計算機硬件基本結構和工作原理計算機硬件系統包括運算器_計算機

0.1 計算機硬件分類 0.1.1 家用臺式電腦介紹家用電腦，顧名思義，就是專為普通家庭用戶所涉及制造的微型計算機，和其他微型計算機，比如商用電腦相比，在硬件結構和系統、軟件結構上，基本無異，主要功能用途上有所差異。家用電腦主要側重于影音娛樂和游戲方面的應用，同時，也具備一定的學習辦公方面的能力，可以滿足家庭用戶的絕大多數需要。家用電腦的基本組成與辦公室使用的臺式微型計算機沒什么區別，同樣是馮.諾依曼體系結構，大體上分為三級，輸入設備和輸出設備等幾個部分。

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圖0-1 家用臺式機圖示
0.1.2 筆記本電腦介紹筆記本電腦（NoteBook Computer ，簡稱為：NoteBook）,亦稱筆記型、手提或膝上電腦（英語：Laptop Computer 。可簡稱為Laptop），是一種小型、可方便攜帶的個人電腦。筆記本電腦的重量通常重1-3公斤。其發展趨勢是體積越來越小，重量越來越輕，而功能越來越強大。像Netbook，也就是俗稱的上網本。筆記本電腦跟PC的主要區別在于其便攜帶性。

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圖0-2 筆記本電腦圖示
0.2 運維與服務器 90%以上的Linux基礎圖書，都只講了Linux基礎以及Linux開發，而未提及Linux運維這個崗位名詞，其實學Linux最直接目的就是維護Linux服務器，哪怕是開發人員，學習的目的也是如此，因此本書不會只講解Linux，而是根據企業Linux運維崗位真正的需求來講解Linux基礎及Linux運維核心知識，使得讀者在學習Linux的同時，可以對未來的企業里Linux運維工作崗位所需的知識有一個很好的了解，這也是本書區別于其他Linux基礎書籍的核心所在。
0.2.1 運維人員的核心職責下面來看一下運維人員的三大核心職責：

企業數據安全（不丟失、不泄露）。
企業數據是每個現代IT企業的生命線，作為Linux運維人員，不但不能丟失任何數據，同時，也不能向外部人員泄露公司的任何有用數據。讀者可以搜索“脫庫事件”以了解當下社會上的企業數據安全信息。
企業業務7*24小時運行（永不停機）。
互聯網企業甚至是傳統企業（例如，銀行和電信），除了數據安全外，還需要業務有持續運行的能力，這對Linux運維人員提出了更高的要求，也是運維人員高薪的原因。
如表0-1所列舉的是企業網站和應用的可用性的衡量標準。
表0-1 企業網站和應用的可用性的衡量標準
可用標準描述簡稱可用性級別全年停機時間基本可用性2個999%87.6小時較高可用性3個999.9%8.8小時很高可用性4個999.99%53分鐘極高可用性5個999.999%5分鐘
其中，一般中小企業的業務持續可用性級別至少應該是99.9%，中大型企業應達到99.99% ，甚至99.999% 。
企業業務服務效率高（用戶體驗好）。

一切的企業工作最終都是為了給用戶提供高效、舒心的服務，如果網站打開的速度很慢，用戶的體驗很差，那么這樣的企業是沒有任何生命力的，因此Linux運維人員需要不斷地優化網站業務，使得用戶能夠進行高效的訪問，這中能力是決定Linux運維人員是否能拿高薪的必備條件。
注意：運維人員工作基本原則：簡單，易用，高效，穩定，安全。
如果在達到上述三大核心原則的情況下，還能對網站架構不斷地進行優化和調整，從而達到節省服務器數量、IDC和CDN帶寬，甚至能夠使用云計算、容器服務，以及開發自動化平臺等提高工作效率、節省企業人力成本，那這樣的運維工程師簡直堪稱完美，拿到高薪自然也是水到渠成。
0.2.2 運維人員工作的主戰場--服務器 0.2.2.1 什么是服務器？服務器是提供計算和存儲服務的設備（如圖0-3所示），由于服務器需要響應服務請求，并進行處理，因此一般來說，服務器應具備承擔服務并且保障服務的能力。服務器的構成包括處理器、硬盤、內存、系統總線等，這與通用的計算機構架類似，但是由于需要提供高性能高可靠的服務，因此，在處理能力、穩定性、可靠性、安全性、可擴展性、可管理性等方面要求較高。

