0.2 个人电脑架构与相关设备元件

一般消费者常说的电脑通常指的就是x86的个人电脑架构，因此我们有必要来了解一下这个架构的各个元件。事实上，Linux最早在开发的时候，就是依据个人电脑的架构来开发的，所以真的得要了解一下呢！另外，早期两大主流x86开发商（Intel， AMD）的CPU架构与设计理念都有些许差异。不过互相学习对方长处的结果，就是两者间的架构依据比较类似了。由于目前市场占有率还是以Intel为主，因此下面以目前（2015）相对较新的Intel主板架构来谈谈：

图0.2.1、Intel芯片架构

由于主板是连接各元件的一个重要项目，因此在主板上面沟通各个元件的芯片组设计优劣，就会影响效能不少喔！早起的芯片组通常分为两个桥接器来控制各元件的沟通，分别是：（1）北桥：负责连接速度较快的CPU、内存与显卡接口等元件；（2）南桥：负责连接速度较慢的装置接口，包括硬盘、USB、网卡等等。（芯片组的南北桥与三国的大小乔没有关系@_@）。不过由于北桥最重要的就是CPU与内存之间的桥接，因此目前的主流架构中，大多将北桥内存控制器整合到CPU封装当中了。所以上图你只会看到CPU而没有看到以往的北桥芯片喔！

Tips

早期芯片组分南北桥，北桥可以连接CPU、内存与显卡。只是CPU要读写到内存的动作，还需要北桥的支持，也就是CPU与内存的交流，会瓜分掉北桥的总可用带宽，真浪费！因此目前将内存控制器整合到CPU后，CPU与内存直接的沟通是直接交流，速度较快之外，也不会消耗更多的带宽！

毕竟目前世界上x86的CPU主要供应商为Intel，所以下面鸟哥将以Intel的主板架构说明各元件啰！我们以华硕公司出的主板，型号：Asus Z97-AR作为一个说明的范例，搭配着主板芯片组逻辑图0.2.1的说明，主板各元件如下所示：

图0.2.2、ASUA主板（图片为华硕公司所有）

上述的图片中，主板上面设计的插槽主要有CPU（Intel LGA 1150 Socket）、内存（DDR3 3200 support）、显卡接口（PCIe 3.0）、SATA磁盘接口（SATA express）等等。下面的元件在解说的时候，请参考上述两张图示来印证喔！

0.2.1 执行数学运算与判断的CPU

如同华硕主板示意图上半部的中央部分，那就是CPU插槽。由于CPU负责大量运算，因此CPU通常是具有相当高发热量的元件。所以如果你曾经拆开过主机机箱，应该就会看到CPU上通常会安装一颗风扇来主动散热的。

X86个人电脑端CPU主要供应商为Intel与AMD，目前（2015）主流的CPU都是双核以上的架构了！原本的单核心CPU仅有一个运算单元，所谓的多核心则是在一颗CPU封装当中嵌入了两个以上的运算核心，简单的说，就是一个实体CPU的外壳中，含有两个以上的CPU单元就是了。

不同的CPU型号大多具有不同的针脚数（CPU上面的插针），能够搭配的主板芯片组也不同，所以当你想要将你的主机升级时，不能只考虑CPU，你还得要留意你的主板所支持的CPU型号喔！不然买了最新的CPU也不能安装在你的旧主板上面的！目前的主流CPU有Intel的i3/i5/i7系列产品中，甚至前后期出厂的类似型号的针脚数也不同，例如i7-2600使用LGA1155而i7-4790则使用FCLGA1150，挑选时必须要很小心喔！

我们前面谈到CPU内部含有微指令集，不同的微指令集会导致CPU工作效率的优劣。除了这点之外，CPU效能的比较还有什么呢？那就是CPU的频率了！什么是频率呢？简单的说，频率就是CPU每秒钟可以进行的工作次数。所以频率越高表示这颗CPU单位时间内可以做更多的事情。举例来说，Intel的i7-4790 CPU频率为3.6GHz，表示这颗CPU在一秒内可以进行3.6x109次工作，每次工作都可以进行少量的指令运算的意思。

Tips

注意，不同的CPU之间不能单纯的以频率来判断运算效能喔！这是因为每颗CPU的微指令集不相同，架构也不见得一样，可使用的二级缓存及其计算机制可能也不同，加上每次频率能够运行的工作指令数也不同！所以，频率目前仅能用来比较同款CPU的速度！

CPU的工作频率：外频与倍频

早期的CPU架构主要通过北桥来连接系统最重要的CPU、内存与显卡。因为所有的设备都得要通过北桥来连接，因此每个设备的工作频率应该要相同。于是就有所谓的前端总线（FSB）这个东西的产生。但因为CPU的运算速度比其他的设备都要来的快，又为了要满足FSB的频率，因此厂商就在CPU内部再进行加速，于是就有所谓的外频与倍频了。

总结来说，在早期的CPU设计中，所谓的外频指的是CPU与外部元件进行数据传输时的速度，倍频则是CPU内部用来加速工作效能的一个倍数，两者相乘才是CPU的频率速度。例如Intel Core 2 E8400的内频为3.0GHz，而外频是333MHz，因此倍频就是9倍啰！（3.0G=333Mx9，其中1G=1000M）

Tips

很多电脑硬件玩家很喜欢玩“超频”，所谓的超频指的是：将CPU的倍频或者是外频通过主板的设定功能更改成较高频率的一种方式。但因为CPU的倍频通常在出厂时已经被锁定而无法修改，因此较常被超频的为外频。举例来说，像上述3.0GHz的CPU如果想要超频，可以将他的外频333MHz调整为400MHz，但如此一来整个主板的各个元件的工作频率可能都会被增加成原本的1.333倍（4/3），虽然CPU可能可以达到3.6GHz，但却因为频率并非正常速度，故可能会造成死机等问题。

但如此一来所有的数据都被北桥卡死了，北桥又不可能比CPU更快，因此这家伙常常是系统性能的瓶颈。为了解决这个问题，新的CPU设计中，已经将内存控制器整合到CPU内部，而连接CPU与内存、显卡的控制器的设计，在Intel部分使用QPI（Quick Path Interconnect）与DMI技术，而AMD部分则使用Hyper Transport了，这些技术都可以让CPU直接与内存、显卡等设备分别进行沟通，而不需要通过外部的连接芯片了。

