2.2 计算机组成基础

2.1节从程序员的视角对计算机系统的基本构成和工作原理进行了探讨。本节从计算机系统的自身特点出发，了解计算机系统的基本组成和基本功能，主要介绍中央处理单元、主存储器和输入/输出子系统，以及各子系统相互沟通的原理。

2.2.1 中央处理单元

中央处理单元（CPU）用于数据的运算。它有三个组成部分：算术逻辑单元（ALU）、寄存器、控制单元。

1.算术逻辑单元

算术逻辑单元（ALU）用于进行算术运算和逻辑运算。

最简单的一元算术运算是增量（加1）和减量（减1）运算。最简单的二元算术运算是加、减、乘和除。控制单元负责选择这些运算中的一种。

最简单的一元逻辑运算是非，最简单的二元逻辑运算是与、或、异或。控制单元负责选择这些运算中的一种。

2.寄存器

寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。CPU的运算离不开多个寄存器。

1）数据寄存器

过去，计算机只有一个寄存器用来交替存储输入数据（直接来自内存的其他输入数据）或结果。现在，越来越多的复杂运算改由硬件设备实现（而不是使用软件），并且需要一些寄存器来保存这些运算的中间结果，这也就是为什么在计算机CPU内部使用大量寄存器来提高运算速度的原因。

2）指令寄存器

现在，计算机存储的不只是数据，还存储内存中相对应的程序。CPU的主要职责是：从内存中逐条地取出指令，并将取出的指令存储在指令寄存器中，解释并执行指令。

3）程序计数器

CPU中另一个通用寄存器是程序计数器。程序计数器保存当前正在执行的指令。当前的指令执行完后，计数器将自动加1，指向下一条指令的内存地址。

3.控制单元

CPU的第3个部分是控制单元，控制单元类似于人脑中控制身体各部分运动的区域。控制是通过线路的开（高电平）或关（低电平）来实现的。例如，简单的ALU可能要执行10 种不同的运算，为了指定这些运算，控制单元需要通过4 条线路连接到算术逻辑单元，4条线路可以表示16种不同的状态（24），其中可以使用10种来进行算术和逻辑运算，其他的可作别的用途。可以用0 表示线路断开，1 表示线路接通。这样，线路的状态就可以定义为0000、0001、0010、…、1111。可以定义0000（所有的线路断开）表示不进行任何运算，0001表示加，0010表示减，等等。

2.2.2 主存储器

主存储器是计算机内的另一个子系统。它是存储单元的集合，每一个存储单元都有唯一的标识符，称为地址。数据以称之为字的位组的形式在存储器中传入和传出。字可以是8位、16位、32位，甚至有时是64位，如果字是8位的话，一般称之为字节。术语字节在计算机科学中使用相当普遍，因此有时称16 位为两个字节，称32 位为4个字节。

1.地址空间

在存储器中存取每个字都需要有相应的标识符。尽管程序员使用命名的方式来区分字（或一组字的集合），但在硬件层次上，每个字都是通过地址来标识的。所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数称为地址空间。例如，一个64K字节、字长为1字节的存储器的地址空间的范围为0～65535。

由于计算机都是以位模式存储数据并进行运算的，因此地址本身也是用位模式表示的。如果内存是64KB（216），字长为一个字节，那么就需要16 位的位模式来确定地址。地址可以用无符号整数表示（不用负的地址）。或者说，起始地址通常是0000000000000000（地址0），最后一个地址通常是1111111111111111（地址65535）。通常，如果计算机有 N个字的存储空间，那就需要有log2N 位的无符号整数来确定每一个存储单元。

存储地址用无符号二进制整数定义。

例2.3 一台计算机有32MB（兆字节）主存（内存）。需要多少位来寻址内存中的任意一个字节？

解答：内存地址空间是32MB，即225（25×220）。这就意味着需要log2225，即25位来标识每一个字节。

例2.4 一台计算机有l28MB内存。计算机字长为8 字节，需要多少位来寻址内存中的任意一个单字？

解答：内存地址空间是l28MB，就是227。但是，每个字是8（23）字节，那也就意味着需要224个字，也就是说要log2224，即24位来标识每一个单字。

2.存储器的种类

有两种类型的存储器：RAM和ROM。

1）RAM

随机存取存储器（RAM）是计算机中主存的主要组成部分。该术语有时因为ROM也能随机存取而与ROM混淆。RAM和ROM的区别在于：用户可读写RAM，即用户可以在RAM中写信息，之后可以方便地通过覆盖来擦除原有信息。RAM的另一个特点是易失性。当系统断电后信息（程序或数据）将被擦除。换句话说，如果计算机断电或关掉计算机，储存在RAM中的信息将被删除。RAM技术又可以分为两大类：SRAM和DRAM。

