计算机基础知识超强总结!马哥教育出品

计算机系统

计算机系统由硬件(Hardware)系统和软件(Software)系统两大部分组成

计算机硬件

计算机(Computer):俗称电脑,是一种能接收和存储信息,并按照存储在其 内部的程序对海量数据进行自动、高速地处理,然后把处理结果输出的现代化 智能电子设备

发展历史:

  • 第一代计算机(1946-1957) 电子管时代

  • 第二代计算机(1958-1964) 晶体管时代

  • 第三代计算机(1965-1970) 集成电路时代

  • 第四代计算机(1971以后) 大规模集成电路时代

1946年,世界上第一台计算机ENIAC(electronic numerical integrator and calculator)在美国宾州大学诞生,是美国奥伯丁武器试验场为了满足计算弹道 需要而研制成的。使用了17468只电子管,占地170平方米,重达30吨,耗电 174千瓦,耗资40多万美元。每秒可进行5000次加法或减法运算

世界上第一台计算机

计算机硬件组成

冯·诺依曼体系结构: 1946年数学家冯·诺依曼于提出,计算机硬件由运算器、 控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成

冯·诺依曼

摩尔定律

由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔于1965年提出 当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月 便会增加一倍,性能也将提升一倍

按规模划分

巨型计算机:应用于国防尖端技术和现代科学计算中。巨型机的运算速度可达 每秒百万亿次以上, “天河一号”为我国首台千万亿次超级计算机

大型计算机:具有较高的运算速度,每秒可以执行几千万条指令,而且有较大 的存储空间。往往用于科学计算、数据处理或作为网络服务器使用,如:IBM z13 mainframe

小型计算机:规模较小、结构简单、运行环境要求较低,一般应用于工业自动 控制、测量仪器、医疗设备中的数据采集等方面

微型计算机:中央处理器(CPU)采用微处理器芯片,体积小巧轻便,广泛用 于商业、服务业、工厂的自动控制、办公自动化以及大众化的信息处理

服务器

服务器Server是计算机的一种,是网络中为客户端计算机提供各种服务的高性能的计算机,服务器在网络操作系统的控制下,将与其相连的硬盘、磁带、打 印机及昂贵的专用通讯设备提供给网络上的客户站点共享,也能为网络用户提 供集中计算、信息发布及数据管理等服务

服务器按应用功能可分为:

Web服务器、数据库服务器、文件服务器、中间件应用服务器、日志服务器、 监控服务器,程序版本控制服务器、虚拟机服务器、邮件服务器、打印服务器、 域控制服务器、多媒体服务器、通讯服务器、ERP服务器等

服务器按外形分类:

塔式服务器、刀片式服务器、机架式服务器

塔式Tower服务器

  • 早期的服务器形式

  • 外形以及结构和平时使用的立式PC差不多

  • 机箱空间大,主板扩展性较强,插槽较多

  • 预留了足够的内部空间以便日后进行硬盘和电源的冗余扩展。 设计一般都考虑降噪

  • 目前较少使用

刀片式Blade服务器

  • 在标准高度的机架式机箱内可插装多个卡式的 服务器单元,实现高可用和高密度

  • 更高的密度,集中管理,高性能,灵活扩展, 按需配置

  • 可以使用系统软件将这些母板集合成一个服务 器集群。在集群模式下,所有的母板可以连接 起来提供高速的网络环境,并同时共享资源, 为相同的用户群服务

机架式Rack服务器

  • 按照统一标准设计,配合机柜统一使用

  • 便于统计管理,高密度,节省空间

  • 机架服务器的宽度为19英寸(48.26cm), 高度以U为单位,如42U

  • 1U=1.75英寸=44.45毫米,通常有1U, 2U,3U,4U,5U,7U几种标准的服务器。机柜的尺寸也是采用通用的工业标准

  • 现阶段销售数量最多的服务器

  • 机箱尺寸比较小巧

  • 在机柜中可以同时放置多台服务器

服务器硬件组成

服务器配置示例

服务器硬件---CPU

CPU是Central Processing Unit的缩写,即中央处理器。由控制器和运算器构 成,是整个计算机系统中最重要的部分

服务器CPU公司

Intel

  • Xeon 至强

  • Itanium 安腾

AMD

  • Althlon MP

IBM

  • Power

  • 主频:主频是CPU的时钟频率(CPU Clock Speed),是CPU运算时的工作的频率 (1秒内发生的同步脉冲数)的简称。单位是Hz。一般说来,主频越高,CPU的 速度越快,由于内部结构不同,并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一样

