第章认识计算机体系结构

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1、·227·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

2、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

3、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。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（

4、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——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

5、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，才是真正最聪明的。CPU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

6、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

7、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。·227·计算机系统也是这样，当年，IBMPC发明的时候，选中Intel8086系列作为CPU，PC上众多的软件就开始使用了被称为“x86”系列的指令集，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

8、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