计算机硬件基本结构和工作原理计算机硬件系统包括运算器_计算机

0.1 计算机硬件分类 0.1.1 家用台式电脑介绍家用电脑，顾名思义，就是专为普通家庭用户所涉及制造的微型计算机，和其他微型计算机，比如商用电脑相比，在硬件结构和系统、软件结构上，基本无异，主要功能用途上有所差异。家用电脑主要侧重于影音娱乐和游戏方面的应用，同时，也具备一定的学习办公方面的能力，可以满足家庭用户的绝大多数需要。家用电脑的基本组成与办公室使用的台式微型计算机没什么区别，同样是冯.诺依曼体系结构，大体上分为三级，输入设备和输出设备等几个部分。

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图0-1 家用台式机图示
0.1.2 笔记本电脑介绍笔记本电脑（NoteBook Computer ，简称为：NoteBook）,亦称笔记型、手提或膝上电脑（英语：Laptop Computer 。可简称为Laptop），是一种小型、可方便携带的个人电脑。笔记本电脑的重量通常重1-3公斤。其发展趋势是体积越来越小，重量越来越轻，而功能越来越强大。像Netbook，也就是俗称的上网本。笔记本电脑跟PC的主要区别在于其便携带性。

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图0-2 笔记本电脑图示
0.2 运维与服务器 90%以上的Linux基础图书，都只讲了Linux基础以及Linux开发，而未提及Linux运维这个岗位名词，其实学Linux最直接目的就是维护Linux服务器，哪怕是开发人员，学习的目的也是如此，因此本书不会只讲解Linux，而是根据企业Linux运维岗位真正的需求来讲解Linux基础及Linux运维核心知识，使得读者在学习Linux的同时，可以对未来的企业里Linux运维工作岗位所需的知识有一个很好的了解，这也是本书区别于其他Linux基础书籍的核心所在。
0.2.1 运维人员的核心职责下面来看一下运维人员的三大核心职责：

企业数据安全（不丢失、不泄露）。
企业数据是每个现代IT企业的生命线，作为Linux运维人员，不但不能丢失任何数据，同时，也不能向外部人员泄露公司的任何有用数据。读者可以搜索“脱库事件”以了解当下社会上的企业数据安全信息。
企业业务7*24小时运行（永不停机）。
互联网企业甚至是传统企业（例如，银行和电信），除了数据安全外，还需要业务有持续运行的能力，这对Linux运维人员提出了更高的要求，也是运维人员高薪的原因。
如表0-1所列举的是企业网站和应用的可用性的衡量标准。
表0-1 企业网站和应用的可用性的衡量标准
可用标准描述简称可用性级别全年停机时间基本可用性2个999%87.6小时较高可用性3个999.9%8.8小时很高可用性4个999.99%53分钟极高可用性5个999.999%5分钟
其中，一般中小企业的业务持续可用性级别至少应该是99.9%，中大型企业应达到99.99% ，甚至99.999% 。
企业业务服务效率高（用户体验好）。

一切的企业工作最终都是为了给用户提供高效、舒心的服务，如果网站打开的速度很慢，用户的体验很差，那么这样的企业是没有任何生命力的，因此Linux运维人员需要不断地优化网站业务，使得用户能够进行高效的访问，这中能力是决定Linux运维人员是否能拿高薪的必备条件。
注意：运维人员工作基本原则：简单，易用，高效，稳定，安全。
如果在达到上述三大核心原则的情况下，还能对网站架构不断地进行优化和调整，从而达到节省服务器数量、IDC和CDN带宽，甚至能够使用云计算、容器服务，以及开发自动化平台等提高工作效率、节省企业人力成本，那这样的运维工程师简直堪称完美，拿到高薪自然也是水到渠成。
0.2.2 运维人员工作的主战场--服务器 0.2.2.1 什么是服务器？服务器是提供计算和存储服务的设备（如图0-3所示），由于服务器需要响应服务请求，并进行处理，因此一般来说，服务器应具备承担服务并且保障服务的能力。服务器的构成包括处理器、硬盘、内存、系统总线等，这与通用的计算机构架类似，但是由于需要提供高性能高可靠的服务，因此，在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面要求较高。

