第1章 认识计算机体系结构

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1、第 1 章 认识计算机体系结构个人电脑自从计算机业巨头Intel推出CPU芯片后得到大规模应用，它的CPU、芯片组和内存等核 心部件，在摩尔定律的推动下不断变迁，给我们带来了性能越来越强、系统越来越简化的电脑。但实际 上计算机技术的发展，并不像电脑产品广告宣传中那样的一日千里，核心的计算机程序运行原理、计算 机的体系结构基本没有改变。只要掌握计算机体系结构和工作原理可以轻车熟路地对电脑进行针对性维 修和组装。1.1 原理：和时间一起跳舞刚刚接触电脑的用户一定会发出很多疑问：例如，电脑是如何工作的？为啥一通电就会自动做这些 工作？各个部件是如何协调的？为了解答这些疑问，可以将比较形象地将电脑比喻

2、为一个企业或工 厂的管理者。电脑一通电就象管理者早上去上班，简单清理一下办公室，然后拿起工作计划（系统程序）。然后 按工作计划的安排，一项一项的执行工作。有些工作（应用程序）需要用到电话；有些工作需要用到打 印机（系统资源）。他发出了打印命令后，打印机就开始工作；他也不等待打印的结束，拿起电话就叫 了一个人进来谈工作，这个时候，打印还在继续。这就是表面上的多任务处理，实际上他是一项一项的 执行的。我们一边打字，一边听音乐，表面上，电脑在同时运行Word和mp3播放程序，实际上，在某 一个很细微的时间段，电脑要么执行Word程序，要么播放mp3音乐。这个工作原理，和我们工作时候的情况也非常雷同。

3、我们正在和来访的客人谈话，这个时候，有人 敲门进来，说：请签个字。这种打断现在工作的情况，专业的计算机术语，叫中断。每个人都有很强的 中断处理能力，签完字，转头对客人说，刚才我们谈到这在计算机里面，也是有一个中断处理完毕， 恢复当前任务的过程。想象一个工厂，还有它的厂长，因为他发出的一条条指令，整个工厂按照这些最高指示，有条不紊 地一车间生产轱辘，二车间生产车身，三车间装配。电脑系统也是一个大工厂，因为电脑核心 CPU 的 一条条指令（程序），显卡显示器显示文字，声卡播放音乐，网卡从网上下载电影，也是有条不紊的运 行着。一个忙碌的工厂，有时候我们会有一种感觉，仿佛所有的工作都按一定的音乐节拍运

4、行；而电脑中 的电子器件，也是在一种音乐节拍的指挥下，一拍一拍完成自己的规定动作。这个音乐节拍，在计算机 中的术语叫做：时钟频率。其实，所有的电子器件，远没有我们想象中聪明，它只会在系统给他的时钟 频率下，一个节拍一个节拍运行，像一只青蛙，碰它一下，它才会跳这么一下。比如，我们认为最强的 电子器件一一电脑的核心：CPU，也只不过是在一定的时钟节拍下，按规律运行。我们可以想象：第一 个节拍来了，它从内存中调入一条指令；又一个节拍来了，它翻译解释这条指令；第三个节拍来了，他 执行这条指令，CPU就这样一条一条的执行指令（程序），构成了它全部工作的内容。而给他指定 指令（程序）的人类，才是真正最聪明

5、的oCPU 一个节拍一个节拍的工作，好像很笨很慢的样子，实际 上, CPU时钟频率的参数是MHz，也就是说，一秒钟，提供一百万个节拍。现在的电脑，CPU的频率 至少是1个G。也就是说：每一秒钟，提供10亿个节拍。大家想想，每秒钟可以执行多少条指令阿， 所以，这台电脑，同时运行3、 4 个程序，我们根本感觉不到他是不同时间片执行不同的程序。所以说， 在 CPU 执行指令的架构不变的情况下，它的主要技术参数就是时钟频率，越高，理论上每秒执行的指 令数越多，CPU性能就越好。在做体操的时候，我们人按时间节奏每秒钟最多能完成十几个动作。和电 脑比起来，我们真的是太慢了。人类的伟大之处或许就在这里，她总

