1 计算机体系结构

计算机革命发展得非常快速，以至于使用老式计算机的很多电影现在看起来十分有年代感，有的电影甚至无法预料后来的计算机是什么样的。

计算机各个组成部分的技术发展非常不均衡，各部分性能差异非常大。在计算机的发展前期，几乎没有人敢想以后居然能用上便捷式计算机。对于计算机来说，老式计算机一般都要接上电源，而现在的笔记本电脑、ipad，基本上都可以利用外部电源来解决电源问题。

除了电源问题外，功耗问题也存在。一个狭小的计算机空间如何解决处理器产生的热量，是非常重要的课题，尽管后来出现了多核处理器，但是计算机的性能依旧上不去，绝大部分原因来源于散热。

1.1 计算机系统体系结构

1.1.1 简单的计算机结构

媒体一直把一个微处理器（microprocessor）或者一块芯片（chip）叫做计算机系统。这实际上是不对的，计算机系统应该包括中央处理单元（cemtral processing unit,CPU），保存程序和数据的存储器，以及将芯片转换为实用系统的其他子系统。这些子系统会使得CPU和其他外部设备的通信变得更加容易。

计算机执行程序的部分叫做CPU，也叫处理器，微处理器则是在单个硅片上实现的CPU。围绕着微处理器构建的计算机被称作微机。

CPU尽管是核心，但是计算机性能可不仅仅取决于此，如果处理的数据来源慢，处理再快又有什么用，还不是等人送数据进来才能处理。在过去的几十年，处理器性能持续高速增长，而硬盘的性能几乎不变，等到固态硬盘诞生后，这种矛盾才趋于缓和。

下图描述了一个简单的计算机系统的结构：

其中信息保存在存储器，而存储器一般分为多种，如主存、缓存、辅存、寄存器等等。这里图中出现了Cache。Cache一般指的是高速缓存，在以前Cache一般位于CPU之外，而在现在大多数Cache都在CPU内部。

Cache存储器，电脑中为高速缓冲存储器)，是位于CPU和主存储器DRAM（Dynamic Random Access Memory）之间，规模较小，但速度很高的存储器，通常由SRAM（Static Random Access Memory 静态存储器组成。它是位于CPU与内存间的一种容量较小但速度很高的存储器。CPU的速度远高于内存，当CPU直接从内存中存取数据时要等待一定时间周期，而Cache则可以保存CPU刚用过或循环使用的一部分数据，如果CPU需要再次使用该部分数据时可从Cache中直接调用，这样就避免了重复存取数据，减少了CPU的等待时间，因而提高了系统的效率。Cache又分为L1Cache（一级缓存）和L2Cache（二级缓存），L1Cache主要是集成在CPU内部，而L2Cache集成在主板上或是CPU上。

需要注意的是，对应的信息在适当的时刻存放在适当的存储器，这点十分重要，如果存放不当，即使CPU再快也只能干等。

图中主存一般指的是内存、寄存器，而辅存一般指外存（如磁盘、CD-ROM等）。而总线一般是用来传输各个子系统之间的通信，确保数据能够从计算机的一个位置传输到另外一个位置。

寄存器一般处于CPU内部，用来存放数据。对于常用的数据，一般先放在存储器，放不下了就放到高速缓冲去，再放不下就转移到磁盘。

1.1.2 计算机

定义计算机时必须指明计算机的类型。冯诺依曼是最早界定计算机结构的人之一。计算机有很多种，常见的有个人计算机、手机、模拟计算机、神经计算机、量子计算机等。

通用的数字计算机一般分为两部分：CPU和存储器系统。CPU读程序来完成程序指定的操作。存储器系统保存两类信息：程序和程序产生的数据。

程序和程序产生的数据不一定要放在同一个存储器系统内，但是现在大多数计算机系统都是放在同一个存储器系统。这种计算机叫做存储程序计算机。

计算机可以看做是一个黑盒子，它将信息从一个位置转移到另外一个位置并且处理，这个转移的过程通常是由总线来完成，CPU通过总线传来的信息读取出其中的指令，然后进行处理。需要注意的是，处理数据完成后，可能要把数据传回存储器。