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图0-3 Dell R730 2U和R620 1U互联网主流服务器外观
上述对于服务器的介绍比较复杂，一句话概括：服务器就是一台特殊的计算机，配置更高，设备更贵更好，主要用在企业的后台，为用户提供各种业务服务。
服务器的功能：搭建网站（互联网企业常见应用）等应用服务所使用的机器，相对于其他台式机电脑、笔记本电脑来说，使用服务器更加稳定可靠，硬件有7*24小时的持续运行能力。
0.2.2.2 服务器的尺寸就像笔记本电脑的显示器按照屏幕大小分为14英寸、15.6英寸等一样，服务器也是有尺寸的，这个尺寸一般用来描述服务器的高度，即（U）（如图0-4所示）。

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图0-4 Dell 4U服务器的背面
服务器的尺寸是按U计算的。1U服务器表示服务器的高度是4.45cm（1.75英寸）。
如图0-5所示，服务器的内部结构和台式电脑大同小异，基本零部件与台式电脑一样必须要有，例如：CPU处理器、内存、硬盘，所不同的是，服务器可以容纳的CPU处理器数量更多，风扇也更多，可插拔的数量也可以多很多，在后文为大家详细讲解服务器的内部组件。

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图0-5 Dell 2U服务器的内部结构
关于服务器，如有不了解或者存在疑问的地方，可以咨询相关的服务器销售人员，他们一定会很乐意回答。
0.2.3 服务器按外形分类 0.2.3.1 机架式服务器机架式服务器的外形看起来不像计算机，而像“抽屉”（如图0-6所示），有1U（1U=1.75英寸=44.45毫米）、2U、4U等规格。机架式服务器一般安装在标准的19英寸机柜里面，是工作中使用最多的服务器类型。

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图0-6 2U机架式服务器外形
0.2.3.2 刀片服务器刀片服务器的外观类似一个箱子里摆放整齐的书（如图0-7所示）。
所谓刀片服务器（准确地说应叫刀片式服务器），是指在标准高度的机架式机箱内插装多个卡式服务器单元，以实现高可用行和高密度。每一块“刀片”实际上就是一块系统主板。它们可以通过“板载”硬盘启动自己的操作系统，如Windows8/10、Linux等，类似于一个个独立的服务器。在这种模式下，每一块母板运行自己的系统，服务于指定的不同用户群，相互之间没有关联，因此相对于机架式服务器和机柜式服务器，单片母板的性能较低。不过，管理员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，所有的母板都可以连接起来，从而提供高速的网络环境，并且它们会共享资源，为相同的用户群服务。在集群中插入新的“刀片”即可提高整体性能。而由于每块“刀片”都是热插拔的，所以，系统可以轻松地进行替换，并且将维护时间减少到最小。

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图0-7 刀片式服务器
0.2.3.3 塔式服务器--更强壮的计算机塔式服务器（Tower Server）应该是最容易理解的一种服务器结构类型，因为它的外形及结构都跟立式PC差不多（如图0-8所示）。当然，由于服务器的主板扩展性较强，插槽也多出了若干个，所以外观会比普通主板大一些，因此塔式服务器的主机机箱也比标准的ATX机箱更大，一般都会预留足够的内部空间以便日后进行硬盘和电源的冗余扩展。但这种类型服务器也有不少局限性，比如，在需要采用多台服务器同时工作以满足较高的服务器应用需求时，由于某个体比较大，占用空间多，也不方便管理，所以会显得很不适合。

