虛擬與實體硬體系統架構解析

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虛擬硬體由虛擬機器管理程式或雲端平台模擬，提供執行作業系統的環境，而實體硬體則組成實際的電腦系統。虛擬機器硬體包含虛擬 CPU、記憶體、儲存和網路等元件，實體電腦則包含主機板、CPU、記憶體、顯示器等實體裝置。Raspberry Pi 的 GPIO 介面允許使用者透過程式控制硬體，擴充裝置功能。理解虛擬與實體硬體系統的差異對於系統設計和硬體開發至關重要。

虛擬與實體硬體系統剖析

在電腦系統中，虛擬硬體與實體硬體是兩個截然不同的概念。實體硬體是指實際存在的硬體裝置，如CPU、記憶體、儲存裝置等，而虛擬硬體則是指由虛擬機器管理程式（Hypervisor）或雲端平台模擬出來的硬體裝置。

虛擬機器的硬體架構

虛擬機器的硬體架構是由Hypervisor或雲端平台模擬出來的，目的是為了執行作業系統，如Linux、Windows等。虛擬機器的硬體架構包括：

儲存裝置

  • 虛擬硬碟（格式取決於平台）
  • 光碟機（通常是ISO檔案）
  • 軟碟機（舊式硬體）

主機板與BIOS/UEFI

  • 虛擬主機板
  • BIOS/UEFI（詳見Glossary中的UEFI和BIOS）

其他虛擬硬體元件

  • TPM子系統（詳見Glossary中的TPM）
  • USB晶片組（詳見Glossary中的USB）
  • 記憶體（動態分配）
  • 儲存介面：IDE或SCSI（詳見Glossary中的DRIVE INTERFACE）
  • CPU（插槽/核心）（詳見Glossary中的CPU）
  • 網路（乙太網路）（驅動程式因平台而異）（詳見Glossary中的NIC）
  • 視訊（整合式）（詳見Glossary中的INTEGRATED GRAPHICS）
  • 輸入裝置（鍵盤/滑鼠）
  • 聲音晶片組
  • 序列埠（舊式硬體）

實體電腦/筆電/平板電腦的硬體架構

實體電腦的硬體架構是指實際存在的硬體裝置，包括：

顯示與輸入裝置

  • 顯示器（1K、4K、觸控）
  • 輸入裝置（滑鼠、鍵盤、觸控板、觸控筆）

電源與散熱系統

  • 電腦機殼（桌上型/筆電）
  • 電源供應器（自動切換）
  • 電池（筆電專用）
  • 散熱系統（主動式：風扇、水冷等；被動式：散熱片）（詳見Glossary中的COOLING）

儲存與介面

  • 儲存裝置（媒體：磁碟或NAND）（詳見Glossary中的DATA STORAGE）
  • 光碟儲存裝置（CD、DVD、Blu-ray）
  • 實體主機板
  • CPU（中央處理器）（速度和核心數）（詳見Glossary中的CPU）
  • 記憶體（速度、型別）（詳見Glossary中的RAM）

其他實體硬體元件

  • 儲存介面：SATA、NVMe、m.2（詳見Glossary中的DRIVE INTERFACE）
  • 安全功能（TPM、生物識別、智慧卡）（詳見Glossary中的TPM、BIOMETRICS、SMART CARD）
  • 網路功能（乙太網路、Wi-Fi、藍牙）（詳見Glossary中的NIC、BLUETOOTH）
  • 感測器套件（用於螢幕方向檢測）（筆電專用）
  • 外部聯結器（USB、視訊[HDMI/Display Link]、SD卡）（詳見Glossary中的USB）
  • 整合式圖形/聲音（輸入/輸出）（詳見Glossary中的INTEGRATED GRAPHICS）
  • BIOS/UEFI（基本輸入/輸出系統/統一可延伸韌體介面）（詳見Glossary中的UEFI和BIOS）
  • PCIe（外設元件互連擴充卡）
  • 獨立式圖形處理器（GPU）（詳見Glossary中的DISCRETE GRAPHICS）

Raspberry Pi GPIO介面參考

對於希望使用Raspberry Pi進行基本或進階電子電路設計的使用者，GPIO介面提供了擴充裝置功能的可能。GPIO允許使用者整合自定義電路，以擴充裝置的功能。

GPIO介面簡介

所有Raspberry Pi開發板都包含一排GPIO針腳，最新版的GPIO接頭包含40個針腳。GPIO針腳不是按照數值順序排列的，針腳0和1（實體針腳27和28）保留用於進階用途。

Raspberry Pi GPIO針腳組態
[1] 3.3v 電源 [2] 5v 電源
[3] BCM (SDA) {GPIO2}
[4] 5v 電源
[5] BCM (SCL) {GPIO3}
[6] GND
[7] BCM (GPCLK0) {GPIO4}
[8] BCM {GPIO14} (TXD)
[9] GND [10] BCM {GPIO15} (RXD)
...