因为现在没有所谓的北桥了（整合到CPU内），因此，CPU的频率设计就无须考虑得要同步的外频，只需要考虑整体的频率即可。所以，如果你有经常查看自己CPU频率的习惯，当使用cpu-z（注9）这个软件时，应该会很惊讶的发现，怎么外频变成100MHz而倍频可以达到30以上！相当有趣呢！

Tips

现在Intel的CPU会主动帮你超频喔！例如i7-4790这颗CPU的规格（注10）中，基本频率为3.6GHz，但是最高可自动超频到4GHz喔！通过的是Intel的turbo技术。同时，如果你没有大量的运算需求，该CPU频率会降到1.xGHz而已，借此达到节能省电的目的！所以，各位好朋友，不需要自己动手超频了！Intel已经自动帮你进行超频了…所以，如果你用cpu-z观察CPU频率，发现该频率会一直自动变动，很正常！你的系统没坏掉！

32位与64位的CPU与总线“宽度”

从前面的简单说明中，我们知道CPU的各项数据统统得要来自于内存。因此，如果内存能提供给CPU的数据量越大的话，当然整体系统的性能应该也会比较快！那如何知道内存能提供的数据量呢？此时还是得要藉由CPU内的内存控制芯片与内存间的传输速度“前端总线速度（Front Side Bus，FSB）”来说明。

与CPU的频率类似，内存也是有其工作的频率，这个频率现在还是由CPU内的内存控制器所决定的。以图0.2.1为例，CPU内置的内存控制芯片对内存的工作频率最高可达到1600MHz。这只是工作频率（每秒几次）。一般来说，每个频率周期能够传输的数据量，大多为64位，这个64位就是所谓的“宽度”了！因此，在图0.2.1这个系统中，CPU可以从内存中取得的最快带宽就是1600MHz*64bit=1600MHz*8byte=12.8GByte/s。

与总线带宽相似的，CPU每次能够处理的数据量称为字宽（word size），字宽大小依据CPU的设计而有32位与64位。我们现在所称的电脑是32或者64位主要是依据这个CPU解析的字宽而来的！早期的32位CPU中，因为CPU每次能够解析的数据量有限，因此由内存传来的数据量就有所限制了。这也导致32位的CPU最多只能支持到4GBytes的内存。

Tips

受益于北桥整合到CPU内部的设计，CPU得以“单独”跟各个元件进行沟通！因此，每种元件与CPU的沟通具有很多不同的方式！例如内存使用前端总线来与CPU沟通。而显卡则通过PCI-E的串行通道设计来与CPU沟通喔！详细说明我们在本章稍后的主板部分再来谈谈。

CPU等级

由于x86架构的CPU在Intel的Pentium系列（1993年）后就有不统一的针脚与设计，为了将不同种类的CPU规范等级，所以就有i386，i586，i686等名词出现了。基本上，在Intel Pentium MMX与AMD K6年代的CPU称为i586等级，而IntelCeleron与AMD Athlon（K7）年代之后的32位CPU就称为i686等级。至于目前的64位CPU则统称为x86_64等级。

目前很多的程序都有对CPU做优化的设计，万一哪天你发现一些程序是注明给x86_64使用时，就不要将他安装在686以下等级的电脑中，否则可是会无法运行该软件的！不过，在x86_64的硬件下倒是可以安装386的软件喔！也就是说，这些东西具有向下兼容的能力啦！

超线程

我们知道现在的CPU至少都是两个核心以上的多核CPU了，但是Intel还有个很怪的东西，叫做CPU的超线程（Hyper-Threading）功能！那个是啥鬼东西？我们知道现在的CPU运算速度都太快了，因此运算核心经常处于闲置状态下。而我们也知道现在的系统大多都是多任务的系统，同时有很多的程序会让 CPU来执行。因此，若CPU可以假装同时执行两个程序，不就可以让系统性能增加了吗？反正CPU的运算能力还是没有用完啊！

那是怎么达到的啊这个HT功能？强者鸟哥的同事蔡董大大用个简单的说明来解释。在每一个CPU内部将重要的寄存器（register）分成两组，而让程序分别使用这两组寄存器。也就是说，可以有两个程序“同时竞争CPU的运算单元”，而非通过操作系统的多任务切换！这一过程就会让CPU好像“同时有两个核心”的模样！因此，虽然大部分i7等级的CPU其实只有四个实体核心，但通过HT的机制，则操作系统可以找到八个核心！并且让每个核心逻辑上分离，就可以同时运行八个程序了。

虽然很多研究与测试中，大多发现HT可以提升性能，不过，有些情况下却可能导致性能降低喔！因为，实际上明明就只有一个运算单元嘛！不过在鸟哥使用数值模式的情况下，因为鸟哥操作的数值模式主要为并行计算功能，且运算通常无法到达100%的CPU使用率，通常仅有大约60%运算量而已。因此在鸟哥的实践过程中，这个HT确实提升相当多的性能！至少应该可以节省鸟哥大约30%~50%的等待时间喔！不过网络上大家的研究中，大多说这个是caseby case，而且使用的软件影响很大！所以，在鸟哥的例子是启用HT帮助很大！您的案例就得要自行研究啰！

0.2.2  内存

如图0.2.2、华硕主板示意图中的右上方部分的那四根插槽，那就是内存的插槽了。内存插槽中间通常有个突起物将整个插槽稍微切分成两个不等长的距离，这样的设计可以让使用者在安装内存时，不至于前后针脚安装错误，是一种防呆的设计喔。

前面提到CPU所使用的数据都是来自于内存（main memory），不论是软件程序还是数据，都必须要读入内存后CPU才能使用。个人电脑的内存主要元件为动态随机存取内存（Dynamic Random Access Memory， DRAM），随机存取内存只有在通电时才能记录与使用，断电后数据就消失了，因此我们也称这种RAM为易失性内存。