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图0-8 塔式服务器的外部结构
0.3 互联网公司的服务器品牌国内互联网公司使用的服务器品牌很多，从笔者及同行和学员从事的互联网公司来看，DELL品牌的服务器是最多的，也是性价比较高的，下面把笔者比较了解的品牌整理一个简表，见表0-2.
表0-2 服务器品牌简表
服务器品牌
说明
DELL戴尔服务器
互联网公司应用最广
HP惠普服务器
部分互联网公司应用
IBM服务器
较高端的服务器，有些传统大型企业会用，百度也在使用IBM服务器
浪潮
国产服务器，传统企业、学校用
华为
国产服务器
联想
国产服务器，用户较广、杂

需要说明的是，现在越来越多的企业直接购买云服务器了，因此，服务器硬件也逐渐的落寞。随着云的发展，中小企业直接购买硬件的机会越来越少了，各类硬件工程师的岗位和前景越来越不明朗了，建议这部分人群加速转行到Linux运维或者Python开发领域（在这两个领域，他们之前用到的技术都可以叠加到Linux运维商。
0.4 服务器品牌详解及对应型号 0.4.1 Dell服务器如表0-3所示的是Dell服务器生产与使用的时间，以及对应的U数，读者可以参考。
表0-3 Dell服务器生产与使用的时间及对应的U数
主流应用时间段
1U的主流型号
2U的主流型号
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机架式服务器为例，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这几个数字，个别可以有4 。下面推荐一些查询DELL服务器配置的方式：

DELL服务器的配置官网：www.dell.com/zh-cn/work/… 。
中关村在线：server.zol.com.cn/ 。
咨询服务器的销售人员。
图0-9至图0-12以Dell R720 2U 服务器为例说明了服务器外部结构。

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图0-9 Dell R720服务器常用接口说明

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图0-10 Dell R720液晶屏幕显示IP地址

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图0-11 Dell R720正面图

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图0-12 Dell R720正面加上盖子后的图
0.4.2 IBM服务器 IBM服务器的型号及对应的U数见表0-4.
表0-4 IBM服务器型号及对应的U数
服务器尺寸
服务器型号
1U
3550/M3 3550/M5
2U
3650/M3/M4/M5
4U
3850
8U
3950

IBM服务器质量好，但价格贵，互联网公司不太常用，仅作了解即可。
目前来看，“IOE”代表了全球三个领域里最好的品牌，即IBM服务器、Oracle（甲骨文数据库）和Emc（存储厂商设备），但互联网公司从2010年起就在提倡去IOE，代表企业为阿里巴巴集团，企业去IOE的本质是企业变大以后，购买IOE的成本开销会成倍增加，而且IOE的设备都是黑盒运行，并不能为企业完全掌控，受限于厂商。
0.5 服务器（电脑）核心零部件介绍【计算机硬件基本结构和工作原理计算机硬件系统包括运算器】 图0-13为拆开盖子后的Dell服务器内部结构图，读者可以通过此图了解下Dell服务器的内部结构信息，其中对相关区域做了简单标记。

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图0-13 Dell服务器的内部结构图
0.5.1 电源电源相当于人体的心脏，需保障电力供应，如果要买服务器，请选择质量好的电源。
在生产中，若是单个服务器负责核心业务，那么最好使用双电源，分别接机房A、B线路。如果服务器是集群中的一台（若干机器做一件事），那么可以不用双电源。除此之外，运维工作就不用过多考虑电源的其他问题了。
电源的代表图片见图0-14和图0-15.

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图0-14 Dell服务器可插拔电源的“苗条”和“富态”两种外形

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图0-15 台式电脑和笔记本电脑的电源
0.5.2 CPU处理器 CPU处理器相当于人体的大脑，负责整个计算机的运算和控制，是影响服务器性能效率的最核心部件（如图0-16所示）。
CPU常见的种类分为精简指令集和复杂指令集两类，具体说明如下。
精简指令集的CPU设计代表有SUN公司的SPARC系列和ARM系列等，这类CPU的设计特点是指令集精简，每个指令执行的时间很短，操作很简单、效率较高。