6、能发明一些可以超越自己的其他器 件，弥补自己的不足。我们的大脑有想象力，也许，这就是我们和电脑的最大区别。1.2 得标准者得天下兼容性原理，很简单的解释，就是：从奥托到奥迪，不管是啥样的汽车，一定要兼容我们驾驶汽车 的习惯。电脑中最简单的案例就是键盘了， QWERT 字母的排列方式，从我们敲击键盘合理频率角度来 看，未必是最科学的，也未必是对我们手腕健康最有利的，但是，一开始，键盘就这个样子了。你要是 生产出一个不兼容的，更科学的键盘来看看，未必销售得动。计算机系统也是这样，当年，IBM PC发明的时候，选中Intel 8086系列作为CPU, PC上众多的软 件就开始使用了被称为“x86”系

7、列的指令集，Intel自己发展出了 80386, 80486, Pentium系列CPU， AMD等公司开发了 Althon等CPU，这些CPU，都要兼容这些软件的使用习惯，一定要100%兼容最初 的 x86 指令集。一定要兼容它，就产生了标准，x86指令集标准。也许这个标准不是最好的，但是，他已经成为一 种标准事实，很难挑战。假设说，我们想挑战纸张的标准，使用一种更符合我们中国人手捧着阅读的纸 型，但是，选用特殊的纸型，生产成本太高了，独家使用成本更高，很难得到普及，所以，人们总是尽 量在标准纸型中选择自己需要的。一样的，成千上万的软件采用x86指令集，这些软件的价值，造就了 x86 指令集

8、的价值。几十年来，很多公司、很多优秀的计算机科学专家，想挑战这个标准，他们提出了 很多、更科学、更有效率的指令集，但是，都没有一个新的标准能像x86指令集这样被人们在PC上应 用得这样广泛。就是x86指令集的发明者Intel，也想挑战自己，推出了安腾系列CPU，采用所谓的并发模式，理论 上，效率比Pentium高很多。可惜，依然处在应用的摸索阶段。所以在这个世界上，建立一种标准太重 要了。小公司做技术，大公司做标准。大家都看好未来3G市场的前景，纷纷推出了 3G标准，都号称 自己是最好的，一旦谁的标准被国家采用，他的钱景一定不错。所以，我们就常常看到各种各样的标准 之争，有时候，我们消费者就可

9、能会成为这些争端的受害者。兼容性最大限度的保护消费者的投资，比如，我们的VCD坏了，购买了一台新的DVD，如果DVD 不兼容VCD，我们的盘片，就统统作废了。所以，DVD要获得成功，就必须兼容VCD。当然，DVD 不兼容VCD,恐怕也未必有人购买。所以我们常常要做的事情是，模仿与提高：提出自己的标准，兼容绝大多数已经非常流行的标准， 在此基础上提升质量。标准和我们的生活息息相关。读者可以环顾周围的各种标准产品，觉得真的是有点道理，这些标准， 都未必是最好的解决方案，但是他够用了，他推广开了，他成了标准。存在的，都是合理的。1.3 要致富，先修路：总线的作用除了 CPU，主板，内存构成的基本系统

10、之外。电脑还有显卡、声卡、网卡、电视卡，等各种设备。这些设备之间的通讯，就成了电脑设计者必须要考虑的一个问题。如果把这些设备想想成一个个城 市，那他们之间的连接，就成了城市间的公路了。最开始，我们顺手设计了一条乡村公路，美其名曰： 工业标准架构：ISA。开始的时候，这条公路上只能跑1个字节（1 Byte）的数据，后来才增加到2个字 节（2 Byte，16 bit），可是,这条公路的设计速度，实在是太慢了，5MHz,也就是每秒传输数据2*5=10MB/s, 这个数据，今天看来，实在是太可怜了。随着计算机技术的发展，计算机操作系统从DOS进入Windows 3.1时代，要求电脑能显示2D的图 案，

11、可是ISA接口的显卡，根本完不成任务。假设，我们要求在当时640*480的屏幕上画16位色彩图， 也就是今天大多数手机上的标准，就需要640*480*16*60/8/1024/1024，大约35MB/s。这条公路，必须 重新建设。新的公路，名字叫PCI，今天，我们掀开任何一台电脑，看到主板上的白色插槽，就是所谓 的PCI接口了。这条新的公路，4条车道（4Byte 32位），设计速度33.3MHz，也就是每秒吞吐量 4*33.3=133MB，也就是我们今天所说的PCI总线带宽：133MB/S。到了 Windows 98时代，133MB/S的速度，对3D显卡来说，又不够用了。于是，我们给显卡设计了

