02 计算机基础

Posted 2020-08-25

仅为个人学习备忘，方便日后查阅  

一、红帽认证培训

红帽5.0培训认证考试

基础(RHCE)：

  RH033：基础

  RH133: 操作系统管理

  RH253：服务

红帽架构师（RHCA）:

  RH401：

  RH423： (红帽自己的 LDAP)

  RH442: 系统调优 black art,硬件运行的基本原理，操作系统基本原理。

       调优 (内存的使用，CPU的使用)

  RH436： 集群和存储

  RHS333：

集群：基本的负载均衡集群，高可用集群，高性能集群

二、电脑是怎么运行的

1. 程序如何运行

  

  CPU只有加载到指令以后才能执行，指令应该放在辅存上，或称为外存。

  

  外存包括 光盘、U盘、硬盘、软盘。(内存不能用来存数据)

  

  计算机在开机的时候，应该到底到哪个地方去加载指令（程序），需要通过在 Bios 中的 Boot (启动次序 ， boot sequence) 里指定。

  包括 ：

   Removable Devices 移动设备 ，例如 U盘,

   Hard Drive 硬盘, 

   CD-ROM Drive 光盘, 

   Network boot from Intel E1000

   自上而下，如果第一个没有，就去找第二个，如果第一个(例如U盘)有，第二个就不会管了。例如，假设硬盘上已经有系统了，想通过光盘重装一遍系统，就必须把启动次序中的 CD-ROM 调到硬盘上面去。

2. 计算机体系结构

  * 计算机体系结构之父 ： 冯·诺依曼。

       * 计算机由五大部件组成：

               (1) 运算器（计算器）：calculator，数学运算器，

                                只能进行加法运算和逻辑运算 (加法器、逻辑运算器)，负责运算

               (2) 控制器： 负责运算器到哪去取数据

               (3) 存储器： 存储数据 -- 指的是内存，

                             是编址存储设备，每个存储单元是 8 位，称为一个字节，每个字节都是有地址(独立引用单元)的。

                             内存是平面编址的，内存上的每一个存储单元在全局上有一个唯一的地址。

                             (平面编址：把整个国家放在一块进行编，1号、2号....

                               三维编址：国家 - 省 - ...)

                             

               (4) 输入设备：

               (5) 输出设备：

       * 计算器 + 控制器 = CPU 

       * 运算器从存储设备里拿到数据进行计算，再把运算结果放到存储器

      

  计算机的核心部件叫运算器 (加法器)

  

  加法器可能产生近位，从右向左进位，先计算个位，再计算十位，。。。

  一个加法器只能运算一位，如果需要进行两个3位数相加(例如 111 + 999)就需要3个加法器。因为每个加法器只能按照对应位进行一位数相加。

  

  电子计算机只支持二进制，为什么不能识别十进制？

  计算机是电设备，只支持2进制(0, 1) .

  由于电源的线路有电阻，本来输出的电压是1伏，可能最终输出是0.8，会导致不精确。如果是整数不精确还好，如果是小数，比如是0.11346，如何去调整电压会非常困难。所以用十进制来表示加法运算会非常麻烦。

  二进制就比较简单，有电就用1来表示（无论1伏，3伏还是8伏，只要有电就用1来表示），没电就用0来表示。这就比较简单，大大降低了计算机本身设计上的复杂度。

  

  每一次要进行加法运算，需要到存储器里面获取加数和被加数。程序由指令和数据组成，指令会告诉CPU，在存储器哪一个存储单元中放的是加数，哪一个存储单元中放的是被加数。

  控制器需要接受控制指令。  

  传输数据的线路，称为数据总线。

  对控制器而言，获取控制指令的线路，称为控制总线。

  指令也放在存储器当中，所以存储器当中，不仅有数据，还有指令。

  运算的结果放在内存中，控制器会告诉运算器内存中哪有空间，将结果放进内存。

  这一切都在 运算器、控制器、存储器之间完成。

  存储器初始的时候是空的，里面什么都没有，因为内存不能存储数据。对于用户来讲，我们首先需要将要运行的程序（指令+数据），先放到存储器里面去。然后运算器和控制器才能读到数据和指令。

  这就需要一个外围设备，将指令和数据存到存储器里面，从而运算器和控制器可以从内存中读指令。

  输出结果保存在存储器里面，如果一断电，存储器里面所有数据全部丢失。

  

  