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圖0-3 Dell R730 2U和R620 1U互聯網主流服務器外觀
上述對于服務器的介紹比較復雜，一句話概括：服務器就是一臺特殊的計算機，配置更高，設備更貴更好，主要用在企業的后臺，為用戶提供各種業務服務。
服務器的功能：搭建網站（互聯網企業常見應用）等應用服務所使用的機器，相對于其他臺式機電腦、筆記本電腦來說，使用服務器更加穩定可靠，硬件有7*24小時的持續運行能力。
0.2.2.2 服務器的尺寸就像筆記本電腦的顯示器按照屏幕大小分為14英寸、15.6英寸等一樣，服務器也是有尺寸的，這個尺寸一般用來描述服務器的高度，即（U）（如圖0-4所示）。

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圖0-4 Dell 4U服務器的背面
服務器的尺寸是按U計算的。1U服務器表示服務器的高度是4.45cm（1.75英寸）。
如圖0-5所示，服務器的內部結構和臺式電腦大同小異，基本零部件與臺式電腦一樣必須要有，例如：CPU處理器、內存、硬盤，所不同的是，服務器可以容納的CPU處理器數量更多，風扇也更多，可插拔的數量也可以多很多，在后文為大家詳細講解服務器的內部組件。

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圖0-5 Dell 2U服務器的內部結構
關于服務器，如有不了解或者存在疑問的地方，可以咨詢相關的服務器銷售人員，他們一定會很樂意回答。
0.2.3 服務器按外形分類 0.2.3.1 機架式服務器機架式服務器的外形看起來不像計算機，而像“抽屜”（如圖0-6所示），有1U（1U=1.75英寸=44.45毫米）、2U、4U等規格。機架式服務器一般安裝在標準的19英寸機柜里面，是工作中使用最多的服務器類型。

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圖0-6 2U機架式服務器外形
0.2.3.2 刀片服務器刀片服務器的外觀類似一個箱子里擺放整齊的書（如圖0-7所示）。
所謂刀片服務器（準確地說應叫刀片式服務器），是指在標準高度的機架式機箱內插裝多個卡式服務器單元，以實現高可用行和高密度。每一塊“刀片”實際上就是一塊系統主板。它們可以通過“板載”硬盤啟動自己的操作系統，如Windows8/10、Linux等，類似于一個個獨立的服務器。在這種模式下，每一塊母板運行自己的系統，服務于指定的不同用戶群，相互之間沒有關聯，因此相對于機架式服務器和機柜式服務器，單片母板的性能較低。不過，管理員可以使用系統軟件將這些母板集合成一個服務器集群。在集群模式下，所有的母板都可以連接起來，從而提供高速的網絡環境，并且它們會共享資源，為相同的用戶群服務。在集群中插入新的“刀片”即可提高整體性能。而由于每塊“刀片”都是熱插拔的，所以，系統可以輕松地進行替換，并且將維護時間減少到最小。

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圖0-7 刀片式服務器
0.2.3.3 塔式服務器--更強壯的計算機塔式服務器（Tower Server）應該是最容易理解的一種服務器結構類型，因為它的外形及結構都跟立式PC差不多（如圖0-8所示）。當然，由于服務器的主板擴展性較強，插槽也多出了若干個，所以外觀會比普通主板大一些，因此塔式服務器的主機機箱也比標準的ATX機箱更大，一般都會預留足夠的內部空間以便日后進行硬盤和電源的冗余擴展。但這種類型服務器也有不少局限性，比如，在需要采用多臺服務器同時工作以滿足較高的服務器應用需求時，由于某個體比較大，占用空間多，也不方便管理，所以會顯得很不適合。

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圖0-8 塔式服務器的外部結構
0.3 互聯網公司的服務器品牌國內互聯網公司使用的服務器品牌很多，從筆者及同行和學員從事的互聯網公司來看，DELL品牌的服務器是最多的，也是性價比較高的，下面把筆者比較了解的品牌整理一個簡表，見表0-2.
表0-2 服務器品牌簡表
服務器品牌
說明
DELL戴爾服務器
互聯網公司應用最廣
HP惠普服務器
部分互聯網公司應用
IBM服務器
較高端的服務器，有些傳統大型企業會用，百度也在使用IBM服務器
浪潮
國產服務器，傳統企業、學校用
華為
國產服務器
聯想
國產服務器，用戶較廣、雜