DRAM根据技术的更新又分好几代，而使用上较广泛的有所谓的SDRAM与DDR SDRAM两种。这两种内存的差别除了在于针脚与工作电压上的不同之外，DDR是所谓的双倍数据传输速度（Double Data Rate），它可以在一个工作周期中进行两次数据的传送，感觉上就好像是CPU的倍频啦！所以传输频率方面比SDRAM还要好。新一代的PC大多使用DDR内存了。下表列出SDRAM与DDR SDRAM的型号与频率及带宽之间的关系。（注11）

SDRAM/DDR型号    数据宽度（bit）    内部频率（MHz）    频率速度    带宽（频率x宽度）

SDRAM PC100            64                            100                    100                800MBytes/sec

SDRAM PC133            64                            133                    133                1064MBytes/sec

DDR DDR-266             64                            133                    266                 2.1GBytes/sec

DDR DDR-400             64                            200                    400                 3.2GBytes/sec

DDR DDR2-800           64                            200                    800                 6.4GBytes/sec

DDR DDR3-1600         64                            200                    1600               12.8GBytes/sec

DDR SDRAM又依据技术的发展，有DDR，DDR2，DDR3，DDR4等等，其中，DDR2的频率倍数则是4倍而DDR3则是8倍喔！目前鸟哥用到服务器等级的内存，已经到DDR4了耶！超快超快！

Tips

在图0.2.1中，内存的规格里提到DDR3/DDR3L同时支持，我们知道DDR3了，那DDR3L是啥鬼？为了节省更多的电力，新的制程中降低了内存的操作电压，因此DDR3标准电压为1.5V，但DDR3L则仅需1.35V喔！通常可以用在耗电量需求更低的笔记本电脑中！但并非所有的系统都同时支持！这就得看主板的支持规格啰！否则你买了DDR3L安装在不支持的主板上，DDR3L内存是可能会烧毁的喔！

内存除了频率/带宽与型号需要考虑之外，内存的容量也是很重要的喔！因为所有的数据都得要载入内存当中才能够被CPU判读，如果内存容量不够大的话讲会导致某些大容量资料无法被完整的载入，此时已存在内存当中但暂时没有被使用到的数据必须要先被释放，使得可用内存大于该资料，那份新资料才能够被载入呢！所以，通常越大的内存代表越快速的系统，这是因为系统不用常常释放一些内存内部的资料。以服务器来说，内存的容量有时比CPU的速度还要来的重要的！

多通道设计

由于所有的数据都必须要存放在内存里，所以内存的数据宽度当然是越大越好。但传统的总线宽度一般大约仅64位，为了要加大这个宽度，因此芯片组厂商就将两个内存条汇集在一起，如果一条内存可达64位，两条内存就可以达到128位了，这就是双通道的设计理念。

如上所述，要启用双通道的功能你必须要安装两条（或四条）内存，这两条内存最好连型号都一模一样比较好，这是因为启动双通道内存功能时，数据是同步写入/独处这一对内存的，如此才能够提升整体的带宽啊！所以当然除了容量大小要一致之外，型号也最好相同啦！

你有没有发现图0.2.2、华硕主板示意图上那四根内存插槽的颜色呢？是否分为两种颜色，且两两成对？为什么要这样设计？答出来了吗？是啦！这种颜色的设计就是为了双通道来的！要启动双通道功能时，你必须要将两条容量相同的内存插在相同颜色的插槽当中喔！

Tips

服务器所需要的速度更快！因此，除了双通道之外，中端服务器也经常提供三通道，甚至四通道的内存环境！例如2014年推出的服务器用E5-2650 v3的Intel CPU中，它可以接受的最大通道数就是四通道且为DDR4喔！

DRAM与SRAM

除了内存之外，事实上整部个人电脑当中还有许许多多的存储器存在喔！最为我们所知的就是CPU内的二级缓存。我们现在知道CPU的数据都是由内存提供，但CPU到内存之间还是得要通过内存控制器啊！如果某些很常用的软件或数据可以放置到CPU内部的话，那么CPU数据的读取就不需要跑到内存重新读取了！这对于性能来说不就可以大大的提升了？这就是二级缓存的设计概念。二级缓存与内存及CPU的关系如下图所示：

图0.2.3、内存关系

因为二级缓存（L2 cache）整合到CPU内部，因此这个L2存储器的速度必须要和CPU频率相同。使用DRAM是无法达到这个频率速度的，此时就需要静态随机存储器（Static Random Access Memory， SRAM）的帮忙了。SRAM在设计上使用的晶体管数量较多，价格较高，且不易做成大容量，不过由于其速度快，因此整合到CPU内成为缓存以加快数据的存储是个不错的方式喔！新一代的CPU都有内置容量不等的L2缓存，以加快CPU的运作效率。

只读存储器

主板上面的元件是非常多的，而每个元件的参数又具有可调整性。举例来说，CPU与内存的频率是可调整的；而主板上面如果有内置的网卡或者显卡时，该功能是否要启动与该功能的各项参数，是被记录到主板上面的以个称为CMOS的芯片上，这个芯片需要藉由额外的电源来发挥记录功能，这也是为什么你的主板上面会有意颗电池的缘故。

那CMOS内的资料如何读取与更新呢？还记得你的电脑在开机的时候可以按下“Del”按键来进入一个名为BIOS的画面吧？BIOS（Basic Input Output System）是一套软件，这套软件是写死到主板上面的一个存储器芯片中，这个存储器芯片在没有通电时也能够将数据记录下来，那就是只读存储器（Read Only Memory，ROM）。ROM是一种非易失的存储器。另外BIOS对于个人电脑来说是非常重要的，因为它是系统在开机的时候首先会去读取的一个小程序喔！

另外，固件（firmware）（注12）很多也是使用ROM来进行软件的写入的。固件像软件一样也是一个被电脑所执行的程序，然而它是对于硬件内部而言更加重要的部分。例如BIOS就是一个固件，BIOS虽然对于我们日常操作电脑系统没有什么太大的关系，但是它却控制着开机时各项硬件参数的读取！所以我们会知道很多的硬件上面都会有ROM来写入固件这个软件。

BIOS对电脑系统来讲是非常重要的，因为它掌握了系统硬件的详细资料与启动设备的选择等等。但是电脑发展的速度太快了，因此BIOS代码也可能需要作适度的修改才行，所以你才会在很多主板官网找到BIOS的更新程序啊！但是BIOS原本使用的是无法改写的ROM，因此根本无法修正BIOS代码！为此，现在的BIOS通常是写入类似闪存（flash）的EEPROM（注13）中。（注14）