使用GPIO介面

使用GPIO介面需要基本的電子學知識，但即使沒有相關經驗，也可以透過購買麵包板和基本元件（如電阻、LED和按鈕）來開始學習。

重點解析

本章節探討了虛擬與實體硬體系統的差異，並詳細介紹了虛擬機器和實體電腦的硬體架構。此外，還介紹了Raspberry Pi的GPIO介面及其應用，為讀者提供了豐富的技術細節和實務知識。

樹莓派GPIO介面詳解與應用

GPIO基本介紹

樹莓派的GPIO（通用輸入/輸出）介面提供了多種功能，包括數字輸入/輸出、PWM（脈寬調製）、SPI、I2C等。正確使用GPIO介面對於樹莓派的硬體擴充套件和專案開發至關重要。

GPIO引腳組態

樹莓派的GPIO引腳有多種功能組態，包括：

  • 電源引腳：提供5V和3.3V電源，以及多個接地引腳（GND）。
  • 輸出引腳：可以被設定為高電平（3.3V）或低電平（0V）。
  • 輸入引腳：可以讀取高電平（3.3V）或低電平（0V）。

特殊功能引腳

  • GPIO2和GPIO3具有固定上拉電阻，其他引腳可以在軟體中組態上拉或下拉。
  • PWM引腳：支援硬體PWM的引腳包括GPIO12、GPIO13、GPIO18和GPIO19。
  • SPI介面：包括SPI0和SPI1，支援多個晶片選擇（CE）訊號。
  • I2C介面：主要使用GPIO2（資料）和GPIO3（時鐘）。
  • 串列資料傳輸：TX（GPIO14）和RX（GPIO15）。

安全注意事項

  • 連線簡單元件（如電阻、LED）到GPIO引腳通常是安全的，但需要注意電路設計。
  • LED應串聯電阻以限制電流。
  • 不要將5V電源直接連線到需要3.3V的元件。

命令列GPIO參考工具

Raspbian系統中提供了一個名為pinout的命令列工具，用於查詢GPIO引腳的功能和組態。

程式設計控制GPIO

樹莓派支援多種程式語言和工具來控制GPIO，包括Scratch和Python。

Python控制GPIO範例

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 設定GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 設定GPIO18為輸出模式
GPIO.setup(18, GPIO.OUT)

try:
    while True:
        # 設定GPIO18輸出高電平
        GPIO.output(18, GPIO.HIGH)
        time.sleep(1)
        
        # 設定GPIO18輸出低電平
        GPIO.output(18, GPIO.LOW)
        time.sleep(1)
except KeyboardInterrupt:
    # 清理GPIO資源
    GPIO.cleanup()

內容解密：

  1. 匯入必要的模組：使用RPi.GPIO模組控制GPIO，需要先匯入該模組。同時，time模組用於控制時間延遲。
  2. 設定GPIO模式：使用GPIO.setmode(GPIO.BCM)設定GPIO的編號模式為BCM模式，這是根據樹莓派的Broadcom SOC編號。
  3. 設定GPIO引腳模式：使用GPIO.setup(18, GPIO.OUT)將GPIO18設定為輸出模式。
  4. 迴圈控制LED閃爍：在無限迴圈中，交替設定GPIO18為高電平和低電平，以控制LED的亮滅。每個狀態持續1秒。
  5. 例外處理：當使用者按下Ctrl+C終止程式時，觸發KeyboardInterrupt異常，執行GPIO.cleanup()清理GPIO資源，還原初始狀態。

基本電路符號與電子元件

瞭解基本的電路符號和電子元件對於設計和實作樹莓派專案非常重要。常見的元件包括電阻、電容、二極體等。

電阻色碼表

電阻的色碼用於表示其阻值、誤差和溫度係數。正確讀取色碼對於選擇合適的電阻至關重要。

重要術語解釋

  • 802.11無線標準：定義了無線網路的通訊協定，包括2.4GHz和5GHz頻段。
  • ANSI：美國國家標準協會定義的字元編碼標準，是ASCII字元集的擴充套件。

技術詞彙解析與應用

在資訊科技領域中，理解並正確應用專業術語對於技術交流和知識傳承至關重要。本文將對一系列重要的技術詞彙進行深度解析，並探討其在實際技術環境中的應用。

反鋸齒技術（Anti-Alias）

反鋸齒是一種軟體處理技術，用於平滑對角線和曲線的鋸齒邊緣。透過在邊緣周圍填充不同灰階或色彩，達到視覺上的平滑效果。

Apache 網路服務

Apache HTTP Server 是一種免費、開源且跨平台的網路伺服器軟體。最初根據 NCSA HTTPd 伺服器開發，自 1995 年開始發展。截至 2018 年 3 月，Apache 已佔據全球活躍網站的 43% 和頂級百萬網站的 37%。

