第1章計(jì)算機(jī)概念和技術(shù)

第1章計(jì)算機(jī)概念和技術(shù)

文明的進(jìn)步是通過許多不必思索就可以完成的重要措施取得的。

AlfredNorthWhitehead

數(shù)學(xué)引言，1911

1.1簡(jiǎn)介........................................1

1.2程序內(nèi)部....................................3

1.3深入內(nèi)部....................................6

1.4集成電路：推動(dòng)創(chuàng)新.........................14

1.5實(shí)際資料：制造Pentium芯片.................16

1.6謬誤和陷阱................................18

1.7結(jié)論......................................19

1.8歷史回顧和參考文獻(xiàn).........................21

1.9重要術(shù)語(yǔ)...................................32

1.10習(xí)題......................................33

1.1簡(jiǎn)介

歡迎閱讀本書！我們很高興有機(jī)會(huì)傳播計(jì)算機(jī)界令人興奮的事情。這不是一

個(gè)枯燥沉悶、進(jìn)展緩慢的領(lǐng)域，新想法由于被忽視而遭到扼殺。不！計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

對(duì)一個(gè)重要的產(chǎn)業(yè)一一占美國(guó)全國(guó)總產(chǎn)值的5%到10%——有至關(guān)重要的關(guān)系，并

且這個(gè)不尋常的產(chǎn)業(yè)正在以驚人的速度發(fā)展。自1985年以來已經(jīng)出現(xiàn)了六種似

乎將導(dǎo)致計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)大革命的新機(jī)器；僅僅因?yàn)橛衅渌酥圃炝烁玫挠?jì)算機(jī)就

中斷了這些革命。

自19世紀(jì)四十年代末計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以來這種創(chuàng)新的速度已經(jīng)導(dǎo)致了空前的進(jìn)

步。舉例來說，如果交通運(yùn)輸業(yè)保持計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，今天我們可以用

A

50美分在5秒內(nèi)穿越大洋。請(qǐng)花一點(diǎn)時(shí)間關(guān)注這種進(jìn)步將如何改變社會(huì)一一住

在大溪地島而工作在舊金山，晚上去莫斯科出席芭蕾舞會(huì)——現(xiàn)在你能夠正確評(píng)

價(jià)這樣的改變的含義了。

計(jì)算機(jī)促進(jìn)了人類第三次文明革命，伴隨著信息革命與農(nóng)業(yè)和工業(yè)革命。結(jié)

果大大地增強(qiáng)了人類智慧力量，并且很自然對(duì)科學(xué)產(chǎn)生同樣的影響?，F(xiàn)在科學(xué)研

究中有一個(gè)新的傾向，計(jì)算科學(xué)家與理論和實(shí)臉科學(xué)家共同合作，在天文學(xué)、生

物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等等新的前沿領(lǐng)域進(jìn)行探索。

計(jì)算機(jī)革命還在繼續(xù)。每次革命都可使計(jì)算成本降低10倍，而使用計(jì)算機(jī)

的機(jī)會(huì)則成倍增加。經(jīng)濟(jì)性上原本不可行的應(yīng)用忽然成為實(shí)用。就在不久的過去，

下列的應(yīng)用還只是“計(jì)算機(jī)科學(xué)幻想”

■自動(dòng)田納機(jī):位于銀行墻壁中用于分發(fā)和收集現(xiàn)金的計(jì)算機(jī)在19世紀(jì)五

十年代是個(gè)荒謬的想法，那時(shí)最便宜的計(jì)算機(jī)至少要$500,000并且有一

輛車那么大。

■汽車中的計(jì)算機(jī):計(jì)算機(jī)控制汽車這種想法是荒唐的，直到19世紀(jì)八十

年代早期微處理器在性能和價(jià)格上有了顯著的改進(jìn)。今天，計(jì)算機(jī)減少

了污染，通過引擎控制改進(jìn)燃油效率，通過阻止危險(xiǎn)的打滑和控制給氣

囊充氣在事故中保護(hù)車上人員來提高安全性。

■掌上方典處誰(shuí)曾經(jīng)夢(mèng)想過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)步會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)掌上計(jì)算機(jī)，

學(xué)生可以帶著計(jì)算機(jī)去咖啡屋或乘飛機(jī)？

■人類基因組計(jì)劃:繪制人類DNA序列所需要的計(jì)算機(jī)設(shè)備的成本將是幾

十億美圓。如果計(jì)算機(jī)的花費(fèi)高出10到100倍，就像10到20年前有

的，任何人都不可能考慮這個(gè)計(jì)劃。

■全球網(wǎng):在本書的第一版時(shí)它還不存在，現(xiàn)在全球網(wǎng)正在改變我們的社

會(huì)。使用者在它上面發(fā)布新聞、送花、從在線目錄選購(gòu)物品、通過電子

導(dǎo)游決定渡假地、找到與你有共同愛好的人，甚至更通俗的話題如找到

你的課本作者的演講記錄。

顯然，這個(gè)技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在影響了我們社會(huì)幾乎所有的方面。硬件進(jìn)步已經(jīng)

