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”

黑客&网络安全如何学习

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