Tips

很多硬件上面都会有固件喔！例如鸟哥常用的磁盘阵列卡、10G的网卡、交换机设备等等！你可以简单的这么想！固件就是绑在硬件上面的控制软件！

0.2.3 显卡

显卡插槽如同图0.2.2、华硕主板示意图所示，在中左方有个PCIe 3.0的项目，这张主板中提供了两个显卡插槽喔！

显卡又称为VGA（Video Graphic Array），它对于图形影像的显示扮演相当关键的角色。一般对于图形影像的显示重点在于分辨率与色彩深度，因为每个图像显示的颜色会占用掉存储器，因此显卡上面会有一定容量的存储器，这个显卡存储器容量将会影响到你的屏幕分辨率与色彩深度的喔！

除了显存之外，现在由于三维游戏（3D game）与一些3D动画的流行，因此显卡的“运算能力”越来越重要。一些3D的运算早期是交给CPU去进行的，但是CPU并非完全针对这些3D来进行设计的，而且CPU平时已经非常忙碌了呢！所以后来显卡厂商直接在显卡上面嵌入一个3D加速的芯片，这就是所谓的GPU称谓的由来。

显卡主要也是通过CPU的控制芯片来与CPU、内存等沟通。如前面提到的，对于图形影像（尤其是3D游戏）来说，显卡也是需要高速运算的一个元件，所以数据的传输也是越快越好！因此显卡的规格由早期的PCI转向AGP，近期AGP又被PCI-Express规格所取代了。如前面华硕主板图示当中看到的就是PCI-Express的插槽。这些插槽最大的差异就是在数据传输的带宽了！如下所示：

规格                宽度        速度            带宽

PCI                32 bits    33 MHz        133 MBytes/s

PCI 2.2          64 bits    66 MHz        533 MBytes/s

PCI-X            64 bits    133 MHz      1064 MBytes/s

AGP 4x          32 bits    66x4 MHz    1066 MBytes/s

AGP 8x          32 bits    66x8 MHz    2133 MBytes/s

PCIe 1.0 x1    无            无                250 MBytes/s

PCIe 1.0 x8    无            无                2 GBytes/s

PCIe 1.0 x16    无          无                4 GBytes/s

比较特殊的是，PCIe（PCI-Express）使用的是类似通道的概念来处理，在PCIe第一版（PCIe 1.0）中，每条通道可以具有250MBytes/s的带宽性能，通道越多（通常涉及到x16通道）则总带宽越高！另外，为了提升更多的带宽，因此PCIe还有高级版本，目前主要的版本为第三版，相关的带宽如下：（注15）

规格            1x带宽            16x带宽

PCIe 1.0    250MByte/s    4GByte/s

PCIe 2.0    500MByte/s    8GByte/s

PCIe 3.0    ~1GByte/s    ~16GByte/s

PCIe 4.0    ~2GByte/s    ~32GByte/s

若以图0.2.2的主板为例，他使用的是PCIe 3.0的16x，因此最大带宽可以达到接近32GBytes/s的传输量！比起AGP是快很多的！好可怕的传输量……

如果你的主机是用来打3D游戏的，那么显卡的选购是非常重要喔！如果你的主机是用来作为网络服务器的，那么简单的入门级显卡怼你的主机来说就非常够用了！因为网络服务器很少用到3D与图形影像功能。

例题：

假设你的桌面使用1024x768分辨率，且使用全彩（每个像素占用3Bytes的容量），请问你的显卡至少需要多少存储器才能使用这样的色彩值？

答：

因为1024x768分辨率中会有786432个像素，每个像素占用3Bytes，所以总共需要2.25MBytes以上才行！但如果考虑屏幕的刷新率（每秒钟屏幕的更新次数），显卡的显存还是越大越好！

除了显卡与主板的连接接口需要知道外，那么显卡是通过什么格式与电脑屏幕（或电视）连接的呢？目前主要的连接接口有：

D-Sub（VGA端子）：为较早之前的连接接口，主要为15针的连接，是模拟信号的传输，当初设计是针对传统显像管屏幕而来。主要的规格有标准的640x350px@70Hz、1280x1024px@85Hz及2048x1536px@85Hz

DVI：共有四种以上的接头，不过台湾市面上比较常见的为仅提供数字信号的DVI-D，以及集成数字与模拟信号的DVI-I两种。DVI常见于液晶屏幕的连接，标准规格主要有：1920x1200px@60Hz、2560x1600px@60Hz等。

HDMI：相对于D-sub与DVI仅能传输影像数据，HDMI可以同时传输影像与声音，因此被广泛的使用于电视屏幕中！电脑屏幕目前也经常都有支持HDMI格式！

Display port：与HDMI相似的，可以同时传输声音与影像。不过这种接口目前在台湾还是比较少屏幕支持！

0.2.4 硬盘与存储设备

电脑总是需要记录与读取资料的，而这些资料当然不可能每次都由使用者经过键盘来打字！所以就需要有存储设备咯。电脑系统上面的存储设备包括有：硬盘、软盘、MO、CD、DVD、磁带机、可移动存储器（闪存）、还有新一代的蓝光光碟机等，乃至于大型机的局域网存储设备（SAN，NAS）等等，都是可以用来储存资料的。而其中最常见的应该就是硬盘了吧！

硬盘的物理组成

大家应该都看过硬盘吧！硬盘依据台式机与笔记本电脑而有分为3.5寸及2.5寸的大小。我们以3.5寸的台式机电脑使用的硬盘来说明。在硬盘里面其实是由许许多多的圆形磁盘片、机械臂、磁头与主轴马达所组成的，整个内部如同下图所示：

图0.2.4、硬盘物理构造（图片取自维基百科）

实际的数据都是写在具有磁性物质的磁盘片上面，而读写主要是通过在机械臂上的磁头（head）来完成。实际运行时，主轴马达让盘片转动，然后机械臂可伸展让磁头在盘片上面进行读写的动作。另外，由于单一磁盘片的容量有限，因此有的硬盘内部会有两个以上的磁盘片喔！

