為什麼要從硬體開始#

學 Linux 之前，先理解計算機的基本運作原理。Linux 的許多設計——裝置檔名、記憶體管理、I/O 排程——都直接對應硬體的運作方式。沒有這層認識，後面學到的指令與設定只是死背，無法融會貫通。

硬體的五大單元#

計算機的核心架構由五個功能單元組成：

1. 輸入單元：鍵盤、滑鼠、觸控螢幕等，負責將外部資料送入系統
2. 輸出單元：螢幕、印表機等，負責將處理結果呈現給使用者
3. CPU 控制單元：協調各單元之間的運作順序
4. CPU 算術邏輯單元：執行實際的運算與邏輯判斷
5. 記憶體：暫存正在處理的資料與程式指令

所有的資料都必須先載入主記憶體（RAM），CPU 才能進行處理。這就是為什麼記憶體不足時，系統會明顯變慢——因為必須頻繁地在硬碟與記憶體之間交換資料（swap）。

CPU 架構：RISC 與 CISC#

CPU 的指令集架構分為兩大陣營：

• CISC（Complex Instruction Set Computing）：以 x86/x86_64 為代表（Intel、AMD）。指令功能豐富，單一指令可以完成較複雜的工作，但電路設計複雜、功耗較高
• RISC（Reduced Instruction Set Computing）：以 ARM、MIPS、SPARC 為代表。指令精簡、執行速度快、省電，適合行動裝置與嵌入式系統

你日常開發用的電腦幾乎都是 x86_64 架構，但部署目標可能是 ARM（如 AWS Graviton、Apple Silicon、Raspberry Pi）。理解架構差異，有助於理解為什麼同一份程式碼編譯出的二進位檔不能跨架構執行。

其他關鍵硬體元件#

記憶體的層級#

• SRAM（靜態隨機存取記憶體）：速度極快但昂貴，用作 CPU 快取（L1/L2/L3 Cache）
• DRAM（動態隨機存取記憶體）：主記憶體，速度較慢但容量大
• ROM（唯讀記憶體）：存放 BIOS/UEFI 韌體，開機時最先被執行

儲存裝置#

• 傳統硬碟（HDD）：機械式讀寫，容量大、價格低，但有物理限制（轉速、尋軌時間）
• 固態硬碟（SSD）：無機械結構，讀寫速度快數倍，但有寫入壽命的考量

匯流排與擴充#

主機板上的**匯流排（Bus）**連接所有元件。北橋負責高速裝置（CPU、記憶體、顯示卡），南橋負責低速裝置（硬碟、USB、網卡）。現代架構已將北橋功能整合進 CPU。

資料表示方式#

數字系統#

計算機使用**二進位（Binary）**儲存所有資料。每個 0 或 1 就是一個 bit，8 個 bit 組成 1 個 Byte。

常用的容量單位換算：

• 1 KByte = 1024 Bytes
• 1 MByte = 1024 KBytes
• 1 GByte = 1024 MBytes
• 1 TByte = 1024 GBytes

硬碟廠商通常以十進位計算容量（1 GB = 10 億 Bytes），而作業系統以二進位計算。這就是為什麼買了一顆標示 1TB 的硬碟，在系統裡只顯示約 931 GB。

文字編碼#

• ASCII：使用 1 Byte 表示英文字母與符號，共 128 個字元
• Big5：台灣常用的繁體中文編碼，使用 2 Bytes 表示一個中文字
• UTF-8：Unicode 的變長編碼方式，可表示全世界的文字，已成為現代系統的標準

軟體：從機器語言到作業系統#

程式語言的層級#

• 機器語言：CPU 直接認識的 0 與 1 指令
• 組合語言：用助記符號代替二進位，與硬體架構直接對應
• 高階語言：如 C、Python、Java，需要透過編譯器或直譯器轉換為機器語言

作業系統的核心職責#

作業系統（Operating System）是硬體與應用程式之間的橋樑，負責三件事：

1. 硬體驅動與管理：讓應用程式不需要直接操作硬體
2. 資源分配：CPU 時間、記憶體空間、I/O 裝置的排程
3. 提供系統呼叫介面：讓應用程式透過統一的 API 請求系統服務

作業系統的核心（Kernel）才是真正管理硬體的程式。我們平常說的「Linux」嚴格來說指的是核心，而 Ubuntu、CentOS 等是包含核心與各種工具程式的發行版（Distribution）。

本章的實務連結#

理解這些基礎，你才能回答實務中的問題：

• 為什麼 Docker image 要區分 amd64 和 arm64？因為 CPU 架構不同
• 為什麼資料庫要盡量把資料放在記憶體？因為 RAM 與硬碟的速度差距是數量級的
• 為什麼亂碼問題層出不窮？因為不同的編碼系統對同一段 Byte 有不同的解讀方式