允許程序員編制優(yōu)秀的應(yīng)用軟件，并解釋了計(jì)算機(jī)為什么會(huì)無所不在。明天關(guān)于

計(jì)算機(jī)應(yīng)用的科學(xué)幻想是無現(xiàn)金社會(huì)、自動(dòng)智能高速公路、真正到處存在的計(jì)算：

A

沒人攜帶計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗鼈儫o處不在。

成功的程序員總是關(guān)心他們程序的性能，因?yàn)樵诰幹瞥晒Φ能浖凶钜o的

是讓用戶盡快得到結(jié)果。在19世紀(jì)六十年代和七十年代，計(jì)算機(jī)性能的主要局

限是計(jì)算機(jī)內(nèi)存的大小。于是程序員經(jīng)常遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的信條：將內(nèi)存使用減到

最小以加快程序。在最近十年，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和內(nèi)存技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)極大地

減小了小內(nèi)存的重要性。對(duì)性能感興趣的程序員現(xiàn)在需要了解已經(jīng)取代19世紀(jì)

六十年代的簡(jiǎn)單內(nèi)存模式的問題：存儲(chǔ)器的多級(jí)性質(zhì)和處理器的并行性質(zhì)。程序

員尋求建立有挑戰(zhàn)性的編譯器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)甚至應(yīng)用程序，因此將需要增

加他們?cè)谟?jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)。

我們很榮幸有機(jī)會(huì)解釋在這個(gè)革命性的機(jī)器內(nèi)部有些什么，闡述你的程序之

下的軟件和你的機(jī)器蓋子下的硬件。到你讀完本書的時(shí)候，你將明白用計(jì)算機(jī)自

己的語(yǔ)言編程的秘密、計(jì)算機(jī)內(nèi)部組織和它如何影響你計(jì)算機(jī)的性能、甚至如何

著手設(shè)計(jì)一個(gè)你自己的計(jì)算機(jī)。

第一章為本書其余的部分打基礎(chǔ)。介紹基本思想和定義、展望主要的軟硬件

部分的前景并介紹集成電路——促進(jìn)了計(jì)算機(jī)革命的技術(shù)。

1.2程序內(nèi)部

在巴黎當(dāng)我對(duì)他們說法語(yǔ)時(shí)他們只是瞪著我；我從來也沒能成功地讓這些白

癡明白他們自己的語(yǔ)言o

馬克?土溫，天真無邪的外國(guó)人,1869

為了對(duì)電子機(jī)器講話，你需要發(fā)送電子信號(hào)。能讓機(jī)器理解的最簡(jiǎn)單的信號(hào)

是矛和關(guān)，于是機(jī)器的字母表只有兩個(gè)字母。正如26個(gè)字母的英文字母表沒有

限制能寫多少字一樣，計(jì)算機(jī)字母表的2個(gè)字母也沒有限制計(jì)算機(jī)能夠做什么。

代表這兩個(gè)字母的兩個(gè)符號(hào)是數(shù)字0和1,并且我們通常認(rèn)為機(jī)器語(yǔ)言相當(dāng)于二

進(jìn)制數(shù)。我們稱每個(gè)“字母”為一個(gè)二進(jìn)制數(shù)位氟位。計(jì)算機(jī)是聽從我們命令的

奴隸；因此，一個(gè)獨(dú)立命令的名稱為揩令。指令就是計(jì)算機(jī)理解的位的聚集，可

以認(rèn)為是數(shù)字。舉例來說，位串1000110010100000告訴一個(gè)計(jì)算機(jī)將兩個(gè)數(shù)

相加。第三章解釋了為什么使用數(shù)字來表示指令和數(shù)據(jù)；我們不想搶先介紹那一

章的內(nèi)容，不過用數(shù)字既表示指令又表示數(shù)字是計(jì)算的基礎(chǔ)。

A

最開始程序員們用二進(jìn)制數(shù)字與計(jì)算機(jī)交流，但這太枯燥以至于他們很快發(fā)

明了與人類思考方式相近的新的符號(hào)表示法。起初這些符號(hào)由手工翻譯成二進(jìn)

制，但這步處理仍很煩人。先驅(qū)們發(fā)明了將符號(hào)表示翻譯成二進(jìn)制的程序，這些

程序首先被稱作匯編程序。匯編程序把符號(hào)表示的指令翻譯成二進(jìn)制指令如：

addA,B

匯編器將這個(gè)表示翻譯為

1000110010100000

這個(gè)指令告訴計(jì)算機(jī)將兩個(gè)數(shù)A和B相加。這種符號(hào)語(yǔ)言的名稱今天還在用，就

是匯編語(yǔ)言。

雖然這是一個(gè)巨大的進(jìn)步，匯編語(yǔ)言仍然與科學(xué)家要用來模擬液體流動(dòng)或會(huì)計(jì)

師用來平衡帳目的記號(hào)相差甚遠(yuǎn)。匯編語(yǔ)言需要程序員為每條機(jī)器要執(zhí)行的指令

寫一行，強(qiáng)迫程序員按機(jī)器的方式思考。

這樣的低水平的思考激發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的問題：如果我們能編寫出將匯編語(yǔ)言翻

