1 計算機體系結構

計算機革命發展得非?？焖?#xff0c;以至于使用老式計算機的很多電影現在看起來十分有年代感，有的電影甚至無法預料后來的計算機是什么樣的。

計算機各個組成部分的技術發展非常不均衡，各部分性能差異非常大。在計算機的發展前期，幾乎沒有人敢想以后居然能用上便捷式計算機。對于計算機來說，老式計算機一般都要接上電源，而現在的筆記本電腦、ipad，基本上都可以利用外部電源來解決電源問題。

除了電源問題外，功耗問題也存在。一個狹小的計算機空間如何解決處理器產生的熱量，是非常重要的課題，盡管后來出現了多核處理器，但是計算機的性能依舊上不去，絕大部分原因來源于散熱。

1.1 計算機系統體系結構

1.1.1 簡單的計算機結構

媒體一直把一個微處理器（microprocessor）或者一塊芯片（chip）叫做計算機系統。這實際上是不對的，計算機系統應該包括中央處理單元（cemtral processing unit,CPU），保存程序和數據的存儲器，以及將芯片轉換為實用系統的其他子系統。這些子系統會使得CPU和其他外部設備的通信變得更加容易。

計算機執行程序的部分叫做CPU，也叫處理器，微處理器則是在單個硅片上實現的CPU。圍繞著微處理器構建的計算機被稱作微機。

CPU盡管是核心，但是計算機性能可不僅僅取決于此，如果處理的數據來源慢，處理再快又有什么用，還不是等人送數據進來才能處理。在過去的幾十年，處理器性能持續高速增長，而硬盤的性能幾乎不變，等到固態硬盤誕生后，這種矛盾才趨于緩和。

下圖描述了一個簡單的計算機系統的結構：

其中信息保存在存儲器，而存儲器一般分為多種，如主存、緩存、輔存、寄存器等等。這里圖中出現了Cache。Cache一般指的是高速緩存，在以前Cache一般位于CPU之外，而在現在大多數Cache都在CPU內部。

Cache存儲器，電腦中為高速緩沖存儲器)，是位于CPU和主存儲器DRAM（Dynamic Random Access Memory）之間，規模較小，但速度很高的存儲器，通常由SRAM（Static Random Access Memory 靜態存儲器組成。它是位于CPU與內存間的一種容量較小但速度很高的存儲器。CPU的速度遠高于內存，當CPU直接從內存中存取數據時要等待一定時間周期，而Cache則可以保存CPU剛用過或循環使用的一部分數據，如果CPU需要再次使用該部分數據時可從Cache中直接調用，這樣就避免了重復存取數據，減少了CPU的等待時間，因而提高了系統的效率。Cache又分為L1Cache（一級緩存）和L2Cache（二級緩存），L1Cache主要是集成在CPU內部，而L2Cache集成在主板上或是CPU上。

需要注意的是，對應的信息在適當的時刻存放在適當的存儲器，這點十分重要，如果存放不當，即使CPU再快也只能干等。

圖中主存一般指的是內存、寄存器，而輔存一般指外存（如磁盤、CD-ROM等）。而總線一般是用來傳輸各個子系統之間的通信，確保數據能夠從計算機的一個位置傳輸到另外一個位置。

寄存器一般處于CPU內部，用來存放數據。對于常用的數據，一般先放在存儲器，放不下了就放到高速緩沖去，再放不下就轉移到磁盤。

1.1.2 計算機

定義計算機時必須指明計算機的類型。馮諾依曼是最早界定計算機結構的人之一。計算機有很多種，常見的有個人計算機、手機、模擬計算機、神經計算機、量子計算機等。

通用的數字計算機一般分為兩部分：CPU和存儲器系統。CPU讀程序來完成程序指定的操作。存儲器系統保存兩類信息：程序和程序產生的數據。

程序和程序產生的數據不一定要放在同一個存儲器系統內，但是現在大多數計算機系統都是放在同一個存儲器系統。這種計算機叫做存儲程序計算機。

計算機可以看做是一個黑盒子，它將信息從一個位置轉移到另外一個位置并且處理，這個轉移的過程通常是由總線來完成，CPU通過總線傳來的信息讀取出其中的指令，然后進行處理。需要注意的是，處理數據完成后，可能要把數據傳回存儲器。