一个简单的处理数据的过程如下所示：

对两个数X和Y做加法。最开始CPU会从存储器读取一条指令，这条指令通过CPU的分析和解码后，就获得了这条指令所需的数据。此时X和Y会从存储器中取出，然后分别放于不同寄存器中，当读取相加指令的时候，就把两个寄存器内部的内容相加，并把结果保存在第三个寄存器中，最后再根据指令把数据写回存储单元。

一般来说，传数据和传指令的总线只有一条，数据和指令轮流使用；当然也有个例，比如哈佛体系结构计算机。

1.2 体系结构的构成

1.2.1 概述

在上面我们曾经提到寄存器。一般来说寄存器用来存放一个单位的数据或字数据。由于其处于CPU内部，在计算机内，它的访问速度远远快于CPU外的存储器。

对于体系结构的构成来说，有时候体系结构和组成两个术语会交差使用，但是实际上体系结构和构成是有区别的，举个例子，时钟的体系结构是定义在有刻度的表盘上转动指针，而它的组成可以是机械钟，石英钟，电子钟。

上述的例子说明了组成是体系结构的子集，给定的体系结构可以有不同的组成方式。

对于程序员来说，计算机底层原理实际上都被屏蔽掉了，我们并不关心X+Y是什么底层逻辑在相加，而在意其结果。计算机体系结构的这个抽象视图现在通常被叫做指令集体系结构。

计算机是由二进制的0和1组成的串，这串也被叫做机器码。人类可读的机器码叫做汇编语言。而能够在类型完全不同的计算机上运行，和底层计算机体系结构没有关系的代码叫做高级语言。任何代码写完之后，运行前都需要先通过编译器的编译，转换为本地机器码之后才能运行。

指令集体系结构包括了数据类型、保存临时结果的寄存器、指令的类型和格式以及寻址方式。术语微代码是定义在芯片上的一组执行基本操作（微指令）的代码，执行这些操作可以解释机器码。

在这门知识结构体系中，我们用体系结构来代表计算机的抽象指令集体系结构，而用组成来代表计算机的硬件实现。而后会用术语微体系结构来描述CPU的实现。

1.2.2 计算机系统和技术

下图的分类表明了设计计算机所要考虑的要素。

1.2.2.1 技术

20世纪70年代以来，半导体技术一直遵循着摩尔定律的预测而发展。摩尔定律表明了芯片的集成度每18个月翻一番。有时候意味着处理器的性能每18月翻一番。

1.2.2.2 应用

有些计算机用于嵌入式、有些计算机用于个人工作、有些计算机用于电视、游戏机，对于不同的应用场景计算机的设计也会有所不同。

1.2.2.3 工具

计算机硬件的设计软件也会影响计算机的设计，你要用什么样的软件去设计硬件，这取决于软件产品做的好不好，精度高不高。

1.2.3 计算机体系结构在计算机科学的地位

工欲善其事必先利其器，对于想要学习计算机的人，不知道计算机组成原理怎么行；对于想优化代码的，在了解了计算机体系结构后就会思考到对应的优化方案，进而付出实践。

时钟

也许你听到这个术语，你第一个想到的是我们现实的时钟；实际上在计算机操作系统、计算机组成原理、数字电路设计都会涉及到这个术语。在绝大多数数字电路中都带有一个时钟，用来生成连续的间隔固定的电脉冲流。之所以叫做时钟，无非是因为可以利用它来确定计算机的一些事件的顺序。

事件由时钟信号触发的数字电路被称作同步。有些事件则是异步的，比如移动鼠标，移动了他才会向计算机发送信号，这是个先动后发的过程，属于异步事件。然而，计算机在每个时钟脉冲都会去检查一下鼠标在干嘛，这是一个同步事件。

例如我们说的时钟中断，在所有外部中断中，时钟中断起着特殊的作用。因为计算机是以精确的时间进行数值运算的数据处理的，最基本的时间单元是时钟周期。例如取指令，执行指令，存取内存等都依靠时钟进行时间的确定。