程式碼範例：Apache 設定檔修改

# 編輯 Apache 設定檔
sudo nano /etc/apache2/apache2.conf

# 新增虛擬主機設定
<VirtualHost *:80>
    ServerName example.com
    DocumentRoot /var/www/example
</VirtualHost>

# 重啟 Apache 服務
sudo systemctl restart apache2

內容解密：

  1. 使用 sudo nano /etc/apache2/apache2.conf 命令編輯 Apache 的主要設定檔。
  2. 在設定檔中新增虛擬主機設定，指定伺服器名稱和檔案根目錄。
  3. 使用 sudo systemctl restart apache2 命令重啟 Apache 服務，使設定生效。

APT（高階套件工具）

APT 是 Debian 套件管理系統的前端工具，用於自動下載、依賴解析和安裝 Debian 套件（.deb 檔案）。

程式碼範例：更新 APT 倉函式庫

# 更新 APT 倉函式庫列表
sudo apt update

# 升級已安裝的套件
sudo apt upgrade -y

內容解密：

  1. 使用 sudo apt update 命令更新本地 APT 倉函式庫列表。
  2. 使用 sudo apt upgrade -y 命令升級所有已安裝的套件。

ARP（位址解析協定）

ARP 是一種通訊協定，用於發現與特定 IPv4 位址相關聯的鏈路層位址，在 IP 網路中扮演關鍵角色。

ASCII（美國資訊交換標準碼）

ASCII 是一種用於電子通訊的字元編碼標準，代表電腦、電信裝置和其他裝置中的文字。大多數現代字元編碼方案都根據 ASCII。

程式碼範例：顯示 ASCII 圖表

# 顯示 ASCII 圖表
man 7 ascii

內容解密：

使用 man 7 ascii 命令顯示 ASCII 圖表，提供字元編碼的參考。

BASH（Bourne Again SHell）

BASH 是 GNU 計畫開發的 Linux shell 和指令碼語言，作為 Bourne shell 的免費軟體替代品。許多 Linux 發行版預設使用 BASH。

BIOS（基本輸入/輸出系統）

BIOS 是舊式 IBM PC 相容個人電腦中用於載入作業系統的韌體，也負責管理電腦與周邊裝置之間的資料流。

區塊儲存（Block Storage）

區塊儲存裝置如傳統硬碟（HDD）、固態硬碟硬碟（SSD）和儲存區域網路（SAN）等，將資料分割成較小區塊並儲存在儲存媒體上。

藍牙技術（Bluetooth）

藍牙是一種無線技術標準，用於在裝置之間進行短距離資料交換，構建個人區域網路（PAN）。

開機載入程式（Bootloader）

在 Linux 系統中，開機載入程式是一種小型程式，在系統啟動時載入，用於自動啟動 Linux 發行版或其他作業系統。

布林運算元（Boolean Operators）

布林運算元用於測試變數或命令輸出的布林值，以檢查特定條件是否滿足，並執行相應的操作。

程式碼範例：布林運算元應用

# 定義布林變數
var=true

# 使用布林運算元進行條件判斷
if [ "$var" = true ]; then
    echo "Variable is true"
else
    echo "Variable is false"
fi

內容解密：

  1. 定義一個布林變數 var 並指定為 true。
  2. 使用 if 陳述式和布林運算元檢查變數值，根據結果輸出不同訊息。

技術詞彙解析與應用

BTRFS 檔案系統

BTRFS是一種較新的檔案系統，利用「寫入時複製」（copy-on-write）技術，在檔案系統層級實作磁碟區管理功能，支援快照與磁碟區複製等特性。然而，其成熟度仍是主要問題，許多管理員等待其穩定後才用於正式工作環境。

內容解密：

  1. 寫入時複製技術：BTRFS的核心技術，確保資料寫入時不會覆寫原始資料，而是建立新資料副本。
  2. 磁碟區管理：在檔案系統層級進行管理，無需額外的磁碟區管理工具。
  3. 快照與複製：提供資料保護與快速還原機制。