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图0-16 CPU外形示例
复杂指令集的设计代表有大家熟知的Intel志强系列（XEON）（应用广泛）和AMD系列（应用不多）等，。这类CPU的设计特点是指令数量多、指令集复杂，且执行的时间较长，但能处理的事物更多、更丰富。
Intel、AMD被称为x86架构的CPU，主要用于PC或DELL等常见品牌的系列服务器上。
服务器CPU的颗数，我们称为路数。例：DELL R630双路1U服务器、DELL R720双路2U服务器、DELL R830四路2U服务器。
CPU一般通过频率吉赫兹（GHz）表示性能的好坏，频率越高速度越快，简单的说，CPU频率就是用来表示CPU每秒钟工作次数的，例如笔者所用电脑的CPU是：Intel(R) Core(TM) I7-6700HQ CPU @ 2.60GHz (8 CPUs)，~2.6Hz 。
企业级常见的物理服务器配置包括如下两种。

一般企业里的服务器，CPU个（颗）数为24颗，单个（颗）CPU是四核。内存总量一般是16256GB（32GB、64GB较常见）。
用于虚拟化的宿主机（例如，应用vmware（虚拟化软件）、KVM的主机），CPU颗数可达4-8颗，内存总量一般48GB128GB，常规企业可以同时启动610个虚拟机，甚至更多，主要是根据业务需求决定虚拟机的配置大小。

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图0-17 服务器CPU风扇
CPU长时间运行会发热，因此需要有降温的设备，即CPU风扇或散热片（如图0-17和图0-18所示），散热片主要是金属铜或者铝制的，目的是将热量快速传导出去。
在企业级系统运维中，选择CPU硬件配置，以及监测和优化服务器系统CPU性能，是运维人员的常见工作之一。CPU的优化是一个复杂的工作，需要长期的实践和反复观察，由于这部分内容难度很大且复杂，笔者在后期出版的系列高级技术图书中会加重笔墨，读者可以重点关注。

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图0-18 服务器CPU上附带的散热片以及翻开的CPU图片示意图
0.5.3 内存内存（RAM）是CPU和磁盘之间的缓冲设备（如图0-19所示），是临时存储器（用于存放数据），若断电，数据就会丢失。

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图0-19 服务器内存展示
程序运行的时候，一般会被调度到内存中执行，服务器关闭或程序关闭之后，数据自动从内存中释放掉。
0.5.3.1 程序和进程的基本概念这里简单介绍下程序和进程的区别，具体见表0-5.
表0-5 程序、进程、守护进程间的区别
例称
实际名称
实际含义说明
影片
程序
C/Python/Java,代码文件
放片
进程
正在运行的各类程序（放在内存里执行）
没完没了地放片
守护进程
持续保持运行着的程序

0.5.3.2 企业案例：提升用户体验的网站解决方案（1）门户（大网站）极端案例：大并发写入案例（抢红包、微博）
遇到高并发、大数据量“写”数据的极端情况时，系统会将数据先写到内存中，在数据积累了一定的量后，再定时或者定量地写到磁盘中以减轻磁盘的压力，减少磁盘I/0（Input/Output，磁盘的输入/输出），最终再将数据加载到内存中以对外提供访问，目的还是减轻对磁盘的访问压力，相关流程如图0-20所示。
高并发数据存储方式

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图0-20 企业高并发业务写入流程图
这种状况的特点具体如下。

优点是写数据到内存时，性能高，速度快（适用于微博，微信，SNS（社交网），秒杀等场景）。
缺点是可能会丢失一部分在内存中还没有来得及存入磁盘的数据。
解决数据丢失的方法具体如下。
在服务器主板上安装蓄电池，在断电后宕机前瞬间将内存数据回写到磁盘。
UPS（一组蓄电池）不间断供电（IDC数据中心机房一般都会用UPS持续供电）。UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply），即不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。
选双路电的机房，使用双电源、分别接不同路的电，以及服务器放到不同的机柜中，将企业业务放置到不同的地区（异地）。
柴油发电机+池罐，机房一般会与附近的加油站签订紧急供油协议。