（1）SRAM。静态RAM（SRAM）技术是用传统的触发器门电路（有0和1两个状态的门）来保存数据的。这些门保持状态（0 或1），这也就是说当通电的时候数据始终存在，不需要刷新。SRAM速度快但是价格高。

（2）DRAM。动态RAM（DRAM）技术使用电容器。如果电容器充电，则这时的状态是1；如果放电，则状态是0。因为电容器会随时间而漏掉一部分电，所以内存单元需要周期性地刷新。DRAM速度慢，但是便宜。

2）ROM

只读存储器（ROM）的内容是由制造商写入的。用户只能读但不能写，它的优点是非易失性，当切断电源后，数据也不会丢失。通常用来存储那些关机后也不能丢失的程序或数据。例如，用ROM来存储那些在开机时运行的引导程序。

PROM是称为可编程只读存储器（PROM）的一种ROM。这种存储器最初时是空白的。计算机用户借助一些特殊的设备可以将程序存储在上面。当程序存储后，它就会像ROM一样不能够重写。也就是说计算机用户可以用它来存储一些特定的程序。

EPROM是称为可擦除的可编程只读存储器（EPROM）的一种PROM。用户可以对它进行编程，但是得用一种可以发出紫外光的特殊仪器对其进行擦写。EPROM存储器需要拆下来擦除再重新安装。

EEPROM是称为电可擦除的可编程只读存储器（EEPROM）的一种EPROM。对它的编程和擦除用电子脉冲即可，无须从计算机上拆下来。

3.存储器的层次结构

计算机用户需要许多存储器，尤其是速度快且价格低廉的存储器。但这种要求并不总能得到满足。存取速度快的存储器通常都不便宜。因此需要寻找一种折中的办法。解决的办法是采用存储器的层次结构。该层次结构如下。

（1）当对速度要求很苛刻时可以使用少量高速存储器。CPU中的寄存器就是这种存储器。

（2）用适量的中速存储器来存储经常需要访问的数据。例如下面将要讨论的高速缓冲存储器，就属于这一类。

（3）用大量的低速存储器存储那些不经常访问的数据。主存就属于这一类。

4.高速缓冲存储器

高速缓冲存储器的存取速度要比主存快，但是比CPU和CPU内部的寄存器要慢。高速缓存通常容量较小，且常被置于CPU和主存之间。

高速缓冲存储器在任何时候都含有主存中一部分内容的副本。当CPU要存取主存中的字时，将按以下的步骤进行：

（1）CPU首先检查高速缓存。

（2）如果要存取的字存在，CPU就将它复制；如果不存在，CPU将从主存中复制一份从需要读取的字开始的数据块。该数据块将覆盖高速缓存中的内容。

（3）CPU存取高速缓冲存储器并复制这个字。

这种方式将提高运算的速度。如果字在高速缓存中，就立即存取它；如果字不在高速缓存中，字或整个数据块就会被复制到高速缓存中。因为很有可能CPU在下次存取中需要存取这次存取的第一个字的后续字，所以高速缓存可以提高处理速度。

为什么尽管高速缓存存储容量小效率却很高？这是由于80-20 规则。据观察，通常计算机花费80%的时间来读取20%的数据。换句话说，相同的数据往往被存取多次。高速缓冲存储器凭借其高速，可以存储这20%的数据而使存取速度至少快80%。

2.2.3 输入/输出子系统

计算机中的第三个子系统是称为输入/输出（I/O）子系统的一系列设备。这个子系统可以使计算机与外界通信，并在断电的情况下存储程序和数据。输入/输出设备可以分为两个大类：非存储设备和存储设备。

1.非存储设备

非存储设备使得CPU/内存可以与外界通信，但它不能存储信息。

1）键盘和监视器

两个最常见的非存储输入/输出设备是键盘和监视器。键盘提供输入功能，监视器显示输出并同时响应键盘的输入。程序、命令和数据的输入或输出都是通过字符串进行的。字符则是通过字符集（如ASCII码）进行编码的。