譯為二進(jìn)制指令的程序來簡(jiǎn)化編程，有什么能阻止我們編寫將某種高級(jí)表示翻譯

為匯編語(yǔ)言的程序？

答案是：沒有。雖然創(chuàng)造這樣的程序比創(chuàng)造匯編器會(huì)遇到更多挑戰(zhàn)，但這樣的

高級(jí)翻譯器似乎是可以實(shí)現(xiàn)的。

今天的程序員把他們的高生產(chǎn)力和能保持頭腦清醒歸功于這種見解。接收這種

自然得多的表示的程序稱為編譯器，它所編譯的語(yǔ)言稱為高級(jí)編程語(yǔ)言。它使程

序員可以書寫下面的高級(jí)語(yǔ)言式：

A+B

編譯器將它編譯為下面的匯編語(yǔ)言語(yǔ)句：

addA,B

匯編器把這條語(yǔ)句翻譯為告訴計(jì)算機(jī)將兩個(gè)數(shù)A和B相加的二進(jìn)制指令：

1000110010100000

圖1.1給出程序和語(yǔ)言之間的關(guān)系。

A

圖L1C程序編譯為匯編程序語(yǔ)言然后匯編為二進(jìn)制機(jī)器語(yǔ)言。雖然從高級(jí)語(yǔ)言

到二進(jìn)制機(jī)器語(yǔ)言的翻譯在圖中分為兩步，但某些編譯器省略了中間步驟直接生

成機(jī)器語(yǔ)言代碼。第三章講述了這些語(yǔ)言和這種程序更多細(xì)節(jié)。（在

/cod2e.htm的Web擴(kuò)展HI為Pascal程序員解釋C語(yǔ)言）

高級(jí)編程語(yǔ)言具有幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。首先，它允許程序員用更自然的語(yǔ)言思

考，用英語(yǔ)單詞和數(shù)學(xué)表示，使程序看起來更像文章而不是神秘字符的表（見圖

1.1）。此外，它允許按語(yǔ)言的用途來設(shè)計(jì)語(yǔ)言。因此，F(xiàn)ortran是為科學(xué)計(jì)算設(shè)

計(jì)的，Cobol用于商業(yè)數(shù)據(jù)處理，Lisp用于符號(hào)處理，等等。

編程語(yǔ)言的第二個(gè)好處是增加程序員的生產(chǎn)力。在軟件開發(fā)方面得到廣泛同

意的幾個(gè)領(lǐng)域之一是當(dāng)使用能用較少的行來表達(dá)一個(gè)想法的語(yǔ)言來編寫程序時(shí)

花費(fèi)的時(shí)間較少。簡(jiǎn)明是高級(jí)語(yǔ)言相對(duì)于匯編語(yǔ)言的一個(gè)顯著的好處。

最后的優(yōu)點(diǎn)是程序語(yǔ)言允許程序獨(dú)立于開發(fā)它的計(jì)算機(jī)，因?yàn)榫幾g器和匯編

器可以將高級(jí)語(yǔ)言程序翻譯為任何機(jī)器的二進(jìn)制指令。這三個(gè)好處是如此的明顯

以至于現(xiàn)在幾乎沒人用匯編語(yǔ)言編程。

既然程序設(shè)計(jì)已經(jīng)成熟，它的很多實(shí)踐者看到可復(fù)用程序比從零編寫所有的

東西都要高效。因此，程序員開始在庫(kù)中共享可能被廣泛使用的例程。一個(gè)最早

的子例程序用于輸入和輸出數(shù)據(jù)，舉例來說，它包括象在打印開始之前確認(rèn)是否

有紙的控制打印機(jī)的例程。這類由軟件控制的其他輸入/輸出設(shè)備有磁盤、磁帶

和顯示器。

如果有一個(gè)獨(dú)立的程序來管理運(yùn)行程序，顯然一組程序能更有效地運(yùn)行。程

序一完成，管理程序就將開始隊(duì)列中的下一個(gè)程序，從而避免延遲。這些包含了

輸入/輸出子例程庫(kù)的管理程序是我們今天稱為操作系統(tǒng)的原型。操作系統(tǒng)是運(yùn)

行于計(jì)算機(jī)上管理計(jì)算機(jī)資源以有利于運(yùn)行其他程序的程序。

軟件以用途進(jìn)行分類。提供經(jīng)常使用的服務(wù)的軟件稱為系統(tǒng)於浮。操作系統(tǒng)、

編譯器和匯編器就是系統(tǒng)軟件。與供程序員使用的程序相反，應(yīng)用程序軟件,或

稱為應(yīng)用程序、是供計(jì)算機(jī)使用者使用的程序。如電子制表軟件和文本編輯軟件。

圖1.2給出軟件和硬件層次的典型圖示

這個(gè)簡(jiǎn)化的視圖有一些問題。在圖1.2中我們是否真能將編譯器放入系統(tǒng)軟

件層？編譯器既在應(yīng)用層又在系統(tǒng)層生成程序，并且當(dāng)應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)通常不調(diào)