磁盘片上的数据

既然数据都是写入磁盘片上面，那么磁盘片上面的数据又是如何写入的呢？其实磁盘片上面的数据有点像下面的图示所示：

图0.2.5、磁盘片上面的数据格式（图片取自维基百科）

由于磁盘片是圆的，并且通过机械臂去读写数据，磁盘片要转动才能给让机械臂读写。因此，通常数据写入当然就是以圆圈转圈的方式读写啰！所以，当初设计就是在类似磁盘片同心圆上面切出一个一个的小区块，这些小区块整合成一个圆形，让机械臂上的磁头去存取。这种小区块就是磁盘的最小物理储存单位，称之为扇区（sector），那同一个同心圆的扇区组合成的圆就是所谓的磁道（track）。由于磁盘里面可能会有多个磁盘片，因此在所有磁盘片的同一个磁道可以组合成所谓的磁柱（cylinder）。

我们知道同心圆外圈的圆比较大，占用的面积比内圈多啊！所以，为了充分利用这些空间，因此外围的圆会具有更多的扇区（注16）！就如同图0.2.5的示意一般。此外，当磁盘片转一圈时，外圈的扇区数量比较多，因此如果数据写入在外圈，转一圈能给读写的数据量当然比内圈要多！因此通常数据的读写会由外圈开始往内写的喔！这是默认值啊！

另外，原本硬盘的扇区都是设计成512Bytes的容量，但因为近期以来硬盘的容量越来越大，为了减少数据量的拆分，所以新的大容量硬盘已经有4KBytes的扇区设计！购买的时候也需要注意一下。也因为这个扇区的设计不同了，因此在磁盘的分区方面，目前有老式的MSDOS兼容模式，以及较新的GPT模式喔！在较新的GPT模式下，磁盘的分区通常使用扇区号码来设计，跟过去旧的MSDOS是通过磁柱号码来分区的情况不同喔！相关的说明我们谈到磁盘管理（第七章）再来聊！

传输接口

为了要提升磁盘的传输速度，磁盘与主板的连接接口也经过多次的改版，因此有许多不同的接口喔！传统磁盘接口包括有SATA，SAS，IDE与SCSI等待，若考虑外置式磁盘，那就还包括了USB，eSATA等等接口喔！不过目前IDE已经被SATA取代，而SCSI则被SAS取代，因此我们下面将仅介绍SATA，USB与SAS接口而已。

      SATA接口

      如同华硕主板图示右下方所示为SATA硬盘的连接接口插槽。这种插槽所使用的排线比较窄小，而且每个设备需要使用一条SATA线。因为SATA线比较窄的原因，所以对于机箱内的通风比较好！因此原本的IDE粗排线接口就被SATA取代了！SATA的接口示意图如下所示：

图0.2.6、SATA接口的排线（图示取自Seagate网站）

由于SATA一条排线仅接一颗硬盘，所以你不需要调整跳线。不过一块主板上面SATA插槽的数量并不是固定的，且每个插槽都有编号，在连接SATA硬盘与主板的时候，还是需要留意一下。此外，目前的SATA版本已经到了第三代（注17），每一代之间的传输速度如下所示，而且重点是，每一代都可以向下兼容喔！只是速度上会差很多就是了。目前主流都是使用SATA3这个接口速度可达600MByte/s的接口！

版本        带宽（Gbits/s）        速度（MBytes/s）

SATA 1.0    1.5                            150

SATA 2.0    3                                300

SATA 3.0    6                                600

因为SATA传输接口传输时，通过的数据算法的关系，当传输10位编码时，仅有8位为资料，其余2位为校验之用。因此带宽的计算上面，使用的换算（bit转Byte）为1：10而不是1Byte=8bits喔！上表的对应需要稍微注意一下。另外，虽然这个SATA3接口理论上可达600MBytes/s的传输速度，不过目前传统的硬盘由于其物理组成的限制，一般极限速度大约在150~200MBytes/s而已啦！所以厂商们才要开发固态硬盘啊！^_^

      SAS接口

      早期工作站或大型机上面，为了读写速度与稳定度，因此在这些机器上面，大多使用的是SCSI这种高级的连接接口。不过这种接口的速度后来被SATA打败了！但是SCSI有其值得开发的功能，因此后来就有串行SCSI（Serial AttachedSCSI，SAS）的发展。这种接口的速度比SATA来的快，而且连接的SAS硬盘的盘片转速与传输的速度也都比SATA硬盘好！只是…好贵喔！而且一般个人电脑的主板上面通常没有内置SAS连接接口，得要通过转接卡才能够支持。因此一般个人电脑主机还是以SATA接口为主要的磁盘连接接口喔。

版本        带宽（Gbits/s）        速度（MBytes/s）

SAS 1        3                                300

SAS 2        6                                600

SAS 3        12                              1200

      因为这种接口的速度确实比较快喔！而且还支持例如热插拔等功能，因此，许多设备会以这种接口来连接！例如我们经常会听到的磁盘阵列卡的连接插槽，就是利用这种SAS接口开发出来的支持SFF-8087设备等等的（注18）.

      USB接口

      如果你的磁盘是外置式的界面，那么很可能跟主板连接的就是USB这种接口了！这也是目前（2015）最常见的外置式磁盘接口了。不过传统的USB速度挺慢的，即使是比较慢的传统硬盘，其传输率大概都还有80~120MBytes/s，但传统的USB2.0仅有大约60MBytes/s的理论传输率，通常做在主板上面的接口，竟然都仅有30~40MBytes/s而已呢！实在发挥不出磁盘的性能啊！

      为了改善USB的传输率，因此新一代的USB3.0速度就快很多了！据说还有更新的USB 3.1正在开发中！这几代版本的带宽与速度制表如下（注19）：

版本        带宽（Mbits/s）        速度（MBytes/s）

USB 1.0    12                                1.5

USB 2.0    480                               60

USB 3.0    5G                                500

USB 3.1    10G                              1000

跟SATA接口一样，不是理论速度达到该数值，实际上就可以跑到这么高！USB3.0虽然速度很快，但如果你去市面上买USB的传统磁盘或者闪存盘，其实它的读写速度还是差不多在100MBytes/s而已啦！不过这样就超级快了！因为一般USB 2.0的闪存盘读写速度大约是40MBytes/10MBytes左右而已。在购买这方面的外置式磁盘时，要特别考虑喔！

