计算机最主要的工作原理(计算机最主要的工作原理是啥)

计算机最主要的工作原理

计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作，依此进行下去，直至遇到停止指令。程序与数据一样存取，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理，这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯诺依曼于1945年提出来的，故称为冯诺依曼原理，冯诺依曼体系结构计算机的工作原理可以概括为八个字：存储程序、程序控制。

计算机硬件与组成原理基础(二)

0.5.5 Raid卡（阵列卡）

当企业网站（业务）数据量很大的时候，单块盘装不下了的时候，若购买多块盘存放数据，就需要利用工具（Raid）把所有硬盘整合成一个大硬盘，再在这个大硬盘上分区（划分隔断、虚拟磁盘）存放数据，但是硬盘多了势必会有损坏，可数据是不能丢的，因此，Raid还具备另外一大功能，就是多块盘放置在一起可以配置冗余（备份），即使若干硬盘有损坏，数据也不会丢失，又因为业务对多块硬盘存储的数据访问效率也有需求，因此，Raid分成了不同的级别。比如，Raid0、Raid1、Raid10、Raid5等，更多具体划分情况在本书后文详细说明。

那么，什么是Raid呢？它其实是一种技术，叫磁盘冗余阵列，Raid的实现有软Raid（即软件实现）和硬Raid（即硬件实现），二者的主要区别就是，硬件Raid的实现性能、冗余都更好、更高。不过，在真正的企业重要服务器里，Raid几乎是不被采用的，请读者注意这点。

0.5.5.1 Raid卡（阵列卡）的好处可以将所有硬盘整合到一起（扩充容量）。可以使得数据更加安全（数据冗余）。可以获得更高的效率（读写性能）。

如果有Raid卡后，则一般会将磁盘连接到Raid卡上，而不是直接插到主板上，Raid卡最终将插到主板对应插槽里。 与Raid卡相关的内容如图0-27和图0-28所示.

图0-27 Dell服务器的Raid卡

图0-28 确保数据安全的Raid卡电池

前面已提到过，Raid分软Raid和硬Raid，其中，硬Raid卡又分两种，具体如下：

服务器板载Raid卡，缺点。支持Raid0或1级别。独立Raid卡，支持更多功能。0.5.5.2 Raid的多种整合方式（Raid级别）

Raid的级别有很多种，常见的Raid级别有Raid0、Raid1、Raid5、Raid10。

互联网公司服务器一般都会购买独立Raid卡，Raid卡上也是有缓存的，具体说明如下：

优点：存储效率较高。

缺点：安全性较低。

优点：存储安全性更高

缺点：存储效率较低

冗余从好到坏：Raid1、Raid10、Raid5、Raid0性能从好到坏：Raid0、Raid10、Raid5、Raid1成本从低到高：Raid0、Raid5、Raid1、Raid10小作业：了解Raid常见级别、冗余、性能和特点，这部分知识在本书后文Linux运维图（或者下一部图书）中会详细讲解，读者可先大致了解，然后跟着本系列书学习。0.5.6 光驱

光驱作为一个设备也已经几乎退出历史舞台了，几乎所有的影视剧、音乐等也都不再使用光盘发行。

在企业应用中，光驱主要用于为服务器装系统，不过，出于为公司省钱考虑，可在购买服务器时淘汰光驱，换成下面的高效安装方式。

用U盘做镜像来安装系统。还可以用更高端的网络安装（ftp、http），无人值守批量安装系统（pxe+kickstart）。参考文档：blog.oldboyedu.com/autoinstall…blog.oldboyedu.com/autoinstall…0.5.7 远程管理卡

远程管理卡是服务器特有的远程管理部件，在家用电脑及笔记本电脑上是不存在的，如图0-29所示。

远程控制卡作用是通过网络远程（异地）开关服务器，并可以查看服务器开关的过程等信息，早期（2010年以前），服务器托管在IDC机房，如果出现问题，运维人员必须亲自到机房或者请机房中的人管理，有了管理卡之后，运维人员管理服务器的效率就大大提高了。