需要說明的是，現在越來越多的企業直接購買云服務器了，因此，服務器硬件也逐漸的落寞。隨著云的發展，中小企業直接購買硬件的機會越來越少了，各類硬件工程師的崗位和前景越來越不明朗了，建議這部分人群加速轉行到Linux運維或者Python開發領域（在這兩個領域，他們之前用到的技術都可以疊加到Linux運維商。
0.4 服務器品牌詳解及對應型號 0.4.1 Dell服務器如表0-3所示的是Dell服務器生產與使用的時間，以及對應的U數，讀者可以參考。
表0-3 Dell服務器生產與使用的時間及對應的U數
主流應用時間段
1U的主流型號
2U的主流型號
2010年以前
1850、1950
2850、1950
2010~2013年
R410、R610
R710
2014~2016年
R420/430 R620/630
R720/730
2017-2018年
R440 R640
R740

提示：以Dell機架式服務器為例，R2X0到R6X0基本都是1U的，R7X0或R8X0是2U的，R9X0是4U的。其中， "X"表示1-3這幾個數字，個別可以有4 。下面推薦一些查詢DELL服務器配置的方式：

DELL服務器的配置官網：www.dell.com/zh-cn/work/… 。
中關村在線：server.zol.com.cn/ 。
咨詢服務器的銷售人員。
圖0-9至圖0-12以Dell R720 2U 服務器為例說明了服務器外部結構。

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圖0-9 Dell R720服務器常用接口說明

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圖0-10 Dell R720液晶屏幕顯示IP地址

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圖0-11 Dell R720正面圖

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圖0-12 Dell R720正面加上蓋子后的圖
0.4.2 IBM服務器 IBM服務器的型號及對應的U數見表0-4.
表0-4 IBM服務器型號及對應的U數
服務器尺寸
服務器型號
1U
3550/M3 3550/M5
2U
3650/M3/M4/M5
4U
3850
8U
3950

IBM服務器質量好，但價格貴，互聯網公司不太常用，僅作了解即可。
目前來看，“IOE”代表了全球三個領域里最好的品牌，即IBM服務器、Oracle（甲骨文數據庫）和Emc（存儲廠商設備），但互聯網公司從2010年起就在提倡去IOE，代表企業為阿里巴巴集團，企業去IOE的本質是企業變大以后，購買IOE的成本開銷會成倍增加，而且IOE的設備都是黑盒運行，并不能為企業完全掌控，受限于廠商。
0.5 服務器（電腦）核心零部件介紹【計算機硬件基本結構和工作原理計算機硬件系統包括運算器】 圖0-13為拆開蓋子后的Dell服務器內部結構圖，讀者可以通過此圖了解下Dell服務器的內部結構信息，其中對相關區域做了簡單標記。

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圖0-13 Dell服務器的內部結構圖
0.5.1 電源電源相當于人體的心臟，需保障電力供應，如果要買服務器，請選擇質量好的電源。
在生產中，若是單個服務器負責核心業務，那么最好使用雙電源，分別接機房A、B線路。如果服務器是集群中的一臺（若干機器做一件事），那么可以不用雙電源。除此之外，運維工作就不用過多考慮電源的其他問題了。
電源的代表圖片見圖0-14和圖0-15.

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圖0-14 Dell服務器可插拔電源的“苗條”和“富態”兩種外形

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圖0-15 臺式電腦和筆記本電腦的電源
0.5.2 CPU處理器 CPU處理器相當于人體的大腦，負責整個計算機的運算和控制，是影響服務器性能效率的最核心部件（如圖0-16所示）。
CPU常見的種類分為精簡指令集和復雜指令集兩類，具體說明如下。
精簡指令集的CPU設計代表有SUN公司的SPARC系列和ARM系列等，這類CPU的設計特點是指令集精簡，每個指令執行的時間很短，操作很簡單、效率較高。