A

用編譯器。系統(tǒng)性質(zhì)的更現(xiàn)實(shí)的視圖是圖1.3。它表示軟件并不由單一的層構(gòu)成,

而是由很多彼此相互依賴的程序組成。像粗繩子的很多股，每次你仔細(xì)地觀察單

獨(dú)的股，都會(huì)發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上由很多更細(xì)的部分組成。

圖1.2軟件和硬件層次結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化視圖，以同心圓典型地顯示從硬件內(nèi)核逐

步建立最接近用戶的軟件。

圖1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分解性的例子。圖表中間的術(shù)語(yǔ)，如laTEX和gcc是Unix

程序的例子。圖表下面的術(shù)語(yǔ)，如虛擬內(nèi)存，將在第7章和第8章介紹。

1.3深入內(nèi)部

現(xiàn)在我們已經(jīng)揭示了你程序的下面的下層軟件，讓我們打開計(jì)算機(jī)的蓋子來

學(xué)習(xí)下面的硬件。

圖1.4顯示了一個(gè)典型的桌面計(jì)算機(jī)，它有鍵盤、鼠標(biāo)、屏幕和一個(gè)包含更

多硬件的盒子。照片中看不見的是連接計(jì)算機(jī)與打印機(jī)和磁盤之間的網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)

照片顯示了計(jì)算機(jī)的兩個(gè)關(guān)鍵部分：輸入設(shè)備，如鍵盤和鼠標(biāo)，和輸出設(shè)備，如

屏幕和打印機(jī)。與名字一樣，輸入送入計(jì)算機(jī)，輸出是送給用戶的計(jì)算結(jié)果。某

些設(shè)備，像網(wǎng)絡(luò)和磁盤，既提供輸入也提供輸出。

第8章更詳盡地描述了輸入/輸出（I/O）設(shè)備，但讓我們簡(jiǎn)單地介紹一下計(jì)

算機(jī)硬件，從外部I/O設(shè)備開始。

圖1.4一個(gè)桌面計(jì)算機(jī)。陰極射線管（CRT）屏幕是主要的輸出設(shè)備，鍵盤

和鼠標(biāo)是主要的輸入設(shè)備

A

鼠標(biāo)的解剖

出席一個(gè)計(jì)算機(jī)會(huì)議的演講時(shí)我產(chǎn)生了鼠標(biāo)的想法。發(fā)言者這么煩人以至于

我開始做白日夢(mèng)并蹦出了這個(gè)想法。

DougEngelbart

盡管現(xiàn)在的很多用戶認(rèn)為鼠標(biāo)是理所當(dāng)然該有的，像鼠標(biāo)這樣的點(diǎn)設(shè)備的思

想是30年前才出現(xiàn)的。1973年Engelbart在一個(gè)研究原型機(jī)上演示了第一個(gè)帶

鼠標(biāo)的系統(tǒng)。1973年，作為Macintosh和其他所有工作站的靈感出現(xiàn)的Alto機(jī),

就以鼠標(biāo)作為點(diǎn)輸入設(shè)備。到19世紀(jì)八十年代，所有的工作站和多數(shù)個(gè)人計(jì)算

機(jī)都帶有這個(gè)設(shè)備，基于圖形顯示和鼠標(biāo)的新的用戶界面開始流行。鼠標(biāo)實(shí)際上

非常簡(jiǎn)單，如圖1.5的照片所示。

機(jī)械形式的鼠標(biāo)包括一個(gè)大球，它安裝在與一對(duì)滾輪接觸的位置上，一個(gè)滾

輪決定x軸另一個(gè)決定y軸。這些滾輪要么轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器要么轉(zhuǎn)動(dòng)開槽的輪子，

一個(gè)發(fā)光二極管（LED）通過輪子照射一個(gè)光敏器件。在每種方式里，移動(dòng)鼠標(biāo)

都使大球滾動(dòng)，它轉(zhuǎn)動(dòng)x輪或y輪或者兩輪都動(dòng)，這取決于鼠標(biāo)是垂直、水平還

是斜線移動(dòng)。雖然這種指取設(shè)備有很多種樣式，移動(dòng)每個(gè)滾輪實(shí)質(zhì)上都是增加或

減少在系統(tǒng)的某處的記數(shù)器。這個(gè)計(jì)數(shù)器用于記錄鼠標(biāo)在哪個(gè)方向上移動(dòng)了多

遠(yuǎn)。

圖1.5機(jī)械鼠標(biāo)的內(nèi)部。鼠標(biāo)由Logitech提供。

穿越顯示玻璃

穿過計(jì)算機(jī)顯示器我將飛機(jī)降落在航空母艦的甲板上，觀察到一個(gè)原子打到

了一個(gè)潛在的墻上，以接近光的速度在火箭中飛翔并觀察計(jì)算機(jī)透露它最深處的

工作。

A

IvanSutherland,計(jì)算機(jī)圖形之“父"，引自“計(jì)算機(jī)圖形軟件”，科學(xué)美國(guó)