图0-29 Dell服务器的远程控制卡

远程管理卡分为服务器自带远程管理卡和独立远程管理卡两类。服务器自带的远程管理卡，可以关机、开机，但是看不到开关服务器的过程。因此，建议为服务器配备独立的远程管理卡，成本上可能会多花人民币100元左右，但是好处是很明显的，当服务器出现问题时，不用打车或出差，也不用给机房人员打电话来，而是可以利用管理卡快速查看服务器故障及恢复服务。

dell - idracHP - iloIBM - RSA复制代码0.5.8 机房里的服务器简介

服务器一般是放在机房的机柜里面的，一定要为服务器的各类线贴上规范标签，标记出每根线的用途等必要信息，如图0-20和图0-31所示。

图0-30 服务器网线上的标签

图0-31 服务器电源线上的标签

作为一名专业的Linux运维人员，不仅要熟悉Linux运维基础，在工作中也需要更专业和规范，下面是关于运维人员专业性的一篇文章，希望能提供一些启发。

0.5.9 主板（普通电脑）

主板实际上就是一块电路板，相当于人体的骨架，CPU、内存、硬盘、Raid卡等所有的硬件设备最终都要连接主板上，才能正常工作。图0-32展示的是普通台式电脑的主板示意图。

图0-32 普通台式电脑的主板示意

这里主要介绍一下南桥芯片、北桥芯片和BIOS芯片。

南桥芯片（South Bridge）是主板芯片组的重要组成部分，一般位于主板上离CPU插槽较远的下方、PCI插槽的附件，这种布局是考虑到它所连接的I/O总线较多，离处理器远一点有利于布线。相对于北桥芯片来说，其数据处理量并不算大，所以南桥芯片一般都没有覆盖散热片。南桥芯片不与处理器直接相连，而是通过一定的方式（不同厂商各种芯片组有所不同，例如，英特尔的英特尔Hub Architecture以及SIS的Multi-Threaded“妙渠”）与北桥芯片相连。

南桥芯片负责I/O总线之间的通信，如PCI总线、USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等，这些技术相对来说一般比较稳定，所以在不同的芯片组中，它们的南桥芯片是一样的，不同的只是北桥芯片。南桥芯片的发展方向主要是集成更多的功能，例如网卡、Raid、IEEE 1394，甚至是WI-FI无线网络等。图0-32中，中间靠下的那个较大的芯片就是主板的南桥芯片。

北桥芯片（North Bridge）负责与CPU的联系，并且会控制内存、AGP数据在北桥内部的传输，提供对CPU的类型和主频、系统的前端总线频率、内存的类型（SDRAM，DDR SDRAM以及RDRAM等等）和最大容量、AGP插槽、ECC纠错等的支持，整合型芯片组的北桥芯片还集成了显示核心。北桥芯片就是主板上离CPU最近的芯片，这主要是考虑到北桥芯片与处理器之间的通信最为密切，因此，为了提高通信性能而缩短了传输距离。因为北桥芯片的数据处理量非常大，发热量也越来越高，所以现在的北桥芯片都覆盖着散热片以加强散热，有些主板的北桥芯片还会配合风扇进行散热。

图0-33 BIOS芯片图

BIOS（Basic Input Output System）芯片（CMOS芯片）（如图0-33所示）负责主板通电后各部件的自检、设置和保存，一切正常后才能启动操作系统。其记录了电脑最基本的信息，是软件与硬件打交道的最基础的桥梁，没有它，电脑就不能正常工作。

常见的三种BIOS为Award、AMI、Phoenix。

0.6 计算机和服务器的主要构成图解

一台计算机是由许许多多的零部件组成的，只有这些零部件组合在一切协调的工作，才能称之为电脑（如图0-34所示）。计算机发展到现在，虽然零部件都有了很大的变化，但其工作原理却没有变化，其中包括主板、CPU、内存、硬盘、显卡、声卡等，其基本工作原理如图0-35所示。

图0-34 服务器核心零件形象图解

图0-35 计算机核心零件之间的关系

首先，用户通过鼠标、键盘等输入设备，将文字、图形等传给计算机，通过CPU（复制控制和计算）进行处理，需要永久存储的数据将会存储到硬盘里，需要持久执行的程序将会调度到内存（RAM）里运行，需要显示的信息就通过显示器等设备显示给用户。

图0-36是计算机硬件设备的三角形图解，为读者了解计算机设备提供参考。

上文有关电脑硬件的介绍纯属扫盲用的，读者了解一些硬件基础就够用了，下面将详细讲解服务器的核心部件组成及相关的知识点，这对于想了解企业Linux运维工作核心的读者来说就是关键知识了。