2）打印机

打印机是一种用于产生永久记录的输出设备。打印机是非存储设备，因为打印出来的资料不能够直接再输入到计算机中，除非有人通过打字或扫描的方式把它输入到计算机中。

2.存储设备

尽管存储设备被分为输入/输出设备，但它可以存储大量的信息以备后用。它们要比主存便宜得多，而且它们存储的信息也不易丢失（即使断电信息也不会丢失）。有时称它们为辅助存储设备，通常分为磁介质存储设备和光介质存储设备两种。

1）磁介质存储设备

磁介质存储设备利用磁性来存储数据位。如果点有磁性则表示1，如果点没有磁性则表示0。

a. 磁盘

磁盘是由一张一张的磁片叠加而成的。这些磁片由薄磁膜封装起来。信息是通过盘上每一个磁片的读/写磁头读写磁介质表面来进行读取和存储的。

表面结构：为了将数据存储在磁盘的表面，每个盘面都被划分成磁道，每个磁道又被分成若干个扇区。磁道间通过磁道内部间隔隔开，扇区之间通过扇区内部间隔隔开。

数据存取：磁盘是随机存取设备。但是，在某一时间可以读取的最小存储区域只能是一个扇区。数据块可以存储在一个或多个扇区上，而且该信息的获取不需要读取磁盘上的其他信息。

性能：磁盘的性能取决于几个因素。最重要的因素是角速度、寻道时间和传送时间。角速度定义了磁盘的旋转速度。寻道时间定义了读/写磁头寻找数据所在磁道的时间。传送时间定义了将数据从磁盘移到CPU/内存所需要的时间。

b. 磁带

磁带大小不一。最普通的一种是用厚磁膜封装的半英寸塑料磁带。磁带用两个滚轮承接起来，当转动的磁带通过时，就可以通过读/写磁头来读写磁带上的数据。

表面结构：磁带的宽度可以分为8个磁道；磁道上的每个点可以存储1位的信息。垂直的9个点可以存储8个位（即一个字节）的信息，还有1位用于错误检测。

数据存取：磁带是顺序存取设备。尽管磁带的表面可能会分成若干块，但是却没有寻址机制来读取每个块。要想读取指定的块就需要按照顺序通过其前面所有的块。

性能：尽管磁带的速度比磁盘慢，但它非常便宜。现在，人们使用磁带来备份存储大量的数据。

2）光存储设备

光存储设备是一种新技术，它使用光（激光）技术来存储和读取数据。在发明了CD（光盘）后，人们利用光存储技术来保存音频信息。现在，相同的技术（稍作改进）被用来存储计算机上的信息、使用这种技术的设备有只读光盘（CD-ROM）、可刻录光盘（CD-R）、可重写光盘（CD-RW）、数字多功能光盘（DVD）。

（1）CD-ROM。只读光盘（CD-ROM）使用与CD（光盘）相同的技术（该技术最初是由飞利浦和索尼公司为录制音乐而研发的）。两者间的唯一区别在于增强程度，CD-ROM更健壮，而且纠错能力较强。

（2）CD-R。CD-ROM技术只有在生产商大批量生产时才合理。另一方面，可刻录光盘（CD-R）则可以让用户自己制作一张或更多的盘，而不必考虑像制作CD-ROM的一些开销。它非常适合做备份，用户只需要一次写入信息，就可以多次读出信息。这也是它为什么有时被称为“写一次，读多次”（WORM）的原因。

（3）CD-RW。尽管CD-R已很受欢迎，但它们只能被写一次。为了能重写以前的资料，便有了一项新的技术，利用该技术可以制作一种称为可重写光盘（CD-RW）的新型盘，有时也称之为可擦写光盘技术。

（4）DVD。工业界已经有了对更大存储容量的数字存储介质的需求。CD-ROM（650MB）的存储容量已经不能满足视频信息存储的需要。市场上最新的光存储设备叫做数字多功能光盘（DVD）。

2.2.4 子系统的内部连接

前面介绍了在单个计算机上的（CPU、主存和输入/输出）三个子系统的主要特点。本节将介绍三者之间在内部是如何连接的，内部连接扮演着很重要的角色，因为信息需要在这三个子系统中交换。

