性能的一个倍数

    外频 * 倍频 = CPU 频率速度

  • 一般主板芯片组分为北桥与南桥

    • 系统总线：北桥的总线，因为是内存传输的主要信道，所以速度较快
    • 南桥：所谓的输入/输出（I/O）总线，主要在于联系硬盘、USB、网卡等接口设备

  • 北桥所支持的频率我们称为前端总线速度（Front Side Bus FSB），而每次传输的位数则是总线宽度

  • 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 的设计而又 32 和 64 为之分。

  • 个人计算机的内存主要组件为动态随机访问内存，至于 CPU 内部的第二层缓存则使用镜头随机访问内存

  • BOIS (Basic Input Output System) 是一套程序，该程序写死在主板上的一个内存芯片中，这个芯片只能在通电时才能记录数据，这就是只读存储器

  • 显卡的规则有 PCI/AGP/PCIe，目前主流为 PCIe

  • 硬盘是由盘片、机械手臂、磁头与主轴马达所组成的，其中盘片组成为扇区、磁道与柱面

  • 操作系统也是一组程序，这组程序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

  • 计算机主要以二进制作为单位，常用的磁盘容量单位为 Byte，其单位换算为 1 Byte = 8 bit

  • 操作系统仅在于驱动与管理硬件，而要使用硬件时，就的需要通过应用程序或则是 shell 功能，来调用操作系统操纵硬件工作。目前，操作系统除了上述功能外，通常已经包含了日常工作所需要的软件在内了

← Linux 是什么/如何学习 →