  如果是32位的计算，需要很多根线，所以需要线路复用。用一根线可以用来传加数，也可以传被加数，还可以传指令。给他一个控制位，在CPU上有个控制线。

  如果使用一组线来传输加数和被加数，那就需要将数据记录，如果不能记录，当传入被加数时，加数就没了。所以需要设备将加数存起来，这个设备叫寄存器。

  运算器，寄存器，控制器是CPU的核心部件。一级缓存，二级缓存也是CPU的部件，但不是核心部件。但是它决定了CPU的性能。

3. 虚拟机

  虚拟机就是用软件的方式模拟出来这样一个运算器、控制器、存储器，等等。   

4. 启动开机的时候

  程序是由 指令 + 数据 组成的，而指令和数据必须载入内存才能实现。

  

  那加电自检 （POST: Power On and Self Testing ,加电自检，上电自检）如何完成的呢？计算机尚不知道自己有哪些盘，而且这些盘还要排次序(Boot Sequence中显示的结果从哪来的)。这个排次序的过程本身就是指令，谁来指挥这个过程呢？

  计算机必须要有 自举 的能力。它是借助于额外设备来实现的。

RAM: Random Access Memory 随机访问存储器 -- 存储器，内存。

ROM: Read Only Memory 只读存储器。里面存储的是适用于这台计算机的一堆指令，它能够映射到内存里面去。

  

  圆芯片。这里面的指令不会丢失，就算没电也不会丢失。一开机，计算机会自动的(通过硬件逻辑完成)将芯片里面的程序映射到内存的最底端，最开始那一段，运算器、控制器就会去读这段指令，这段程序就告诉你的主机，去探测有没有键盘，显卡，网卡等等各种硬件设备的。这个过程就叫加电自检。

三、外围设备

将所有外围设备通过总线跟核心相连，如何尽早得知是敲了键盘，而不是鼠标？

轮询：(poll) CPU不停地查看的方式，叫做轮询。 效率非常低。如果一天都没敲键盘，白看了。

中断：(interrupt) 硬件通知机制。谁敲了键盘，就通知CPU有人敲了键盘。

    当一个中断发生的时候，CPU怎么知道是键盘还是鼠标？这就需要一个控制芯片。在计算机内部有一个芯片，叫可编程中断芯片，它跟CPU针脚相连。这个控制器上有多根线，每一根线表示一个设备。举例，如果某个事件在第一根线上发生，就知道这个事件就是键盘的，在第二根线上发生，就知道这是鼠标的。

  可以在一根线上标识多个设备，用中断向量来表示。(比如一个服务器上接几百块硬盘) 

  硬盘也需要中断。 

  外围I/O设备就是通过不停的中断，来跟CPU或计算机核心进行交互的。如果中断的次数多了，主机的性能就会下降。

  很多设备的数据的读入读出都要通过中断来完成。如果是一个非常繁忙的服务器，需要通过网卡接收进来别人的请求，然后把对方请求的数据响应出去。如果网卡上非常繁忙，每秒产生2万个中断是很正常的。这时CPU为了处理中断就已经忙的不可开交了，性能下降。

前端总线：Front Side Bus（FSB）

四、南桥北桥

CPU要不停地跟内存打交道，因此CPU和内存之间需要有总线相连，而且中间还需要一个控制器。

北桥：(North Bridge) 高速总线控制器, 离CPU比较近。需要大量数据传输的，需要工作在比较高的频     率下的，快速实现数据交换的，都在北桥上进行连接。北桥早期是用来连接内存的。

南桥：(South Bridge) 低速总线控制器，离CPU稍微要远一点。(低速，例如敲键盘，敲的再快，一秒钟     能敲几次)。南桥与北桥相比要慢的多，大部分的 I/O 设备都在南桥上连接。南桥是用来连接外     围设备的，比如硬盘、键盘、鼠标、显示器等等。这些设备经过南桥汇总以后通过同一根线传给     北桥，由北桥再转给 CPU  。

设备是在一定的频率下进行工作的。

现在内存直接与CPU相连，北桥只负责连接南桥以及其他的总线的控制。

像现在的显卡，处理大量数据的时候，显存要表现一些图象处理，尤其一些3D渲染的时候，需要处理的数据量也非常大，很可能 VGA 芯片直接做在北桥上。

对于一些文件服务器来讲，比如一个 web 服务器，每个人请求的时候都要请求一个页面，页面要打开，称为网页。网页实际上是一个文件，是在服务器上存储的，一个人访问一个 web 服务器是没所谓的，如果一百万人同时访问一个页面，一个网页里面包括图片打开可能有2 M，一百万人同时访问是多少数据，这些数据如果要都是从硬盘上读，硬盘可能工作实在太繁忙，只有10万人能访问，后面90万人都在等着。所以 I/O 设备可能会变得非常慢。硬盘是接在南桥上的，为了让它工作在更高的频率下，可以把它接在北桥上。如果是机械硬盘，通过盘片旋转，接到北桥上也没用。如果是固态硬盘，可以直接在北桥上接固态硬盘，可以实现快速磁盘 I/O 。