图0-36 计算机硬件设备的三角形图解

0.7 计算机系统基础0.7.1 冯·诺依曼计算机

提到计算机，就不得不提及在计算机的发展史上做出杰出贡献的著名应用数学家冯·诺依曼（Von Neumann），是他带领专家提出了一个全新的存储程序的通用电子计算机方案。这个方案规定了新机器由5个部分组成：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出（如图0-37所示）。并描述了这5个部分的职能和相互关系。这个方案与早期的ENIAC相比，有两个重大改进：一是采用二进制；二是提出了“存储程序”的设计思想，即用记忆数据的同一装置存储执行运算的命令，使程序的执行可自动地从一条指令进入到下一条指令。这个概念被誉为计算机史上的一个里程碑。计算机的存储程序和程序控制原理被称为冯·诺依曼原理，按照上述原理设计制造的计算机称为冯·诺依曼机。

图0-37 计算机的组成框架

简单概况，冯·诺依曼计算机结构包含3条重要的设计思想，具体如下。

计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。以二进制的形式表示数据和指令。程序预先存入存储器中，计算机在工作中能够自动地从存储器中取出程序指令并加以执行。0.7.2 计算机系统的基本工作原理0.7.2.1 计算机的指令系统

指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能够完成的某一种操作。一条指令通常由如下两个部分组成：

操作码：它用于指明该指令要完成的操作，如存数、取数等。操作码的位数决定了一个机器指令的条数。当使用定长度操作码格式时，若操作码位数为n，则指令条数可有2n条。操作数：它是指操作对象的内容或者所在的单元格地址。在大多数情况下是地址码，地址码有0~3位。从地址代码得到的仅是数据所在的地址，既可以是源操作数的存放地址，也可以是操作结果的存放地址。0.7.2.2 计算机的工作原理

计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。计算机在工作时，共有两种信息在流动，一种是数据流，另一种是控制流。

数据流是指原始数据、中间结果、结果数据、源程序等。控制流是由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令，用于指挥各部件协调地工作。

下面，通过指令的执行过程来认识计算机的基本工作原理吧！计算机的指令执行过程可分为如下几个步骤。

1）取指令。从内存储器中取出指令送到指令寄存器。

2）分析指令。对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电信号，并由地址码确定操作数的地址。

3）执行指令。它是由操作控制线路发出的完成该操作所需要的一系列控制信息，以完成该指令所需要的操作。

4）为执行下一条指令作准备。形成下一条指令的地址，指令计数器指向存放下一条指令的地址，最后控制单元将执行结果写入内存。

上述步骤走完，也就完成了一条指令，一条指令的执行过程叫做一个“机器周期”。指令的执行过程如图0-38所示。

图0-38 指令的执行过程

计算机在运行时，CPU从内存读取一条指令到CPU内执行，指令执行完毕，再从内存读取下一条指令到CPU执行。CPU不断地读取指令、分析指令、执行指令，再读取下一条指令，这就是程序的执行过程。

总之，计算机的工作就是执行程序，即自动连续地执行一系列指令，而程序开发人员的工作就是编制程序，使计算机持续地工作。

0.7.3 计算机数据记录单位

由于计算机是通过电位记录信息的，因此仅能识别0和1这两个数字，故而在计算机内部，数据都是以二进制的形式存储和运算的，下面就来介绍计算机数据的常用计量单位。

0.7.3.1 位(bit)

计算机存储数据的最小单位为 位(bit)，中文称为比特，一个二进制位只能表示0或1两种状态，要表示更多的信息，则要把多个位组合成一个整体，一般以8位二进制组成一个基本单位。由于比特这个单位太小了，因此用比特作为单位的情况比较少，网络带宽速率一般用Mbit/s来表示，正常的下载速度就是1Mbit/s=128KBytes/s，这就是我们购买了1MB的带宽，而实际下载速度为128KBytes/s的原因。

0.7.3.2 字节（Byte）

字节是计算机数据处理的基本单位。 字节（Byte）简记为B，规定1字节为8位，即1B=8bit。每个字节由8个二进制位组成。一般情况下，一个ASCII码占用1字节，一个汉字占用2~4个字节。

0.7.3.3 数据的换算关系

1Byte=8bit，1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB，1PB=1024TB，1EB=1024PB，1ZB=1024EB，1YB=1024ZB，1DB=1024YB，1NB=1024DB。