人，1984

最迷人的I/O設(shè)備當(dāng)屬圖形顯示器。它基于電視技術(shù)，一個(gè)光柵陰極射線管

（CRT）顯示器每次掃描一幅圖象的一行，每秒30到75次（圖1.6）。在這種刷

新率下，人們不會(huì)注意到屏幕的閃爍。

圖象是由圖片元素，或稱象素，的矩陣組成，它可以用位的矩陣來代表，稱

為位圖。依賴于屏幕的大小和分辨率，顯示矩陣的大小從512x340到1560x1280

象素不等。最簡(jiǎn)單的顯示器每象素1位，允許它是黑或白。為顯示支持256個(gè)不

同的黑白的濃淡，有時(shí)稱為灰度，每個(gè)象素需要8位。彩色顯示器三原色（紅、

藍(lán)和綠）的每一色可能都使用8位，每象素就是24位，容許顯示幾百萬種不同

的顏色。

便攜計(jì)算機(jī)通常使用液晶顯示板（LCD）代替CRT以得到薄而低功耗的顯示器，

二者主要的區(qū)別在于LCD象素不是光源。典型的LCD在液體中包含棒狀分子形成

的扭曲的螺旋，它使進(jìn)入顯示屏的光線彎曲，光線通常來自放在顯示屏的背面的

光源。當(dāng)電流通過時(shí)這些棒變直并不再?gòu)澢饩€?；顒?dòng)矩陣LCD在每個(gè)象素上有

微小的開關(guān)以精確控制電流并且因而得到更鮮艷的圖象。

圖1.6CRT顯示器。一束由電子槍發(fā)射的射線穿過真空射到涂磷的屏幕上。

在CRT頸部的偏轉(zhuǎn)環(huán)使電子槍對(duì)準(zhǔn)。光柵掃描系統(tǒng)用于電視和幾乎所有的計(jì)算機(jī)

中，每次在屏幕上畫由一系列的點(diǎn)，或稱象素，組成的一行。屏幕每秒刷新30

到70次。

圖1.7左邊幀緩沖區(qū)中的每個(gè)坐標(biāo)決定了右邊光柵掃描CRT顯示器上相應(yīng)坐

標(biāo)處的亮暗。象素（X0,Y0）包含位模板0011,在屏幕上是比象素（XI,Y1）

A

中的位模板1101亮的灰色。

無論是什么顯示器，計(jì)算機(jī)硬件對(duì)圖形的支持主要包括光柵刷新緩沖區(qū)，或

稱幀緩沖區(qū)，來存儲(chǔ)位圖。要在屏幕上顯示的的圖形被存在幀緩沖區(qū)里，每個(gè)象

素的位模板以刷新速率被讀出到圖形顯示器。圖1.7顯示了每象素4位的幀緩沖

區(qū)。

位圖的目標(biāo)是如實(shí)地表示屏幕上所要顯示的內(nèi)容。在圖形系統(tǒng)中的一個(gè)挑戰(zhàn)

是人眼能夠察覺屏幕上非常微小的變化。舉例來說，當(dāng)屏幕更新時(shí)，眼睛可以察

覺到已改變的和未改變的屏幕部分的不一致。

打開機(jī)箱

如果我們打開包著計(jì)算機(jī)的那個(gè)盒子，將會(huì)看見一個(gè)迷人的綠塑料的板子，

被幾十個(gè)灰色或黑色的方塊覆蓋著。圖1.8顯示了圖1.4中桌面計(jì)算機(jī)的內(nèi)部。

這個(gè)主板垂直地展示在后面，軟盤驅(qū)動(dòng)器和電源在左面。

主板上的小方塊包含著驅(qū)動(dòng)我們科技進(jìn)步的設(shè)備：集成電路（或稱之為芯片）。

主板由三部分組成：連接上面提到的I/O設(shè)備的部分、內(nèi)存和處理器。I/O設(shè)備

通過右手中部的垂直附著在主板上的兩個(gè)大板連接。

內(nèi)存是運(yùn)行時(shí)刻存儲(chǔ)程序的地方；它還包含運(yùn)行程序所需的數(shù)據(jù)。在圖1.8

中，內(nèi)存在主板中間垂直附著的兩個(gè)小板上。每個(gè)小內(nèi)存板包含八塊集成電路。

圖1.8個(gè)人計(jì)算機(jī)的內(nèi)部.后面豎直的板子是印刷電路板（PC板），在PC

中稱為主板，包含計(jì)算機(jī)的絕大多數(shù)電子器件；圖1.11是那個(gè)板子的俯視圖，

旋轉(zhuǎn)了90度。處理器是板子右下角的大的黑色方塊。（圖1.19是放入黑色包裝

之前的處理器照片）。垂直插在主板右角上面的兩塊大板是以太局域網(wǎng)的輸入/

輸出接口和CRT的視頻卡。垂直插在主板中部的兩塊小板為內(nèi)存芯片。左下方的

大盒子為電源，在它之上是硬磁盤驅(qū)動(dòng)器和軟盤驅(qū)動(dòng)器。

處理器是主板的能動(dòng)部分，依照程序的指令的工作。它執(zhí)行數(shù)字相加，判斷,

發(fā)送信號(hào)去激活I(lǐng)/O設(shè)備等操作。處理器是圖1.8的右下角內(nèi)存板下面的大正方

形。有時(shí)候，人們稱處理器為CPU,更正式的名稱是中央處理單元。

A

深入到硬件里面更低的層次，圖1.9展示圖1.8中處理器的細(xì)節(jié)。處理器包

含兩個(gè)主要的部分：數(shù)據(jù)通路和控制器，分別是處理器的肌肉和頭腦。數(shù)據(jù)通路

執(zhí)行算術(shù)操作，控制器根據(jù)程序指令的意圖告訴數(shù)據(jù)通路、內(nèi)存和I/O設(shè)備該干

什么。第5章解釋了簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通路和控制器，第6章敘述了高性能設(shè)計(jì)所需的