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圖0-16 CPU外形示例
復雜指令集的設計代表有大家熟知的Intel志強系列（XEON）（應用廣泛）和AMD系列（應用不多）等，。這類CPU的設計特點是指令數量多、指令集復雜，且執行的時間較長，但能處理的事物更多、更豐富。
Intel、AMD被稱為x86架構的CPU，主要用于PC或DELL等常見品牌的系列服務器上。
服務器CPU的顆數，我們稱為路數。例：DELL R630雙路1U服務器、DELL R720雙路2U服務器、DELL R830四路2U服務器。
CPU一般通過頻率吉赫茲（GHz）表示性能的好壞，頻率越高速度越快，簡單的說，CPU頻率就是用來表示CPU每秒鐘工作次數的，例如筆者所用電腦的CPU是：Intel(R) Core(TM) I7-6700HQ CPU @ 2.60GHz (8 CPUs)，~2.6Hz 。
企業級常見的物理服務器配置包括如下兩種。

一般企業里的服務器，CPU個（顆）數為24顆，單個（顆）CPU是四核。內存總量一般是16256GB（32GB、64GB較常見）。
用于虛擬化的宿主機（例如，應用vmware（虛擬化軟件）、KVM的主機），CPU顆數可達4-8顆，內存總量一般48GB128GB，常規企業可以同時啟動610個虛擬機，甚至更多，主要是根據業務需求決定虛擬機的配置大小。

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圖0-17 服務器CPU風扇
CPU長時間運行會發熱，因此需要有降溫的設備，即CPU風扇或散熱片（如圖0-17和圖0-18所示），散熱片主要是金屬銅或者鋁制的，目的是將熱量快速傳導出去。
在企業級系統運維中，選擇CPU硬件配置，以及監測和優化服務器系統CPU性能，是運維人員的常見工作之一。CPU的優化是一個復雜的工作，需要長期的實踐和反復觀察，由于這部分內容難度很大且復雜，筆者在后期出版的系列高級技術圖書中會加重筆墨，讀者可以重點關注。

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圖0-18 服務器CPU上附帶的散熱片以及翻開的CPU圖片示意圖
0.5.3 內存內存（RAM）是CPU和磁盤之間的緩沖設備（如圖0-19所示），是臨時存儲器（用于存放數據），若斷電，數據就會丟失。

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圖0-19 服務器內存展示
程序運行的時候，一般會被調度到內存中執行，服務器關閉或程序關閉之后，數據自動從內存中釋放掉。
0.5.3.1 程序和進程的基本概念這里簡單介紹下程序和進程的區別，具體見表0-5.
表0-5 程序、進程、守護進程間的區別
例稱
實際名稱
實際含義說明
影片
程序
C/Python/Java,代碼文件
放片
進程
正在運行的各類程序（放在內存里執行）
沒完沒了地放片
守護進程
持續保持運行著的程序

0.5.3.2 企業案例：提升用戶體驗的網站解決方案（1）門戶（大網站）極端案例：大并發寫入案例（搶紅包、微博）
遇到高并發、大數據量“寫”數據的極端情況時，系統會將數據先寫到內存中，在數據積累了一定的量后，再定時或者定量地寫到磁盤中以減輕磁盤的壓力，減少磁盤I/0（Input/Output，磁盤的輸入/輸出），最終再將數據加載到內存中以對外提供訪問，目的還是減輕對磁盤的訪問壓力，相關流程如圖0-20所示。
高并發數據存儲方式

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圖0-20 企業高并發業務寫入流程圖
這種狀況的特點具體如下。

優點是寫數據到內存時，性能高，速度快（適用于微博，微信，SNS（社交網），秒殺等場景）。
缺點是可能會丟失一部分在內存中還沒有來得及存入磁盤的數據。
解決數據丟失的方法具體如下。
在服務器主板上安裝蓄電池，在斷電后宕機前瞬間將內存數據回寫到磁盤。
UPS（一組蓄電池）不間斷供電（IDC數據中心機房一般都會用UPS持續供電）。UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply），即不間斷電源，是將蓄電池（多為鉛酸免維護蓄電池）與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統設備。
選雙路電的機房，使用雙電源、分別接不同路的電，以及服務器放到不同的機柜中，將企業業務放置到不同的地區（異地）。
柴油發電機+池罐，機房一般會與附近的加油站簽訂緊急供油協議。