12、 一个区别于PCI总线的专用通道，名字叫AGP,自己一个人享用266MB/s带宽。后来，3D显卡要求， 越来越高，AGP通道的速度，也越来越快，我们意外的发现，原来，这种点对点的高速公路设计，可以 让数据传输速度这样快。时间到了 2005 年,这个时候，我们开始用上了千兆网卡，也就是，1000 Mb/s的速度，要求125MB/s 的带宽，要知道，PCI这条公路上，除了网卡之外，还有声卡这样的设备阿，难道，不让人家跑啊。咋 办？在PCI总线出来过后，我们已经积累了很多的公路设计和建设经验，摩尔定律的推动，也让芯片中 有了更多的晶体管供我们使用，可以设计出更精巧的系统来。大家看看高速公路，采用隔离

13、的手段，只 许单向通行，通行的速度大大提高了。新一代的PCI-E总线，也采用了差不多的原理。即使只用一条通 道,我们的设计速度，就可以达到250MB/s,当然，高速公路肯定是双向的，我们一条高速公路PCI-E X1就可以达到500MB/S的速度。以此类推,2条道的高速公路,PCI-E X2可以达到1 GB/s的速度；PCI-E X4, 2GB/s；PCI-E X8，4GB/s；PCI-E X16，8GB/s。这么快的速度，30多年前，设计ISA的工程师恐怕很难想像得到，甚至10多年前的PCI设计者， 也未必能够想到。那,今天的我们,能不能推想未来的总线速度呢？这要和电脑的应用要求说起，比如，就

14、一般常规的办公加上网的应用， PCI+AGP 足够了。但还是 有很多专业的用户，他们需要在电脑上，得到电影般的视觉享受，进行大数据量的工业设计，就需要PCI-E X16 的高速度。同时，这个速度，可以满足将来我们在客厅安装高清多媒体电脑，享受数字化生活带来 乐趣的要求。“要致富，先修路”是我们小时候听到的一个口号。今天，我们电脑的路修得差不多了，就等宽带 多媒体时代的快车在上面奔跑了。1.4 CPU 从单核到多核计算机由CPU、主板芯片组和内存芯片等几块芯片构成性能核心，在一定的“频率节拍”下协同工 作。在PC发明后的30多年里，科学家和工程师提升计算机性能只做了两件事情：一个是不断提升单块

15、芯片的运行速度，另一个是不断开发出新的连接总线，提高各个芯片间的数据交换速度。电脑产品，之所以给人变化很快，眼花缭乱的感觉，主要就是这个电脑的核心：CPU不断升级所致， 实际上，虽然不断升级，其实还是兼容最先的工作模式，虽然支持CPU的芯片组也不断变化，不过是 连接芯片间的高速公路发生了变化。我们只需要了解这种变化趋势，从386开始，到几代Pentium,到 现在的Core i7所有的CPU，就一目了然了。电脑CPU从386时代开始进入32位编程模式时代。之后，一直根据摩尔定律，不断集成更多器件， 不断提升运行速度。486=386+387+L1 Cache486的设计上并没有多大提高，只是在3

16、86的基础上，集成了数学协处 理器80387的功能，第一次在CPU内部集成了 L1 Cache 一级缓存。相对于386时代将这两个器件放在 主板上，集成在CPU中后，CPU运行速度大大提高了。Pentium,也就是人们俗称的586,引入所谓超标量技术，只是执行x86指令速度变快了。这次小小 的变革还是比较成功的。以前总要几个指令周期才能执行完一条指令，现在只需要一个时钟周期，就可 以执行完大多数指令了。Pentium II= Pentium+L2Chache+MMX 指令集 为 了提高效率，Pentium II 一方面引进了 MMX 指 令集，另外一方面，把二级缓存和 CPU 核心做在了一块电路板上。摩尔定律没有停下它的脚步，后来 生产工艺的进步，在Pentium III时代，采用Socket 370接口的Pentium III甚至把二级缓存直接集成在了 CPU内部。当然，采用了预取指令技术，也是提高指令运行效率的办法之一。为了让CP