零基础学习计算机的基本知识（计算机基础知识超强总结）

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

【PDF版资料领取方式见下图，更多计算机知识同样可领取】

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