（2）中小型企業案例
對于并發訪問（可簡單理解為同時訪問數量）不是很大、數據量也不是特別大的網站，若是業務讀多寫少，則會先將數據寫入到磁盤中，然后通過程序把寫到磁盤的數據讀入到內存中，再對外通過讀取內存提供訪問服務（如果0-21所示）。絕大多數企業的業務邏輯還是讀請求（例如：瀏覽頁面）多于寫請求（例如：寫文章、發朋友圈）。
低并發數據存儲方式

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圖0-21 中小型企業訪問量低的讀寫流程示意
注意：用于99%的網站以及企業業務都是以讀取為主，寫入為輔的，讀寫比例一般可能大于10:1，所以并發寫入一般都不是大問題。這里提到的把數據寫入內存一般是由Memcached或Redis等高效的內存級別軟件來實現的，各類關系型數據庫一般也都提供了讀寫緩存的功能。
0.5.3.3 企業Linux面試題：計算機操作系統中緩沖區（buffer）和緩存區（cache）什么區別？對于新手，可參考如下說明來理解或解答。
（1）緩沖區（buffer）
將數據寫入內存，這個數據的內存空間在Linux系統里一般被稱為緩沖區（buffer），例如，寫入到內存緩沖區，即寫緩沖。
為了提高寫操作性能，數據在寫入最終介質或下一層級介質之前會合并放入緩沖區中。這樣會增加數據持久寫的延時，因為第一次寫入緩沖區后，在向下寫入數據之前，還要等待后續的寫入，以便湊夠數據或者定時寫入到永久存儲介質中。
（2）緩存區（cache）
從內存里讀取數據，這個存數據的內存空間在Linux系統里一般稱為緩存區（cache），例如，從內存緩存區讀取，即讀緩存。
操作系統用緩存緩存提高文件系統的讀性能和內存分配性能，應用程序使用緩存也是為了提升讀訪問效率。將經常訪問的操作結果保存在緩存中可備隨時使用，而非總是執行讀磁盤以獲取數據等開銷較高的操作。
記住一句話：緩存無處不在，無論是電腦硬件、操作系統，還是企業網站集群及其他業務系統！
0.5.4 磁盤 0.5.4.1 磁盤基礎知識磁盤是永久存放數據的存儲器（如圖0-22、圖0-23和圖0-24所示），不過，磁盤上也是有緩存的（芯片）。

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圖0-22 有不同接口類型的硬盤圖

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圖0-23 企業級硬盤外觀與硬盤架子及SSD硬盤外觀

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圖0-24 企業級硬盤從服務器插拔瞬間
常用的磁盤（硬盤）都是3.5英寸的，常規的機械硬盤，讀?。ㄐ閱懿桓擼┬閱鼙饒詿娌詈芏?nbsp;，所以，在企業中，我們才會將大量的數據緩存到內存中，寫入到緩沖區中，這是當今互聯網網網站必備的解決網站訪問速度慢的方案。
磁盤的接口包括IDE、SCSI、SAS、SATA等種類，其中IDE、SCSI已退出歷史舞臺。
磁盤的類型又分為機械磁盤和SSD固態硬盤兩種。
性能與價格排序（從高到低）：SSD（固態硬盤）>SAS>SATA 。
0.5.4.2 磁盤的相關的單位現在生產的單塊磁盤容量越來越大，體積卻越來越小，速度也越來越快，其中，常見的有300GB、600GB、1TB、3TB、4TB等規格。
注意：對于工業級（企業級）硬盤計算：以1000為單位進行換算，即1TB=1000GB 。有關數據單位的換算，見0.7.3節。
0.5.4.3 計算機與服務器各硬件I/0對比 I/O即input/output 輸入/輸出，一般翻譯為讀寫。衡量磁盤讀寫速度的單位是iops，即 input/output per second（每秒的輸入輸出）。
1s=1000ms（毫秒）=1000 000us（微秒）=1000 000 000ns（納秒）
通過圖0-25不難發現，CPU速度最快，其次是內存，最慢的就是硬盤和網卡了，圖0-25可以幫助讀者理解不同設備的性能差距，將來做運維工作的時候，可從速度慢、瓶頸大的進行改進和轉化。
0.5.4.4 小結