固态硬盘

传统硬盘有个很致命的问题，就是需要驱动马达去转动盘片，这会造成很严重的磁盘读取延迟！想想看，你得要知道数据在哪个扇区上，然后再命令马达开始转，之后再让磁头去读取正确的数据。另外，如果数据放置的比较分散（扇区分布比较广又不连续），那么读写的速度就会延迟的更明显！速度快不起来。因此，后来就有厂商拿闪存去制作成大容量的设备，这些设备的连接接口也是通过SATA或SAS，而且外形还做的跟传统磁盘一样！所以，虽然这类的设备已经不能称为是磁盘（因为没有磁头与盘片啊！都是闪存！），但是为了方便大家称呼，所以还是称为磁盘！只是跟传统磁盘（Hard Disk Driver， HDD）不同，就称为固态硬盘（Solid State Disk或Solid State Driver， SSD）。

固态硬盘最大的好处是，它没有马达不需要转动，而是通过闪存直接读写的特性，因此除了没有数据延迟且快速之外，还很省电！不过早期的SSD有个很重要的致命伤，就是这些闪存有“写入次数的限制”在，因此通常SSD的寿命大概两年就顶天了！所以数据存放时，需要考虑到备份或者是可能要使用RAID的机制来防止SSD的损毁（注20）！

Tips

SSD真的好快！鸟哥曾经买过Intel较顶级的SSD来做过服务器的读取系统盘，然后使用类似dd的指令去看看读写的速度，竟然真的如同Intel自己官网说的，极速可以达到500MBytes/哩！几乎就是SATA 3.0的理论极限速度了！所以，进来在需要大量读取的环境中，鸟哥都是使用SSD阵列来处理！

其实我们在读写磁盘时，通常没有连续读写，大部分的情况下都是读写一大堆小文件，因此，你不要妄想传统磁盘一直转很少圈就可以读到所有的数据！通常很多小文件的读写，会很考验硬盘，因为盘片要转好多圈！这也很花人类的时间啊！SSD就没有这个问题！也因为如此，近年来在测试磁盘的性能时，有个很特殊的单位，称为每秒读写操作次数（Input/OutputOperations Per Seconde，IOPS）！这个数值越大，代表可操作次数较高，当然性能好的很！

选购与购买须知

如果你想要增加一块硬盘到你的主机上时，除了需要考虑你的主板可接受的插槽接口（SATA/SAS）之外，还有什么要注意的呢？

      HDD或SSD

      毕竟HDD与SSD的价格与容量真的差很多！不过，速度也差很多就是了！因此，目前大家的使用方式大多是这样的，使用SSD作为系统盘，然后资料存储大多放置在HDD上面！这样系统运行快速（SSD），而资料储存量也大（HDD）。

      容量

      毕竟目前数据量越来越大，所以购买磁盘通常首先要考虑的就是容量的问题！目前（2015）主流市场HDD容量已经达到2TB以上，甚至有的厂商已经生产高达8TB的产品呢！硬盘可能可以算是一种消耗品，要注意重要资料还是得常常备份出来喔！至于SSD方面，目前的容量大概还是在128~256GB之间吧！

      缓存

      硬盘上面含有一个缓存，这个缓存主要可以将硬盘内常用的数据缓存起来，以加速系统的读取性能。通常这个缓存越大越好，因为缓存的速度要比数据从盘片中被找出来要快的多了！目前主流的产品可达64MB左右的缓存大小喔。

      转速

      因为硬盘主要是利用主轴马达驱动盘片来存取，因此转速的快慢会影响到性能。主流的台式机硬盘为每分钟7200转，笔记本电脑则是5400转。有的厂商也有推出高达10000转的硬盘，若有高性能的数据存取需求，可以考虑购买高转速硬盘。

      运行须知

      由于硬盘内部机械臂上的磁头与盘片的接触是很细微的空间，如果有抖动或者是脏污在磁头与盘片之间就会造成数据的损毁或者是实体硬盘整个损毁~因此，正确的使用电脑的方式，应该是在电脑通电之后，就绝对不要移动主机，避免震动到硬盘，而导致整个硬盘数据发生问题啊！另外，也不要随便将插头拔掉就以为是顺利关机！因为机械臂必须要回归原位，所以使用操作系统的正常关机方式，才能够比较好的保护硬盘，因为它会让硬盘的机械臂回归原位啊！

Tips

可能因为环境的关系，电脑内部的风扇常常会卡灰尘而造成一些声响。很多朋友只要听到这种声响都是二话不说的“用力拍几下机箱”就没有声音了~现在你知道了，这么做的后果常常就是你的硬盘容易坏掉！下次千万不要再这样做喔！

0.2.5 扩展卡与接口

你的服务器可能因为某些特殊的需求，因此需要使用主板之外的其他接口卡。所以主板上面通常会预留多个扩展界面的插槽，这些插槽依据历史沿革，包括PCI/AGP/PIC-X/PCIe等等，但是由于PCIe速度快到太好用了，因此几乎所有的卡都以PCIe来设计了！但是有些比较老旧的卡可能还需要使用啊，因此一般主板大多还是会保留一两个PCI插槽，其他的则是以PCIe来设计。

由于各元件的价格下跌，现在主板上面通常已经集成了相当多的设备元件了！常见整合到主板的元件包括声卡、网卡、USB控制卡、显卡、磁盘阵列卡等等。你可以在主板上面发现很多方形的芯片，那通常是一些特别设计的设备芯片喔。

不过，因为某些特殊的需求，有时你可能还是需要增加额外的扩展卡。举例来说，如果我们需要一部个人电脑连接多个网段时（Linux服务器用途），恐怕就得要有多个网卡。当你想要购买网卡时，大卖场上面有好多耶！而且速度一样都是千兆网卡（Gbits/s），但价格差很多耶！观察规格，主要有PCIe x1以及PCI界面的！你要买哪种界面呢？

观察一下0.2.3显卡的章节里，你会发现PCI界面的理论传输率最高只到133MBytes/s而已，而PCIe 2.0 x1就高达500MBytes/s的速度！鸟哥实测的结果也发现，PCI界面的千兆网卡极限速度大约只到60MBytes/s而已，而PCIe 2.0 x1 的千兆网卡确实可以达到大约110MBytes/s的速度！所以，购买设备时，还是要查清楚连接界面才行啦！