改動(dòng)。

圖1.9圖1.8中主板所用的處理器芯片內(nèi)部.這個(gè)芯片是IntelPentium：

上面的圖片是芯片的特寫，下面畫出主要模塊的標(biāo)識(shí)。芯片面積為91mm2,它包

含大約330萬個(gè)晶體管。高速緩存占用了其中大約100萬個(gè)。第7章解釋了為什

么在高速緩存上花費(fèi)這么多資源。芯片的其他部分在后繼的幾章敘述：分支預(yù)測(cè)

包含在第6章里，總線包含在第8章。照片由Intel提供。

我們現(xiàn)在標(biāo)識(shí)了計(jì)算機(jī)的的主要部分，下面會(huì)看到本書中的重要一點(diǎn)，這一

點(diǎn)非常重要，希望你永遠(yuǎn)記住它，我們通過將其以標(biāo)識(shí)為重點(diǎn)來強(qiáng)調(diào)它。本書中

大約有十幾個(gè)重點(diǎn)，首先是計(jì)算機(jī)的五個(gè)部分。

重點(diǎn):計(jì)算機(jī)的五個(gè)經(jīng)典組成部分是輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、內(nèi)存、數(shù)據(jù)通路和

控制器，最后的兩部分有時(shí)組合在一起并稱為處理器。圖1.10給出計(jì)算機(jī)的標(biāo)

準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)是獨(dú)立于硬件技術(shù)的：你可以將任意的計(jì)算機(jī)一一過去的或現(xiàn)

在的一一劃分成這五個(gè)部分。為了幫助你正確的保持這些，計(jì)算機(jī)的五部分在后

面的每一章的標(biāo)題版都會(huì)出現(xiàn)，并將那一章要涉及的部分加重。

圖1.10計(jì)算機(jī)的組織結(jié)構(gòu)，給出五個(gè)典型組成部分。處理器從存儲(chǔ)器得到

指令和數(shù)據(jù)；輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器，輸出設(shè)備從存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)?？刂破?/p>

發(fā)送決定對(duì)數(shù)據(jù)通路、存儲(chǔ)器、輸入和輸出設(shè)備進(jìn)行操作的信號(hào)。

讓我們深入到任一個(gè)硬件部件來考察機(jī)器的內(nèi)部情形。之前我們已這樣考察

過處理器了，現(xiàn)在來看看存儲(chǔ)器。圖1.11中的板子包含了兩種內(nèi)存：DRAM和高

A

速緩存。DRAM代表動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。同時(shí)使用幾個(gè)DRAM來存儲(chǔ)程序的指令和數(shù)

據(jù)。與順序存取如磁帶這樣的存儲(chǔ)器相比，RAM這個(gè)概念意味著無論讀取內(nèi)存的

哪一部分,都消耗相同的時(shí)間。高速緩存包含小而快速的存儲(chǔ)部件作為DRAM內(nèi)存

的緩沖區(qū)。（對(duì)高速緩存的非技術(shù)定義是指它是隱藏一些東西的好地方。）

圖1.11PC主板的特寫。這個(gè)主板使用IntelPentiumPro處理器，位于主

板的右上邊緣。它被黑色金屬物覆蓋著，稱為散熱器，幫助芯片散熱。PentiumPro

包裝中包含有高速緩存。主內(nèi)存包含在垂直在主板中央的小板上。DRAM芯片裝

配在這些板上（稱為SIMM,指代單列內(nèi)存模塊）然后插入連接器中。板子剩下

部分主要是外部I/O設(shè)備的接口：音頻/MIDI和并行/串行口在頂邊，四個(gè)PCI

卡插槽在他們之下，左邊是四個(gè)ISA卡插槽，右下是兩個(gè)IDE接口。這些卡連接

主板和打印機(jī)、揚(yáng)聲器、CRT、局域網(wǎng)、磁盤等等。

你可能已經(jīng)注意到描述軟件和硬件時(shí)一個(gè)常見的主題：探究硬件或軟件的深

處以揭示更多的信息，或相反地,掩蓋低層細(xì)節(jié)以為高級(jí)層面提供較簡(jiǎn)單的模型。

這樣分層次的應(yīng)用，或稱抽象，是設(shè)計(jì)高度復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技巧。

一個(gè)最重要的抽象是硬件與低層軟件之間的接口。由于它的重要性，給它一

個(gè)特殊的名稱：機(jī)器的指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，或簡(jiǎn)稱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括