0.7.4 计算机常用计数制

用若干数位（由数码表示）的组合去表示一个数，各个数位之间是什么关系，即逢“几”进位，这就是进位计数制的问题。也就是数制问题。数制，即进位计数制，是人们利用数字符号按进位原则进行数据大小计算的方法。通常是以十进制来进行计算的。另外，还有二进制、八进制和十六进制等。

在计算机的数制中，要掌握3个概念，即数码、基数和位权。下面简单地介绍这3个概念。

数码：一个数制中表示基本数值大小的不同数字符号。例如，八进制有8个数码，即0、1、2、3、4、5、6、7。基数：一个数值所使用数码的个数。例如，八进制的基数为8，二进制的基数为2.位权：一个数值中某一位上的1所表示数值的大小。例如，八进制的123，1的位权是64，2的位权是8，3的位权是1。0.7.4.1 十进制（Decimal notation）

十进制的特点具体如下。

包含10个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。基数：10。逢十进一（加法运算），借一当十（减法运算）。十进制转换十进制计算式说明：例如，将一个整数123456转换为十进制表示的计算式为：123456=110^5+210^4+310^3+410^2+510^1+610^00.7.4.2 二进制（Binary notation）

二进制的特点具体如下。

包含两个数码：0、1。基数：2。逢二进一（加法运算），借一当二（减法运算）。二进制转换为十进制的计算式举例说明如下。例如，将一个二进制数1101转换为十进制表示的计算式为：12^0+02^1+12^2+12^3=130.7.4.3 八进制（Octal notation）

八进制的特点具体如下。

包含8个数码：0、1、2、3、4、5、6、7。基数：8。逢八进一（加法运算），借一当八（减法运算）。八进制转换为十进制的计算式举例说明如下。例如，将一个八进制数123转换为十进制的计算式为：38^0+28^1+1*8^2=830.7.4.4 十六进制（Hexadecimal nonation）

十六进制特点具体如下。

包含16个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。基数：16逢十六进一（加法运算），借一当十六（减法运算）。在16个数码中，A、B、C、D、E和F这6个数码分别代表十进制的10、11、12、13、14和15，这是国际上通用的表示法。十六进制转换为十进制的计算式举例说明如下。例如，将一个十六进制数5F3A转换为十进制的计算式为：1016^0+316^1+1616^2+516^3=24634二进制数与其他数之间的对应关系如表0-6所示。表0-6 几种常用进制之间的对照关系0.8 计算机中数据表示0.8.1 数值数据的表示0.8.1.1 机器数和真值

计算机中使用的是二进制，因此只有0和1这两种值。一个数在计算机中的表示形式，称为机器数。机器数所对应的原来的数制称为真值，由于采用二进制必须把符号数字化，因此通常是用机器数的最高位作为符号位的，但仅用来表示数符。若该为位0，则表示正数；若该位为1，则表示负数。机器数也有不同的表示法，常用有3种：原码、补码和反码。

机器数的表示法：用机器数的最高位代表符号（若为0，则代表正数；若为1，则代表负数），其数值位为真值数的绝对值。举例用8位二进制数表示一个数，如图0-39所示。

图0-39 用8位二进制表示一位数

在数的表示中，机器数与真值的区别是：真值带符号如-0011100，机器数不带数符，最高位为符号位，如10011100，其中最高位1代表符号位。

例如：真值数为-0111001，其对应的机器数为10111001，其中最高位1，表示该数为负数。

0.8.1.2 原码、反码、补码的表示

在计算机中，符号位和数值位都是用0和1表示的，在对机器数进行处理时，必须考虑到符号位的处理，也就是对符号和数值的编码方法。常见的编码方法有原码、反码和补码这3中方法。下面分别讨论这3中方法的使用。

（1）原码的表示

一个数X的原码表示为：符号位用0表示正，用1表示负；数值部分为X的绝对值的二进制形式。记X的原码表示记为[X]原。

例如：当X=+1100001时，则[X]原=01100001。

当X=-1100101时，则[X]原=11110101。

在原码中，0有两种表示方式：

X=+0000000时，则[X]原=00000000。

X=-0000000时，则[X]原=10000000。

（2）反码的表示

一个数X的反码表示方法为：若X为正数，则其反码和原码相同；若X为负数，在原码的基础上，符号位保持不变，数值位各位取反。这里将X的反码表示记为[X]反。

例如：当X=+1100001时，则[X]原=01100001，[X]反=01100001。

当X=-1100001时，则[X]原=11100001，[X]反=10011110。

在反码表示中，0也有两种表示形式：

当X=+0时，则[X]反=00000000。

当X=-0时，则[X]反=10000000。

（3）补码的表示

一个数X的补码表示方式为：当X为正数时，则X的补码与X的原码相同；当X为负数时，则X的补码，其符号位与原码相同，其数值位取反加1。这里将X的补码表示记为[X]补。