五、CPU主频

赫兹：单位时间内某个事件所发生的周期数。

例如加法器，开关闭合代表1，那闭合多久加法器知道数据已经接收进来，而且暂存进来了呢？如果输入加数需要1秒钟，输入被加数需要1秒钟，计算输出又需要1秒钟，那一个计算周期要3秒钟才能完成。因为电传输非常快，而且里面线缆又非常短，开关闭合之后，电瞬间就能到达加法器。如果开关速度非常快，那就意味着加数和被加数的输入输出非常快。

一次频率就能完成一次事件，这次事件可能是完成加数的输入或被加数的输入。

1G = 10的9次方，1G赫兹代表一秒钟要完成10的9次方次变换。

假设CPU的工作频率是 1G赫兹，而内存工作频率是 1M 赫兹，速度不协调。内存的制造工艺决定，频率就是比较慢。更快的内存，成本要高的多。

将快的和慢的中间放一个中间设备，这个设备能够承上启下。

CPU有缓存，一级缓存，二级缓存，三级缓存。缓存的数字越小，说明他距离CPU越近，速度越快，造价越高，因此它就越小，越大就越贵。

寄存器可以与CPU相同的频率进行工作。一级缓存就慢的多了，一级缓存又分为指令缓存和数据缓存。二级缓存比一级缓存要慢，但它比内存要快。缓存要小于内存，一级缓存要小于二级缓存。

程序的局部性原理：时间上的局部性，空间上的局部性。

时间上的局部性：刚刚访问的数据，一会可能还要访问，缓存下来，从内存放到二级，再放到一级，下           次直接从一级缓存中直接就有了。如果以后不访问了，缓存下来就没有意义。

空间上的局部性：如果访问了一个数据，离这个数据非常近的数据可能马上就会被访问到。所以载入一           个数据的时候，把这个数据周围的数据一起载入进来。

六、程序的移植

计算机的硬件芯片，它的各种功能是通过针脚上有电没电来完成的。

Intel 公司生产的CPU，跟摩托罗拉公司生产的CPU，放在一块，它的运行机制可能不一样。一个程序员开发的程序在 Intel 的CPU 上能运行，在摩托罗拉的CPU上不一定能运行。

程序的移植：因为底层芯片的工作机制不同，而程序是必须要依赖芯片才能工作的。

七、汇编语言

机器语言：芯片运算程序的时候是二进制数，程序无论指令还是数据都是二进制的。用二进制编程使用       的语言，称为机器语言。

微码(汇编语言)：为了加快程序员开发速度，这个芯片的生产厂家将这个芯片的机器语言附带了一个微           码，每个芯片都支持微码编程.称为汇编语言。用人类的自然语言所能表示的单词，             例如，MOV。

          

程序员能理解的语言，机器理解不了，所以需要转换。将汇编语言开发的程序编译成机器语言，所以需要编译器。

八、API

微码是芯片自带的，所以Intel的微码和摩托罗拉的微码是不一样的。

汇编语言尽管人类容易识别，但它跟硬件芯片的结合程度非常紧密，所以这种语言称为低级语言。

高级语言：要能在CPU上运行，必需要转换成二进制格式。它也需要编译器。它先转换成汇编，再翻译成机器语言。高级语言要结合额外的机制，来弥合多种芯片之间的不同。

API: Application Programming Interface 应用程序编程接口。在不同的CPU上，使用汇编语言而写出    来的具有相同功能的程序。

九、常见的CPU系列

硬件平台架构：指的是CPU芯片的不同系列。

ARM: 移动硬件平台架构。 芯片特点是省电，性能也不错。

   英国公司，只生产知识产权，负责设计芯片。手持智能设备 andior IOS.

x86: 32位平台。AMD 与 Intel 是兼容的，没有太大区别，都是 x86 系列。

x64: x86 64, AMD 64

安腾：intel 从HP 收购。

alpha: HP 

UltraSparc: 斯坦福大学设计，后来卖给 sun，由富士通代为生产。

Power: IBM 第一个主频超过 4G 赫兹的CPU 

    (现在制造工艺遇到瓶颈，无法再提高，4G是个天花板。开始向多核心发展)