  • 外频:系统总线的工作频率, CPU与外部(主板芯片组)交换数据、指令的工作 时钟频率

  • 倍频:倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数

  • 三者关系是:主频=外频x倍频

  • 高速缓存(cache):高速交换的存储器。CPU缓存分为一级,二级,三级缓存, 即L1,L2,L3

  • 内存总线速度(Memory-Bus Speed): 一般等同于CPU的外频,指CPU与二级(L2) 高速缓存和内存之间的通信速度

  • 地址总线宽度:决定了CPU可以访问的物理地址空间

CPU类型

  • x86

  • X64(CISC)

  • ARM(Acorn RISC Machine)

  • m68000, m68k(moto)

  • Power(IBM)

  • Powerpc(apple,ibm,moto)

  • Ultrasparc (Sun)

  • Alpha(HP)

  • 安腾(compaq)

微型计算机CPU的发展

服务器分类

  • 按照CPU体系架构来区分,服务器主要分为两类:

  • 非x86服务器:使用RISC(精简指令集)或EPIC(并行指令代码) 处理器,并 且主要采用UNIX和其它专用操作系统的服务器,指令系统相对简单,它只要求 硬件执行很有限且最常用的那部分执令,CPU主要有Compaq的Alpha、HP的 PA-RISC、IBM的Power PC、MIPS的MIPS和SUN的Sparc、Intel研发的EPIC 安腾处理器等。这种服务器价格昂贵,体系封闭,但是稳定性好,性能强,主 要用在金融、电信等大型企业的核心系统

  • x86服务器:又称CISC(复杂指令集)架构服务器,即通常所讲的PC服务器, 它是基于PC机体系结构,使用Intel或其它兼容x86指令集的处理器芯片的服务 器。目前主要为intel的Xeon E3,E5,E7系列,价格相对便宜、兼容性好、稳 定性较差、安全性不算太高

服务器硬件---主板

  • 主板mainboard、系统板systemboard或母板motherboard,安装在机箱内, 是计算机最基本的也是最重要的部件之一

  • 主板一般为矩形电路板,上面安装了组成计算机的主要电路系统,一般有BIOS 芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主 板及插卡的直流电源供电接插件等元件

服务器硬件---内存

内存是介于CPU 和外部存储之间,是CPU 对外部存储中程序与数据进行高速运 算时存放程序指令、数据和中间结果的临时场所,它的物理实质就是一组具备 数据输入输出和数据存储功能的高速集成电路

内存是CPU能直接寻址的存储空间,由半导体器件制成。内存的特点是存取速 度快

计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的,因此内存的性能对计算机的影 响非常大

外存:硬盘,U盘,软盘,光盘

内存和外存的区别: 内存断电后数据丢失 外存断电后数据可以保存

容量:即该内存的存储容量,单位一般为“MB”或“GB”

内存带宽:

  • 内存带宽是指内存与北桥芯片之间的数据传输率

  • 单通道内存节制器一般都是64-bit的,8个二进制位相当于1个字节,换算成 字节是64/8=8,再乘以内存的运行频率,如果是DDR内存就要再乘以2

  • 计算公式: 内存带宽=内存总线频率×数据总线位数/8

示例:DDR内存带宽计算

  • DDR2 667,运行频率为333MHz,带宽为 333×2×64/8=5400MB/s=5.4GB/s

  • DDR2 800,运行频率为400MHz,带宽为 400×2×64/8=6400MB/s=6.4GB/s

在线备用内存技术

  • 当主内存或者是扩展内存中的内存出现多 位错误时或者出现物理内存故障时,服务 器仍继续运行

  • 由备用内存接替出现故障内存的工作

  • 备用的内存区域必须比其它区域的内存容 量要大或相同

内存镜像

  • 镜像为系统在出现多位错或内存物理故障 时提供数据保护功能,以保证系统仍能正 常的运行

  • 数据同时写入两个镜像的内存区域

  • 从一个区域进行数据的读取

服务器硬件---硬盘

机械硬盘结构:

存储介质(Media)——盘片

盘片的基板是金属或玻璃材质制成,为达到高密度高稳定的质量,基板要求表 面光滑平整,不可有任何暇疵

读写头(Read Write Head)——磁头

磁头是硬盘读取数据的关键部件,它的主要作用就是将存储在硬盘盘片上的磁 信息转化为电信号向外传输

马达( Spindle Motor & Voice Coil Motor )

马达上装有一至多片盘片,以7200,10000,15000 RPM等定速旋转,为保持 其平衡不可抖动,所以其质量要求严谨,不产生高温躁音

机械硬盘示例图

硬盘基本参数:

容量

容量是硬盘最主要的参数。单位有MB、GB、TB

转速

转速是指硬盘盘片每分钟转动的圈数,单位为rpm。现在硬盘的转速已经达 到10000rpm,15000rpm

传输速率

传输速率(Data Transfer Rate) 。硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度,单位为兆字节每秒(MB/s)

缓存

硬盘缓存的目的是为了解决系统前后级读写速度不匹配的问题,以提高硬盘 的读写速度

硬盘接口类型:

  • IDE接口:硬盘接口规范,采用ATA技术规范

  • SCSI接口:应用于小型机上的高速数据传输技术

  • SATA接口: Serial ATA,提高传输速率,支持热插拔

  • SAS接口: Serial Attached SCSI,兼容SATA

目前主流的硬盘接口为SATA和SAS接口

服务器的性能短板:

如果CPU有每秒处理1000个服务请求的能力,各种总线的负载能力能达到500个, 但网卡只能接受200个请求,而硬盘只能负担150个的话,那这台服务器得处理能 力只能是150个请求/秒,有85%的处理器计算能力浪费了

在计算机系统当中,硬盘的读写速率已经成为影响系统性能进一步提高的瓶颈

SSD硬盘:

SSD(Solid State Disk)泛指使用NAND Flash组成的固态硬盘。其特别之处在于 没有机械结构,以区块写入和抹除的方式作读写的功能,因此在读写的效率上,非 常依赖读写技术上的设计SSD读写存取速度快,性能稳定,防震性高,发热低,耐低温,电耗低,无噪音。因为没有机械部分,所以长时间使用也出现故障几率也较 小。缺点:价格高,容量小,在普通硬盘前毫无性价比优势

服务器硬件---阵列卡

Raid卡:

用来实现RAID的建立和重建,检测和修复多位错误,错误磁盘自动检测等功能。RAID芯 片使CPU的资源得以释放

阵列卡(RAID卡)的作用

  • 阵列卡把若干硬盘驱动器按照一定要求组成 一个整体、由阵列控制器管理的系统。

  • 阵列卡用来提高磁盘子系统的性能及可靠性

阵列卡参数

  • 支持的RAID级别

  • 阵列卡缓存

  • 电池保护

服务器硬件---电源

电源和风扇

  • 支持服务器的电力负载

  • 支持冗余,防止电源故障

– 故障预警和防止

– 故障之前的预防性维护

– 保证服务器持续运行

  • 电源子系统包括

– 智能电源和风扇

  • 冗余电源和风扇

各种电源

服务器硬件---显卡

服务器都在主板上集成了显卡,但是显存容量不高,一般为16M或32M GPU: Graphic Processing Unit,即“图形处理器”

服务器硬件---网卡

服务器都在主板上集成了网卡,传输速率为1Gbps,即千兆网卡 特殊应用需要高端网卡,如光纤网卡,Infiniband网卡等,传输速率能达到10Gbps、 20Gbps,即万兆网卡

服务器硬件---热插拔技术

热插拔技术

  • 称为热交换技术(Hot Swap),允许在不关机的状态下更换故障热插拔设备

  • 常见的热插拔设备:硬盘,电源,PCI设备,风扇等

  • 热插拔硬盘技术与RAID技术配合起来,可以使服务器在不关机的状态下恢复故 障硬盘上的数据,同时并不影响网络用户对数据的使用

服务器硬件---机柜

机架式服务器-服务器放置在机柜中

通常使用的机柜是42U(约2米高)机柜( 1U=44.45mm)

机架式服务器-机架及其配件

存储基础知识---存储网络

用于存放数据信息的设备和介质,是计算机系统的外部存储,数据可安全存放, 长期驻留

传统的存储:

磁盘阵列:

存储网络:

  • DAS-----直接连接存储(Direct Attached Storage)

  • NAS-----网络连接存储(Network Attached Storage)

  • SAN-----存储区域网络(Storage Area Networks)

直接存储(Direct Attached Storage)。存储设备与主机的紧密相连

  • 管理成本较低,实施简单

  • 储时直接依附在服务器上,因此存储共享受到限制

  • CPU必须同时完成磁盘存取和应用运行的双重任务,所以不利于CPU的指令周 期的优化,增加系统负担

网络连接存储(Network Attached Storage):

通过局域网在多个文件服务器之间实现了互联,基于文件的协议( NFS、NFS、 SMB/CIFS等 ),实现文件共享

  • 集中管理数据,从而释放带宽、提高性能

  • 可提供跨平台文件共享功能

  • 可靠性较差,适用于局域网或较小的网络

存储区域网络(Storage Area Networks,SAN)