1.CPU和主存的连接

CPU和主存之间通常由称为总线的三组线路连接在一起，它们分别是：数据总线、地址总线和控制总线。

1）数据总线

数据总线是由多根线组成的，每根线上每次传送1个位的数据。线的数量取决于字的大小。例如，如果计算机的字是32位（4个字节），那么需要有32根线的数据总线，以便同一时刻能够同时传送32位的字。

2）地址总线

地址总线允许访问主存中的某个字，地址总线的线数取决于存储空间的大小。如果存储容量为2n个字，那么地址总线一次需要传送n位的地址数据。因此它需要n根线。

3）控制总线

控制总线负责在中央处理器和主存之间传送信息。例如，必须有一个代码从CPU发往主存，用于指定进行读操作还是写操作。控制总线的线数取决于计算机所需要的控制命令的总数。如果计算机有2m条控制命令，那么控制总线就需要有m 根，因为m 位可以定义2m个不同的操作。

2.I/O设备的连接

输入/输出设备不能直接与连接CPU和主存的总线相连。因为输入/输出设备的本质与CPU和主存的本质不同，输入/输出设备都是机电、磁性或光学设备，而CPU和主存是电子设备。与CPU和主存相比，输入/输出设备的操作速度要慢得多。因此必须要有中介来处理这种差异，输入/输出设备是通过一种被称为输入/输出控制器或接口的器件连接到总线上的。

控制器，或者说接口，清除了输入/输出设备与CPU及主存在本质上的障碍。控制器可以是串行或并行设备。串行控制器只有一根线连接到设备上，而并行控制器则有数根线连接到设备上，使得一次能同时传送多个位。

有几种控制器至今还在使用，如今最常用的有SCSI、火线和USB。

1）SCSI

小型计算机系统接口最初是1984年为Macintosh计算机而设计的。今天还有许多系统使用它。它是一个8、16 或32 线的并行接口。SCSI接口提供了菊花链连接，连接链的两端都必须有终结器，并且每个设备都必须要有唯一的地址（目标ID）。

2）火线

IEEE标准1394 规定的串行接口俗称为火线。它是一种高速串行接口，数据采用数据包的形式传送，数据的传输速度高达50MB/s。它可以在一条菊花链或树型连接（只用一根线）上连接多达63个设备。它不需要SCSI控制器中那样的终结器。

3）USB

通用串行总线（USB）控制器是一种可以和火线控制器相媲美的控制器。USB也是一种串行控制器，用以连接与计算机相连的一些低速设备（如键盘、鼠标等）。它的数据传输速度可达1.5MB/s。它有4线总线，其中2线是用来为设备提供电源的。

3.输入/输出设备的寻址

通常CPU使用相同的总线向主存和输入/输出设备读写数据。唯一的不同是指令。如果指令涉及主存中的字，那么数据会在主存和CPU之间传送，如果指令涉及输入/输出设备，那么数据会在输入/输出设备和CPU之间传送。有两种方法用来对输入/输出设备进行寻址，即I/O独立寻址和I/O存储器映射寻址这两种方式。

1）I/O独立寻址

在I/O独立寻址中，用来读/写主存的指令与用来读/写输入/输出的指令是完全不同的。有专门的指令完成对输入/输出设备的测试、控制及读写操作。每个输入/输出设备都有自己的地址。因为指令不同，所以输入/输出地址可以和主存地址交叠而不会产生混淆。例如，CPU可以使用读命令Read 05来从主存中读取字05，它也可以使用输入命令Input 05 从地址端口为05 的输入/输出设备中读取数据。这里不会发生混淆是因为Read指令是规定从主存中读取数据的，而Input指令则是规定从输入/输出设备中读取数据的。

2）I/O存储器映射寻址

在I/O存储器映射寻址方式中，CPU将输入/输出控制器中的每个寄存器都看做是主存中的字。换言之，CPU没有单独的指令用来表示是从主存或是从输入/输出设备传送数据。例如，在指令集中只有一条Read指令，如果地址指定的是主存中的某个字，则从主存中读取数据；如果地址指定的是输入/输出设备中的某个寄存器，那么就从寄存器中读取数据。主存映射的配置优点在于指令集较小，所有对主存的操作指令都同样适用于输入/输出设备，其缺点则是输入/输出控制器中的寄存器占用了一部分主存地址。例如，假如有5个输入/输出控制器，每个控制器有4个寄存器，则共占用20个地址。相应的主存的大小就减小了20个字。