M68000: M68K 摩托罗拉

PowerPC: 苹果，摩托罗拉，IBM 三家联合

     苹果Mac OS 是 Unix, IOS 也是 Unix ，是FreeBS Unix 

Linux 几乎支持以上所有 CPU 类型。

十、操作系统 (os)

Windows

Linux

Unix:

   HP-UX : HP

   Solaris: SUN

   AIX: IBM

   SCO UNIX

   Unixware

os/2

十一、进程

早期计算机：

  输入设备，穿孔纸带；

  输出设备：发光二极管

程序员使用汇编写好程序，转换成二进制，用纸带机做成穿孔纸带。

计算机很快，输入输出很慢。

计算机运行1秒钟的代价都很昂贵，尽可能希望计算机只负责运算，而不干别的事情。

脱机批处理：

    两台计算机，一个慢的程序员负责编程，将程序存储在磁带上。一个快的负责从磁带上读        入程序，然后进行运算。磁带的缺点是不能随机访问。

    jobs: 计算机上运行的一次完整的计算过程，称为一个作业，job，多个作业称为 jobs 。

       早期的作业在磁带上，每一个磁带上放一个作业，作业完成了，将磁带拆下来，换下一          个。后来，在一个磁带上放多个作业。多个作业之间用分隔符隔开。

       例如：jobs1$$$$$$$$$$$$$$$jobs2.当第一个完成，自动去加载第二个。

   

在某一个时刻，仍然只能执行一个程序。因为内存只有一个，这个内存是被这个程序全权访问的。

两个程序交叉运行，第二个程序就会把第一个程序内存里面的数据损毁了。

第一个程序做完了，第二个程序在磁带上，为了把程序从磁带读入内存，这段时间CPU空闲。

计算能力是非常昂贵的，人们希望尽可能地让CPU繁忙起来。

多任务系统：计算机核心部件，CPU、Memory 。

        假如两个程序，每个程序执行需要10秒。

        将一个资源分成多份，CPU处理第一个程序1秒，停下来，保存现场，处理第二个程序1秒。         然后再处理第一个程序，从保存的现场处开始，向后继续。

CPU: 按时间划分

  slice: 计算时间 time slice ,5ms, 5ms

Memory: 分段机制

  第一个程序从第一段的 001开始

  第二个程序从第二段的 001开始

  地址就是相对的了。

  程序员仍然使用 001，内部由CPU或硬件来完成分段，从每一段的001开始

 虚拟地址空间：(不是虚拟内存) 假设是32位系统，不管真正有多少内存，就假设有4G内存。

         32位CPU一共地址总线只有32位，32位最多可以引用 2的32次方，即4G个不同的地址。

         32位系统最多只能使用4G的物理内存，这是由它的总线宽度决定的。

         64位系统就是2的64次方，即4G个4G 内存 (4亿个4G，可不是16G)

         每个程序运行的时候，都有自己的虚拟地址空间。不管你物理内存有多大，它认为有4G.

假设，CPU分配给一个程序5ms，如果时间到了，程序赖着不走，由操作系统负责管理硬件资源。

进程：process 一个正在运行的程序，是一个实例，称为进程。

    进程有生命周期，启动，结束。

    程序放在硬盘上，如果不删一直存在。

    所以程序和进程是两码事。

操作系统就是一个通用软件，这种软件不负责完成具体的工作，它只负责协调其他具体程序工作。

程序有执行入口，C语言的 main 函数，Java 的 public static 静态类

system call:

  系统调用：有了操作系统以后，任何程序都不能直接跟硬件打交道，要想使用硬件功能，必须通过操         作系统

库：是一堆程序，没有执行入口，自己不能独立运行，只能被其他程序调用(call)执行。它在执行的时   候，可以提供一个统一的调用机制，调用接口是一样的。

  系统调用(system call) 过于底层,将底层系统调用一个或多个功能封装起来，做成更高级的接口，   这个高级接口就是库，即 API 。

在windows上使用 windows提供的库进行编程，在 linux 上使用 linux提供的库进行编程，如果两个操作系统提供的库不一样，那在一个平台上开发的程序，在另一个平台上就运行不了了。

shell: 把计算机的功能，通过人类容易操作的方式输出一个接口，通过这个接口，才能真正去操作计算     机。shell 是人机交互接口，广义的 shell 有图形化的，有命令行的。