例如：当X=+1100001时，则[X]原=01100001，[X]补=01100001。

当X=-1100001时，则[X]原=11100001，[X]补=10001111。

0.8.2 非数值数据的表示

计算机中使用数据有数值型数据和非数值型数据两大类。数值数据用于表示数量意义；非数值数据又称为符号数据，包括字母和符号等。计算机除处理数值信息之外，还需要处理大量字符信息。例如，将用高级语言编写的程序输入到计算机时，人与计算机通信时所用的语言就不再是一种纯数字语言而是字符语言。由于计算机中只能存储二进制数，这就需要对字符进行编码了，从而建立字符数据与二进制串之间的对应关系，以便于计算机识别、存储和处理。这里介绍两种符号数据的表示。

0.8.2.1 字符数据的表示

计算机中用得最多的符号数据就是字符，它是用户和计算机之间的桥梁。用户使用计算机的输入设备，通过键盘上的字符键向计算机内输入命令和数据，计算机把处理后的结果以字符的形式输出到屏幕或打印机等输出设备上。字符的编码方案有很多种，但使用最广泛的是ASCII码（American Standard Code for Informnation Interchange）。ASCII码开始时是美国国家信息交换标准字符码，后来被采纳为一种国际通用的信息交换标准代码。

ASCII码由0~9这10个数符，52个大、小写英文字母，32个符号及34个计算机通用控制符组成，共有128个元素。因为ASCII码总共有128个元素，因此使用二进制编码表示时需用7位。任意一个元素均由7位二进制数表示，从0000000到1111111共有128种编码，可用来表示128个不同的字符。ASCII码表的查表方式是：先查列（高三位），后查行（低四位），然后按从左到右的书写顺序完成，如B的ASCII码为1000010。在ASCII码进行存放时，由于它的编码是7位，且因1个字节（8位）是计算机中常用的单位，故仍以1字节来存放1个ASCII码字符，每个字节中多余的最高位取0。如表0-7所示为7位ASCII字符编码表。

表0-7 ASCII字符编码表

由表0-7可知，ASCII码字符可分为如下两大类。

打印字符：从键盘输入并显示的95个字符，如大小写英文字母各26个，数字09这10个数字字符的高3位编码（D6D5D4）为011，低4位为00001001。当去掉高3位时，低4位正好是二进制形式的0~9。不可打印字符：共33个，其编码值为031（00000000011111）和（1111111），不对应任何可印刷字符。不可打印字符通常为控制符，用于计算机通信中的通信控制或对设备的功能控制。如编码值为127（1111111），是删除控制DEL码，它用于删除光标之后的字符。ASCII码字符的码值可用7位二进制代码或2位十六进制来表示。例如字符D的ASCII码值为（1000100）2或84H，数字4的码值为（0110100）2或34H等。0.8.2.2 汉字的存储介绍

英语是拼音文字，所有文字均由26个字母拼组而成，所以使用一个字节表示一个字符足够了。但汉字是象形文字，汉字的计算机处理技术比英文字符复杂得多，一般用2字节表示一个汉字，由于汉字有一万多个，常用的也有六千多个，所以编码采用两字节的低7位共14位二进制来表示。

常用的支持汉字的计算机字符编码有UTF8、GB2312、GBK等。

更多信息请参考：baike.baidu.com/item/%E6%B1…。

0.9计算机硬件基础问题小结

题1：你用过的服务器型号有哪些？具体的配置有哪些？ 题2：程序、进程和守护进程有什么区别？ 题3：提升用户体验的网站优化解决方案有哪些？ 题4：谈谈计算机中buffer与cache的简单区别。 题5：描述Raid 0、Raid1的主要特点。 题6：描述下电脑的主流硬件作用及之间的关系（CPU、内存、磁盘）。 题7：描述冯·诺依曼计算机的设计思想。 题8：请描述计算机数据的多种单位与换算。 题9：什么是二进制，计算机是如何用二进制表示数据的。 题10：为什么硬盘买来后实际大小比购买时标记的小？ 题11：运维人员的三大核心工作职责是什么？