程序員為使一個(gè)二進(jìn)制機(jī)器語(yǔ)言程序正確運(yùn)行所需要知道的所有事，包括指令、

I/O設(shè)備等等。（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成部分在第3、4、7和8章討論。）

這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的界面允許計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者脫離執(zhí)行它們的硬件來討論功能。舉例

來說，我們可以脫離時(shí)鐘這個(gè)硬件（石英晶體、LED顯示器、塑料按鈕）討論數(shù)

字時(shí)鐘的功能（計(jì)時(shí)、報(bào)時(shí)、設(shè)定警告）。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與一個(gè)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)區(qū)別開：實(shí)現(xiàn)是服從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念的硬件。這個(gè)思想給我們帶來另一

個(gè)I占，'、、O

重點(diǎn):硬件和軟件都包含分級(jí)的層次，每一個(gè)低層對(duì)上一層掩蓋細(xì)節(jié)。這個(gè)抽

象的原則是硬件和軟件設(shè)計(jì)者處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性時(shí)都在使用的方法。抽象

的層次之間的一個(gè)關(guān)鍵接口是指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這個(gè)抽象的接口使很多不同成本

A

和性能的實(shí)現(xiàn)能運(yùn)行相同的軟件。

Macintosh的使用者了解改變指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響：為PowerPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的程序不能運(yùn)行在基于68000系列的機(jī)器，基于68000的程序不能在

PowerPC上很好地運(yùn)行。相反地，Intel80x86家族提供相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的幾種實(shí)現(xiàn)：

1978年為原始的8086編寫的程序可以運(yùn)行在最新的PentiumPro上。象第3章

指出的那樣，Intel逐年來增加特點(diǎn)，但所有的后代產(chǎn)品仍然必須很好的運(yùn)行以

前的程序。

數(shù)據(jù)的安全位置

我認(rèn)為硅谷是個(gè)錯(cuò)誤的名字。如果你回顧近十年來產(chǎn)品所帶來的錢，你會(huì)發(fā)

現(xiàn)賣磁盤比賣硅的收入要多。這地方的名字應(yīng)該改為氧化物之谷O

AlHoagland,一個(gè)磁盤技術(shù)先驅(qū)，1982

到此為止我們已經(jīng)明白如何輸入數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)。如果計(jì)算機(jī)斷

電了，所有的一切都會(huì)消失，因?yàn)橛?jì)算機(jī)里的內(nèi)存是易失的；那就是說，當(dāng)內(nèi)存

斷電后，它會(huì)丟掉其中的內(nèi)容。相反的，當(dāng)你關(guān)掉電源時(shí)立體聲盒式磁帶并不會(huì)

丟失它所記錄的音樂，因?yàn)榇艓谴判缘亩也捎梅且资Т鎯?chǔ)技術(shù)。

為了區(qū)別這兩種存儲(chǔ)器一一程序運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)程序的存儲(chǔ)器和保存不處于運(yùn)行

狀態(tài)的程序的非易失存儲(chǔ)器一一術(shù)語(yǔ)基本存儲(chǔ)器或主存儲(chǔ)器指前者，輔助存儲(chǔ)器

指代后者。自1975年以來主存儲(chǔ)器就是DRAM的天下，但自1965年就已在使用

磁盤作為輔助存儲(chǔ)器了。

磁盤主要有兩種類型：軟盤和硬盤。這些磁盤工作的基本原理是相同的：涂

有磁記錄材料的轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤片。主要的區(qū)別是軟盤是用柔軟的聚酯薄膜制造的，而

硬盤的盤片是金屬的。軟盤能被取出并隨處攜帶，而現(xiàn)今絕大多數(shù)的硬盤是不可

移動(dòng)的。軟盤的容量范圍從低成本軟盤的1.44M到Zip軟盤的100M不等。

另一種可移動(dòng)介質(zhì)是光盤，或稱CD,它比硬盤便宜但速度較慢。性能最差的

是磁帶，它用于備份磁盤；磁帶可能花幾秒的時(shí)間來查找數(shù)據(jù)。

如圖1.12顯示的，硬磁盤包括一個(gè)盤片組，以每分鐘3600到7200圈的速度

旋轉(zhuǎn)。金屬盤片的兩面都涂有磁記錄材料，與盒式磁帶上的材料差不多。為了讀

寫硬盤上的信息，每面的上方都有一個(gè)可移動(dòng)臂它帶有稱作讀/寫頭的小電磁線

圈。Zip驅(qū)動(dòng)器借鑒了硬盤中的磁頭和介質(zhì)溫度技術(shù)，在性能和容量上更接近硬

A

盤而不是傳統(tǒng)的軟盤。

今天不同硬盤的直徑變化有大約5倍之巨，從1.3到5.25英寸，并且這些年

來一直在縮小以適應(yīng)新產(chǎn)品；工作站服務(wù)器，個(gè)人計(jì)算機(jī)，膝上電腦和掌上型電

腦都促使了新硬盤形式出現(xiàn)。一般來說，最大的硬盤有最高的性能，最小的硬盤

最便宜，而有最好的容量成本比的硬盤通常介于它們之間。

圖1.12硬盤的10個(gè)盤片及讀/寫磁頭。照片由存儲(chǔ)技術(shù)公司提供。

使用了機(jī)械部件意味著磁盤的訪問時(shí)間要遠(yuǎn)低于DRAM：硬盤通常需要5到20

毫秒，但DRAM只有50到100納秒——DRAM快100000倍。但存儲(chǔ)同等容量的數(shù)