一個簡單的處理數據的過程如下所示：

對兩個數X和Y做加法。最開始CPU會從存儲器讀取一條指令，這條指令通過CPU的分析和解碼后，就獲得了這條指令所需的數據。此時X和Y會從存儲器中取出，然后分別放于不同寄存器中，當讀取相加指令的時候，就把兩個寄存器內部的內容相加，并把結果保存在第三個寄存器中，最后再根據指令把數據寫回存儲單元。

一般來說，傳數據和傳指令的總線只有一條，數據和指令輪流使用；當然也有個例，比如哈佛體系結構計算機。

1.2 體系結構的構成

1.2.1 概述

在上面我們曾經提到寄存器。一般來說寄存器用來存放一個單位的數據或字數據。由于其處于CPU內部，在計算機內，它的訪問速度遠遠快于CPU外的存儲器。

對于體系結構的構成來說，有時候體系結構和組成兩個術語會交差使用，但是實際上體系結構和構成是有區別的，舉個例子，時鐘的體系結構是定義在有刻度的表盤上轉動指針，而它的組成可以是機械鐘，石英鐘，電子鐘。

上述的例子說明了組成是體系結構的子集，給定的體系結構可以有不同的組成方式。

對于程序員來說，計算機底層原理實際上都被屏蔽掉了，我們并不關心X+Y是什么底層邏輯在相加，而在意其結果。計算機體系結構的這個抽象視圖現在通常被叫做指令集體系結構。

計算機是由二進制的0和1組成的串，這串也被叫做機器碼。人類可讀的機器碼叫做匯編語言。而能夠在類型完全不同的計算機上運行，和底層計算機體系結構沒有關系的代碼叫做高級語言。任何代碼寫完之后，運行前都需要先通過編譯器的編譯，轉換為本地機器碼之后才能運行。

指令集體系結構包括了數據類型、保存臨時結果的寄存器、指令的類型和格式以及尋址方式。術語微代碼是定義在芯片上的一組執行基本操作（微指令）的代碼，執行這些操作可以解釋機器碼。

在這門知識結構體系中，我們用體系結構來代表計算機的抽象指令集體系結構，而用組成來代表計算機的硬件實現。而后會用術語微體系結構來描述CPU的實現。

1.2.2 計算機系統和技術

下圖的分類表明了設計計算機所要考慮的要素。

1.2.2.1 技術

20世紀70年代以來，半導體技術一直遵循著摩爾定律的預測而發展。摩爾定律表明了芯片的集成度每18個月翻一番。有時候意味著處理器的性能每18月翻一番。

1.2.2.2 應用

有些計算機用于嵌入式、有些計算機用于個人工作、有些計算機用于電視、游戲機，對于不同的應用場景計算機的設計也會有所不同。

1.2.2.3 工具

計算機硬件的設計軟件也會影響計算機的設計，你要用什么樣的軟件去設計硬件，這取決于軟件產品做的好不好，精度高不高。

1.2.3 計算機體系結構在計算機科學的地位

工欲善其事必先利其器，對于想要學習計算機的人，不知道計算機組成原理怎么行；對于想優化代碼的，在了解了計算機體系結構后就會思考到對應的優化方案，進而付出實踐。

時鐘

也許你聽到這個術語，你第一個想到的是我們現實的時鐘；實際上在計算機操作系統、計算機組成原理、數字電路設計都會涉及到這個術語。在絕大多數數字電路中都帶有一個時鐘，用來生成連續的間隔固定的電脈沖流。之所以叫做時鐘，無非是因為可以利用它來確定計算機的一些事件的順序。

事件由時鐘信號觸發的數字電路被稱作同步。有些事件則是異步的，比如移動鼠標，移動了他才會向計算機發送信號，這是個先動后發的過程，屬于異步事件。然而，計算機在每個時鐘脈沖都會去檢查一下鼠標在干嘛，這是一個同步事件。

例如我們說的時鐘中斷，在所有外部中斷中，時鐘中斷起著特殊的作用。因為計算機是以精確的時間進行數值運算的數據處理的，最基本的時間單元是時鐘周期。例如取指令，執行指令，存取內存等都依靠時鐘進行時間的確定。

總結

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