CARRIER GRADE 網路連線

Carrier Grade指企業或大型組織用於網際網路連線的服務等級，通常具備服務品質保證，價格較高。

內容解密：

  1. 企業級服務：針對大型組織的網路連線需求，提供高品質的連線服務。
  2. 服務保證：網際網路服務供應商（ISP）提供服務水準協定（SLA），確保連線品質。

CHARACTER ENCODING 字元編碼

字元編碼系統定義電腦如何將字元程式碼轉換為可讀字元，常見的編碼包括ASCII與Unicode。

內容解密：

  1. 字元集：將字元分組，不同編碼支援不同的字元集。
  2. ASCII與Unicode：最常用的兩種編碼，ASCII用於英文字元，而Unicode支援全球大多數語言。

CHECKSUM 檢查碼

檢查碼是一種數字，用於檢測資料傳輸或儲存過程中的錯誤，也用於驗證檔案完整性。

計算檔案檢查碼範例

cksum myfile.txt

內容解密：

  1. 錯誤檢測：檢查碼協助檢測資料錯誤。
  2. 檔案完整性驗證：確保檔案未被篡改。

CIDR 無類別網域路由

CIDR是一種表示IP位址及其相關路由字首的簡潔表示法，例如192.168.0.1/24。

內容解密：

  1. IP位址與字首：CIDR結合IP位址與路由字首，提供網路定址資訊。
  2. 網路表示法：簡化網路位址的表示，方便路由設定。

CIFS 共用檔案系統

CIFS是微軟實作的SMB（Server Message Blocks）協定，用於網路上共用檔案、印表機等資源。

內容解密：

  1. SMB實作：CIFS根據SMB協定，提供網路資源共用功能。
  2. 網路資源共用：允許不同裝置間共用檔案和印表機。

命令列介面（COMMAND LINE）

命令列介面允許使用者直接輸入命令和引數與作業系統互動。

使用命令列範例

ifconfig

內容解密：

  1. 命令輸入：使用者可直接輸入命令執行特定功能。
  2. 引數與選項：透過引數調整命令列為。

命令列引數（COMMAND LINE ARGUMENT）

命令列引數用於啟用或停用命令的特定功能。

使用命令列引數範例

mtr -rw example.com

內容解密：

  1. 引數格式：引數具有特定格式，用於控制命令列為。
  2. 功能控制：透過引數調整命令的功能。

電腦散熱（COMPUTER COOLING）

電腦散熱技術移除電腦元件產生的廢熱，保持元件在安全溫度範圍內。

內容解密：

  1. 主動散熱：使用風扇、水冷等主動方式散熱。
  2. 被動散熱：使用散熱片等被動方式散熱。

電腦介面標準（COMPUTER INTERFACE）

電腦介面標準定義內部與外部聯結器的規範，外部聯結器通常支援熱插拔。

內容解密：

  1. 內外部聯結器：內部聯結器如PCI，需要關機後操作；外部聯結器如USB，支援熱插拔。
  2. 熱插拔支援：外部裝置可隨時插入或拔除。

條件分支（CONDITIONAL BRANCHING）

條件分支使用關係運算元測試條件，並根據條件結果執行不同程式碼。

條件分支範例

test=true; if [ $test = true ]; then echo "TRUE"; fi

內容解密：

  1. 條件測試：使用關係運算元測試條件是否成立。
  2. 程式碼執行：根據條件結果執行不同的程式碼分支。

CONSUMER GRADE 網路連線

Consumer Grade指一般消費者或小型企業使用的網路連線服務，價格較低但可靠性較低。

內容解密：

  1. 消費者市場：針對一般消費者的網路服務，通常價格較低。
  2. 可靠性差異：相較於Carrier Grade，Consumer Grade的可靠性較低。

CONTROL GROUPS 資源控制

Control Groups提供資源分割槽功能，可限制不同使用者或任務的系統資源使用量。

內容解密：

  1. 資源分割槽：將系統資源分配給不同使用者或任務。
  2. 資源限制：限制特定使用者或任務的資源使用量，例如CPU和記憶體。

CPU 中央處理器

CPU是電腦的核心處理單元，負責執行大部分的資料處理工作。

內容解密：

  1. 核心處理單元：CPU是電腦的「大腦」，負責執行指令和處理資料。
  2. 資料處理：CPU執行各種計算和邏輯運算。

CRONTAB 定時任務排程

Crontab是Linux系統中的定時任務排程工具，用於定期執行命令或指令碼。

設定定時任務範例

crontab -e

內容解密：

  1. 定時任務：設定特定時間或間隔執行任務。
  2. 排程管理：Crontab管理定時任務的執行時間和頻率。

CUPS 列印伺服器

CUPS是Linux系統中的列印伺服器軟體，負責處理使用者的列印任務。

內容解密：

  1. 列印伺服器功能：CUPS接收使用者的列印任務並進行處理。
  2. 列印管理：CUPS提供列印佇列管理和錯誤處理等功能。
玄貓 BlackCat

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。