利用高速的光纤网络链接服务器与存储设备,基于SCSI,IP,ATM等多种高级协 议,实现存储共享

  • 服务器跟储存装置两者各司其职

  • 利用光纤信道来传输数据﹐以达到一个服务器与储存装置之间多对多的高效能、 高稳定度的存储环境

  • 实施复杂,管理成本高

操作系统

OS: Operating System,通用目的的软件程序

  • 硬件驱动

  • 进程管理

  • 内存管理

  • 网络管理

  • 安全管理

  • 文件管理

OS分类:

  • 服务器OS:RHEL, CentOS,Windows Server,AIX

  • 桌面OS:Windows 10,Windows 7,Mac OS,Fedora

  • 移动设备OS:Andriod,IOS,YunOS

开发接口标准

ABI: Application Binary Interface

ABI描述了应用程序与OS之间的底层接口,允许编译好的目标代码在使用兼容 ABI的系统中无需改动就能运行

API:Application Programming Interface

API定义了源代码和库之间的接口,因此同样的源代码可以在支持这个API的任 何系统中编译

POSIX: Portable Operating System Interface

IEEE在操作系统上定义的一系列API标准

POSIX兼容的程序可在其它POSIX操作系统编译执行

运行程序格式:

Windows: EXE, .dll(dynamic link library),.lib

Linux: ELF, .so(shared object), .a

Library function和system call

用户和内核空间

用户空间:User space

用户程序的运行空间。为了安全,它们是隔离的,即使用户的程序崩溃,内核也不受影响

只能执行简单的运算,不能直接调用系统资源,必须通过系统接口( system call),才能向内核发出指令

内核空间:Kernel space

是 Linux 内核的运行空间

可以执行任意命令,调用系统的一切资源

示例:

str = “www.magedu.com' // 用户空间

x = x + 100 // 用户空间

file.write(str) // 切换到内核空间

y = x + 200 // 切换回用户空间

说明:第一行和第二行都是简单的赋值运算,在 User space 执行。第三行需要写入文件,就 要切换到 Kernel space,因为用户不能直接写文件,必须通过内核安排。第四行又是赋值运算, 就切换回 User space

编程语言

低级语言

机器语言:0和1

汇编语言:和机器语言一一对应,与硬件相关的特有代码、驱动程序开发

中级语言:C

系统级应用、驱动程序

高级语言: java,python,go,php,Objective-C,C#

应用级程序开发

服务器三大操作系统

  • Windows:

  • Linux:GNU/Linux

  • Unix:1969年Ken Thompson

System: Bell Lab

  • AIX (IBM)

  • Solaris (SUN)

  • HP-UX (HP)

BSD: (BSRG)Berkeley System Distribution

  • NetBSD

  • OpenBSD

  • FreeBSD

服务器操作系统市场

UNIX历史

兼容分时系统

兼容分时系统Multics

为了进一步强化大型主机的功能,让主机的资源可以提供更多的使用者来利用, 所以在1964年, 由贝尔实验室(Bell)、麻省理工学院(MIT)及奇异公司(GE美国 通用电气公司)共同发起了Multics(多路信息计算系统)的计划, Multics计划 的目的是让大型主机可以同时支持300个以上的终端机连线使用。不过,到了 1969年前后,由于计划进度缓慢,资金也短缺,所以该计划虽然继续在研究, 但最终贝尔实验室还是选择了退出

Ken Thompson:一切为了游戏

1966年从加州大学伯克利分校毕业的Ken Thompson加入了贝尔实验室。参与 了Multics系统的研发。他基于Multics开发了“star travel”游戏。不幸的是, 1969年由于贝尔实验室退出Multics项目,这同时意味着Ken将没有机器可以再 玩这个游戏了。面对此情此景,Ken作为一个创造者的本性立即体现了出来,于 是他决定自己写一个操作系统来满足他玩游戏的需要,Ken找到了一台废弃已久 的老式PDP-7,并在这台机器上重写了他的游戏。在这个过程中,Ken有了一个 主意,要开发一个全新的操作系统。利用PDP-7上的汇编语言,Ken只花了一个 月就编写完了操作系统的内核,在这个一个月中,他一周一个内核,一个文件 系统,一个编辑器和一个编译程序的完成

Unix历史

1965前后 Multics

贝尔实验室,麻省理工,通用电气发起

1969 Unix雏形UNICS

Ken Thompson 汇编语言 B语言

1973 正式命名为Unix

Dennis Ritchie C语言

1977 BSD

Berkeley Software Distribution 伯克利大学

1979 System V架构 版权声明

HP-UNIX IBM AIX “不对学生提供源码” 收回版权

1984年 Minix操作系统

Andrew S. Tanenbaum荷兰阿姆斯特丹自由大学计算机科学系

GNU

  • GNU(GNU is Not Unix)