（2）中小型企业案例
对于并发访问（可简单理解为同时访问数量）不是很大、数据量也不是特别大的网站，若是业务读多写少，则会先将数据写入到磁盘中，然后通过程序把写到磁盘的数据读入到内存中，再对外通过读取内存提供访问服务（如果0-21所示）。绝大多数企业的业务逻辑还是读请求（例如：浏览页面）多于写请求（例如：写文章、发朋友圈）。
低并发数据存储方式

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图0-21 中小型企业访问量低的读写流程示意
注意：用于99%的网站以及企业业务都是以读取为主，写入为辅的，读写比例一般可能大于10:1，所以并发写入一般都不是大问题。这里提到的把数据写入内存一般是由Memcached或Redis等高效的内存级别软件来实现的，各类关系型数据库一般也都提供了读写缓存的功能。
0.5.3.3 企业Linux面试题：计算机操作系统中缓冲区（buffer）和缓存区（cache）什么区别？对于新手，可参考如下说明来理解或解答。
（1）缓冲区（buffer）
将数据写入内存，这个数据的内存空间在Linux系统里一般被称为缓冲区（buffer），例如，写入到内存缓冲区，即写缓冲。
为了提高写操作性能，数据在写入最终介质或下一层级介质之前会合并放入缓冲区中。这样会增加数据持久写的延时，因为第一次写入缓冲区后，在向下写入数据之前，还要等待后续的写入，以便凑够数据或者定时写入到永久存储介质中。
（2）缓存区（cache）
从内存里读取数据，这个存数据的内存空间在Linux系统里一般称为缓存区（cache），例如，从内存缓存区读取，即读缓存。
操作系统用缓存缓存提高文件系统的读性能和内存分配性能，应用程序使用缓存也是为了提升读访问效率。将经常访问的操作结果保存在缓存中可备随时使用，而非总是执行读磁盘以获取数据等开销较高的操作。
记住一句话：缓存无处不在，无论是电脑硬件、操作系统，还是企业网站集群及其他业务系统！
0.5.4 磁盘 0.5.4.1 磁盘基础知识磁盘是永久存放数据的存储器（如图0-22、图0-23和图0-24所示），不过，磁盘上也是有缓存的（芯片）。

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图0-22 有不同接口类型的硬盘图

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图0-23 企业级硬盘外观与硬盘架子及SSD硬盘外观

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图0-24 企业级硬盘从服务器插拔瞬间
常用的磁盘（硬盘）都是3.5英寸的，常规的机械硬盘，读?。ㄐ阅懿桓撸┬阅鼙饶诖娌詈芏?nbsp;，所以，在企业中，我们才会将大量的数据缓存到内存中，写入到缓冲区中，这是当今互联网网网站必备的解决网站访问速度慢的方案。
磁盘的接口包括IDE、SCSI、SAS、SATA等种类，其中IDE、SCSI已退出历史舞台。
磁盘的类型又分为机械磁盘和SSD固态硬盘两种。
性能与价格排序（从高到低）：SSD（固态硬盘）>SAS>SATA 。
0.5.4.2 磁盘的相关的单位现在生产的单块磁盘容量越来越大，体积却越来越小，速度也越来越快，其中，常见的有300GB、600GB、1TB、3TB、4TB等规格。
注意：对于工业级（企业级）硬盘计算：以1000为单位进行换算，即1TB=1000GB 。有关数据单位的换算，见0.7.3节。
0.5.4.3 计算机与服务器各硬件I/0对比 I/O即input/output 输入/输出，一般翻译为读写。衡量磁盘读写速度的单位是iops，即 input/output per second（每秒的输入输出）。
1s=1000ms（毫秒）=1000 000us（微秒）=1000 000 000ns（纳秒）
通过图0-25不难发现，CPU速度最快，其次是内存，最慢的就是硬盘和网卡了，图0-25可以帮助读者理解不同设备的性能差距，将来做运维工作的时候，可从速度慢、瓶颈大的进行改进和转化。
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