在0.2.3节也谈到PCIe有不同的通道数，基本上常见的就是x1，x4，x8，x16等，个人电脑主板常见是x16的，一般中档服务器则大多有多个x8的界面，x16反而比较少见。这些界面在主板的设计，主要是以插槽的长度来看的，例如华硕主板示意图中，左侧有2个PCI界面，其他的则是3个x16的插槽，以及2个x1的插槽，看长度就知道了。

多通道卡（例如x8的卡）安装在少通道插槽（例如x4的插槽）的可用性

再回头看看图0.2.1的示意图，你可以发现CPU最多最多仅能支持16个PCIe 3.0的通道，因此在图示当中就明白的告诉你，你可以设计（1）一个x16（2）或者是两个x8，（3）或者是两个x4加上一个x8的方式来增加扩展卡！这是可以直接连接到CPU的通道！咦！那为何图0.2.2可以有3个x16的插槽呢？原因是前两个属于CPU支持的，后面两个可能就是南桥提供的PCIe的界面了！那明明最多仅能支持一个x16的界面，怎么可能设计3个x16呢？

因为要让所有的扩展卡都可以安装在主板上面，所以在比较中高档的主板上面，它们都会做出x16的插槽，但是该插槽内其实只有x8或x4的通道可用！其他的都是空的没有金手指（电路的意思）~咦！那如果我的x16的卡安装在x16的插槽，但是这个插槽仅有x4的电路设计，那我这张卡可用运行吗？当然可以！这就是PCIe的好处了！它可以让你这张卡仅使用x4的电路来传送数据，而不会无法使用，只是…你的这张卡的极限性能，就会只剩下4/16=1/4啰！

因为一般服务器常用的扩展卡，大多数都使用PCIe x8的界面（因为也没有什么设备可以将PCIe 3.0的x8速度用完啊！），为了增加扩展卡的数量，因此服务器级的主板才会大多使用x8的插槽！反正，要发挥扩展卡的能力，就得要搭配相对应的插槽才行啦！

Tips

鸟哥近年来在搞小型云教室，为了加速需要有10G的网卡，这些网卡标准的界面为PCIe 2.0 x8.有台主机上面需要安装这样的卡三张才行，结果该主机上面仅有一个x16，一个x8以及一个x4的PCIe界面，其中x4的那个界面使用的是x8的插槽，所以三张卡都可以安装在主板上面，且都可以运行！只是在高速运行时，实测的性能结果发现，那个安装在x4界面的网卡性能降很多！所以才会发现这些问题！提供给大家参考参考！

0.2.6 主板

这个小节我们特别再把主板拿出来说明一下，特别需要讲的就是芯片组与扩展卡之间的关系了！

发挥扩展卡性能必须考虑的插槽位置

如同图0.2.1所示，其实系统上面可能会有多个x8的插槽，那么到底你的卡插在哪个插槽上面性能最好？我们以该图来说，如果你是安装在左上方跟CPU直接连线的那几个插槽，那性能最佳！如果你是安装在左侧由上往下数的第五个PCIe 2.0 x8的插槽呢？哪个插槽是与南桥连接，所以你的扩展卡数据需要先进入南桥跟大家抢带宽，之后要传向CPU时，还得要通过CPU与南桥的沟通线路，那条线路称为DMI 2.0。

根据Intel方面的资料来看，DMI 2.0的传输率是4GT/s，换算成数据传输量时，大约仅有2GBytes/s的速度，要知道，PCIe 2.0 x8的理论速度已经达到4GBytes/s了，但是与CPU的通道竟然仅有2GB，性能的瓶颈就这样发生在CPU与南桥的沟通上面！因此，卡安装在哪个插槽上面，对性能而言也是影响很大的！所以插卡时，请详细阅读您主机上面的逻辑图示啊（类似本章的Intel芯片示意图）！尤其CPU与南桥沟通的带宽方面，特别重要喔！

Tips

因为鸟哥的Linux服务器，目前很多都需要执行一些虚拟化技术等会大量读写数据的服务，所以需要额外的磁盘阵列卡来提供数据的存放！同时得要提供10G网络让内部的多台服务器互相通过网络连接。过去没有这方面的经验时，扩展卡都随意乱插，反正能动就好！但实际分析过性能之后，哇！现在都不敢随便乱插了！性能差太多！每次在选购新的系统时，也都会首先去查看芯片逻辑图~确认性能瓶颈不会卡在主板上，这才下手去购买！惨痛的经验产生惨痛的$$飞走事件，所以，这里特别提出来跟大家分享的啦！

设备I/O地址与IRQ中断通道

主板是负责各个电脑元件之间的沟通，但是电脑元件实在太多了，有输出/输入/不同的存储设备等等，主板芯片组怎么知道如何负责沟通呢？这个时候就需要用到所谓的I/O地址与IRQ啰！I/O地址有点类似每个设备的门牌号码，每个设备都有他自己的地址，一般来说，不能有两个设备使用同一个I/O地址，否则系统就会不知道搞如何操作这两个设备了。而除了I/O地址之外，还有个IRQ中断（interrupt）这个东西。

如果I/O地址想成是各设备的门牌号码的话，那么IRQ就可以想成是各个门牌连接到邮件中心（CPU）的专门路径啰！各设备可以通过IRQ中断通道来告诉CPU该设备的工作情况，以便CPU进行工作分配。老式的主板芯片组IRQ只有15个，如果你的外设接口太多时可能就会不够用，这个时候你可以选择将一些没有用到的外设接口关掉，以空出一些IRQ来给真正需要使用的接口喔！当然，也有所谓的sharing IRQ的技术就是了！

CMOS与BIOS

前面内存的地方我们有提过CMOS与BIOS的功能，在这里我们再来强调一下：CMOS的主要功能为记录主板上面的重要参数，包括系统时间、CPU电压与频率、各项设备的I/O地址与IRQ等，由于这些资料的记录要花费电力，因此主板上面才有电池。BIOS为写入到主板上某一块flash或EEPROM的程序，它可以在开机的时候执行，以载入CMOS当中的参数，并尝试调用存储设备中的启动程序，进一步进入操作系统当中。BIOS程序也可以修改CMOS中的数据，每种主板调用BIOS设定程序的按键都不同，一般台式机电脑常用的是使用“del”按键进入BIOS设置画面。