  • 1984年由Richard Stallman发起并创建

  • 目标是编写大量兼容于Unix系统的自由软件

  • 官方网站:http://www.gnu.org

  • GPL(GNU General Public License)

  • 自由软件基金会:Free Software Foundation

  • 允许用户任意复制、传递、修改及再发布

  • 基于自由软件修改再次发布的软件,仍需遵守GPL

  • LGPL(Lesser General Public License)

  • LGPL相对于GPL较为宽松,允许不公开全部源代码

  • GNU操作系统:Hurd Hird of Unix-Replacing Daemons

Linux起源

1991年的10月5日,Torvalds在comp.os.minix新闻组上发布 消息,正式向外宣布他自行编写的完全自由免费的内核诞生 (Freeminix-like kernel sources for 386-AT)——— FREAX,英文含义是怪诞的、怪物、异想天开

类Unix的内核,在GPL下发布

官网:www.kernel.org

Linux操作系统:

  • 完整的类UNIX操作系统

  • Linux内核+ GNU工具

  • 如:CentOS,Ubuntu,Android

Linux团队

Linux发行版

  • slackware:SUSE Linux Enterprise Server (SLES)

OpenSuse桌面

  • debian: ubuntu,mint

  • redhat: RHEL: RedHat Enterprise Linux

每18个月发行一个新版本

CentOS:兼容RHEL的格式

中标麒麟:中标软件

Fedora:每6个月发行一个新版本

  • ArchLinux:轻量简洁

  • Gentoo:极致性能,不提供传统意义的安装程序

  • LFS: Linux From scratch 自制Linux

  • Android: kernel+busybox(工具集)+java虚拟机

  • Linux分支参考网站:

http://futurist.se/gldt/ http://www.mindpin.com/d3js-demo/linux/

REDHAT红帽公司

  • Marc Ewing早在卡内基梅隆大学读书的时候就戴着他祖父 的红色曲球帽. Marc在Marc Ewing大学常把自己的软件命 名为Red Hat — Red hat 1, Red Hat 2 用来区别他人的软 件. 所以当他开始自己的Linux项目, 自然就会命名为Red Hat Linux。Ewing非常乐于帮助同学解决计算机问题 “你 的朋友可能会说, 去跟我的朋友Marc交流. 谁是Marc? 他是 红帽男孩. ” 所以, 至少在他们最亲密的朋友当中, 红帽子成 为了技术专家的同义词

  • 1993年,Bob Young 建立了ACC公司,营销Linux和UNIX 的支持软件和书籍杂志。

  • 1995年,Bob Young 收购了Marc Ewing的业务,合并后 的ACC公司成为新的Red Hat软件公司,发布了Red Hat Linux 2.0

Linux内核

Linux的内核版本由3部分组成

Linux版本号的命名

  • 主版本号

  • 次版本号

  • 末版本号

  • 打包版本号

  • 厂商版本

Linux发行版本

Linux发行版的名称和版本号是由发行版的维护者决定的

RedHat Enterprise Linux 7.3

由Red Hat公司发布

SUSE Linux Enterprise Server 12 SP2

由Novell公司发布

Debian Linux 9

由Debian维护社区发布

Android 8.0

由Google公司发布

红帽发行版本

开源 Open Source

开源: Open Source ,软件和源代码提供给所有人

  • 自由分发软件和源代码

  • 能够修改和创建衍生作品

软件分类:

  • 商业

  • 共享

  • 自由 free

开源协议

世界上的开源许可证,大概有上百种

  • GPLv2, GPLv3, LGPL(lesser) :通用公共许可 copyleft

  • Apache: apache

  • BSD: bsd

  • Mozilla

  • MIT

Linux哲学思想

  • 一切都是一个文件(包括硬件)

  • 小型,单一用途的程序

  • 链接程序,共同完成复杂的任务

  • 避免令人困惑的用户界面

  • 配置数据存储在文本中

获取发行版

CentOS

  • https://wiki.centos.org/Download

  • http://mirrors.aliyun.com

  • http://mirrors.sohu.com

  • http://mirrors.163.com

虚拟机

虚拟机:用软件(如:vmware,virtualbox等)模拟硬件

使用vmware workstation

  • CPU:默认

  • 内存:1G以上,推荐2G

  • 硬盘:一块硬盘,200G

  • 网卡:桥接或仅主机模式

  • 光盘:挂载对应版本的ISO文件

(0)

相关推荐