连接周边设备的接口

主板与各项输入/输出设备的连接主要都是在主机机箱的后方，主要有：

      PS/2接口：这原本是常见的键盘与鼠标的接口，不过目前渐渐被USB接口取代，甚至较新的主板可能就不再提供PS/2接口了；

      USB接口：通常只剩下USB 2.0与USB 3.0，为了方便区分，USB 3.0为蓝色的接口颜色喔！

      声音输出、输入与麦克风：这个是一些圆形的插孔，而必须你的主板上面有内置音效芯片时，才会有这三个东西；

      RJ-45网卡接口：如果有内置网络芯片的话，那么就会有这种接口出现。这种接口有点类似电话接口，不过内部有八根线喔！接上网线后在这个接口上会有信号灯亮起来才对！

      HDMI：如果有内置显示芯片的话，可能就会提供这个与屏幕连接的接口了！这种接口可以同时传输声音与影像，目前也是电视机屏幕的主流连接接口喔！

我们以华硕主板的连接接口来看的话，主要有这些：

图0.2.7、连接外设接口

0.2.7 电源供应器

除了上面这些元件之外，其实还有一个很重要的元件也要来谈一谈，那就是电源供应器（Power）。在你的机箱内，有个大大的铁盒子，上面有很多电源线跑出来，那就是电源供应器了。我们的CPU/RAM/主板/硬盘等等都需要用电，而近来的电脑元件耗电量越来越高，以前很古老的230W电源已经不够用了，有的系统甚至得要有500W以上的电源才能给运行~真可怕~

电源供应器的价差非常大！贵一点的300W可以到4000新台币，便宜一点的300W只要500新台币不到！怎么差这么多？没错~因为Power的用料不同，电源供应的稳定度也会差很多。如前所述，电源供应器相当于你的心脏，心脏差的话，活力就会不足了！所以，稳定度差的电源供应器甚至是造成电脑不稳定的元凶呢！所以，尽量不要使用太差的电源供应器喔！

电源转换率

电源供应器本身也会吃掉一部分的电力的！如果你的主机系统需要300W的电力时，因为电源供应器本身也会消耗掉一部分的电力，因此你最好要挑选400W以上的电源供应器。电源供应器出厂前会有一些测试数据，最好挑选高转换率的电源供应器。所谓的高转换率指的是“输出的功率/输入的功率”。意思是说，假如你的主板用电量为250W，但是电源供应器其实已经使用掉320W的电力，则转换率为：250/320=0.78的意思。这个数值越高标识被电源供应器“玩掉”的电力越少，那就符合能源效益了！^_^

0.2.8  选购须知

在购买主机时应该需要进行整体的考虑，很难仅依照某一项标准来选购的。老实说，如果你的公司需要一台服务器的话，建议不要自行组装，买品牌电脑的服务器比较好！这是因为自行组装的电脑虽然比较便宜，但是每个设备之间的兼容性是否完美则有待自行检测。

另外，在性能方面并非仅考虑CPU的能力而已，速度的快慢与“整个系统的最慢的那个设备有关！”，如果你是使用最快的Intel i7系列产品，使用最快的DDR3-1600内存，但是配上一个慢慢的过时显卡，那么整体的3D速度性能将会卡在那个显卡上面喔！所以，在购买整套系统时，请特别留意需要全部的方面都考虑进去喔！尤其是当您想要升级时，要特别注意这个问题，并非所有的旧的设备都适合继续使用的。

例题：

你的系统使用i7的4790 CPU，使用了DDR3-1600内存，使用了PCIe 2.0 x8的磁盘阵列卡，这张卡上面安装了8颗3TB的理论速度可达200MBytes/s的硬盘（假设为可加总速度的RAID-0配置），是安装在CPU控制芯片相连的插槽中。网络使用千兆网卡，安装在PCIe 2.0 x1的接口上。在这样的设备中，上述的哪个环节速度可能是你的瓶颈？

答：

DDR3-1600的带宽可达：12.8GBytes/s

磁盘阵列卡理论传输率：PCIe 2.0 x8为4GBytes/s

磁盘每颗200Mbytes/s，共八颗，总速率为：200MBytes*8~1.6GBytes/s

网络接口使用PCIe 2.0 1x所以接口速度可达500MBytes/s，但是千兆网络最高为125MBytes/s

通过上述分析，我们知道，速度最慢的为网络的125MBytes/s！所以，如果想要让整体性能提升，网络恐怕就是需要克服的一环！

系统不稳定的可能原因

除此之外，到底哪个元件特别容易造成系统的不稳定呢？有几个常见的系统不稳定的状态是：

系统超频：这个行为很不好！不要这么做！

电源供应器不稳：这也是个很严重的问题，当您测试完所有的元件都没有啥大问题时，记得测试一下电源供应器的稳定性！

内存无法负荷：现在的内存品质相差很多，差一点的内存，可能会造成您的主机在忙碌的工作时，产生不稳定或死机的现象喔！

系统过热：“热”是造成电子零件运行不良的主因之一，如果您的主机在夏天容易死机，冬天却还好，那么考虑一下加几个风扇吧！有助于机箱内的散热，系统会比较稳定喔！“这个问题也是很常见的系统死机的元凶！”（PS1：鸟哥之前的一台服务器老是容易死机，后来拆开机箱研究才发现原来是北桥上面的小风扇坏掉了，导致北桥温度太高。后来换掉风扇就稳定多了。PS2：还有一次整个实验室的网络都停了！检查了好久，才发现原来是网络交换机switch在夏天热到死机！后来只好用小电风扇一直吹他……）

Tips

事实上，要了解每个硬件的详细架构与构造是很难的！这里鸟哥仅是列出一些比较基本的概念而已。另外，要知道某个硬件的制造商是哪间公司时，可以看该硬件上面的信息。举例来说，主板上面都会列出这个主板的开发商与主板的型号，知道这两个信息就可以找到驱动程序了。另外，显卡上面有个小小的芯片，上面也会列出显卡厂商与芯片信息喔。