據(jù)時(shí)，磁盤的花費(fèi)要比DRAM低得多，因?yàn)榻o定容量的磁盤的生產(chǎn)成本比相同容

量的集成電路的生產(chǎn)成本要低。在1977年，磁盤的每兆字節(jié)成本是DRAM的50

分之一O

這樣在磁盤和主存儲(chǔ)器之間就有三個(gè)主要的區(qū)別：磁盤是非易失的因?yàn)樗?/p>

磁記錄；磁盤的訪問時(shí)間長(zhǎng)因?yàn)樗菣C(jī)械設(shè)備；磁盤單位容量成本低因?yàn)樗谝?/p>

定的成本下可以得到很高的存儲(chǔ)容量。

與其他計(jì)算機(jī)通信

我們已經(jīng)解釋了我們?nèi)绾屋斎搿⒂?jì)算、顯示和保存數(shù)據(jù)，但還是遺漏了現(xiàn)今

的計(jì)算機(jī)的另一個(gè)概念：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。正如第16頁(yè)的圖1.10中顯示的處理器于

存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備連接一樣，網(wǎng)絡(luò)連接整臺(tái)計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)用戶通過網(wǎng)絡(luò)通信

來擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的能力。網(wǎng)絡(luò)是如此流行，它已經(jīng)成了如今計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨干；不

帶有可選的網(wǎng)絡(luò)接口的新機(jī)器將會(huì)被嘲笑。聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)有幾個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)：

■通信：在計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)高速信息交換。

■資源共享：與其每個(gè)機(jī)器都有自己的I/O設(shè)備，不如通過網(wǎng)絡(luò)讓設(shè)備被

計(jì)算機(jī)共享使用。

■遠(yuǎn)程訪問：通過連接相距遙遠(yuǎn)的計(jì)算機(jī)，用戶無需離他們要使用的計(jì)算

機(jī)很近。

網(wǎng)絡(luò)在長(zhǎng)度和性能上各有不同，通訊的費(fèi)用隨速度和信息傳送的距離的提

A

高而增長(zhǎng)。最流行的網(wǎng)絡(luò)也許是以太網(wǎng)。它的長(zhǎng)度限制大約是一公里，最

常用的形式傳送數(shù)據(jù)的速度是每秒1百萬字節(jié)。以太網(wǎng)的長(zhǎng)度和速度特征

使得它在連接建筑物同一層的計(jì)算機(jī)之間很有用；因此，它是在分類上被

稱為局域網(wǎng)的一個(gè)實(shí)例。遍及大陸的廣域網(wǎng)是Internet的骨干，它支持全

球網(wǎng)。他們一般是基于光纖并由電訊公司出租的。

1.4集成電路：推動(dòng)創(chuàng)新

我認(rèn)為“計(jì)算機(jī)”就象書那樣是一個(gè)任何地方都能應(yīng)用的概念。不過我沒

有想到它會(huì)發(fā)展得如此之快，因?yàn)槲覜]有想到最后在一個(gè)芯片中能提供那么多得

部件。晶體管出乎意料地向前發(fā)展。一切都發(fā)生得比我們想象的快得多。

J.PresperEckert,ENIAC的發(fā)明者之一，在1991年的講話

處理器和存儲(chǔ)器以驚人的速度得到改進(jìn)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者長(zhǎng)期以來一直采

用最新的電子技術(shù)在設(shè)計(jì)更好計(jì)算機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)中獲勝。圖1.13給出了不同年代所

采用的技術(shù)，同時(shí)提供每種技術(shù)的單位成本性能比的評(píng)估。本節(jié)探索自1975年

以來推動(dòng)了計(jì)算機(jī)工業(yè)發(fā)展的技術(shù)，并且在可預(yù)見的將來這些技術(shù)還將繼續(xù)推動(dòng)

計(jì)算機(jī)工業(yè)前進(jìn)。既然集成電路技術(shù)決定著計(jì)算機(jī)的功能和發(fā)展速度，我們認(rèn)為

所有的計(jì)算機(jī)專家應(yīng)該熟悉集成電路的基礎(chǔ)知識(shí)。

年計(jì)算機(jī)使用的技術(shù)相關(guān)性能/單位成本

1951電子管1

1965晶體管35

1975集成電路900

1995超大規(guī)模集成電路2400000

圖1.13不同年代計(jì)算機(jī)所采用的技術(shù)的單位成本域相關(guān)性能。來源：波士頓

計(jì)算機(jī)博物館。

晶體管是由電控制的簡(jiǎn)單的開關(guān)。集成電路將幾十到上百的晶體管集成到一

個(gè)芯片上。為了描述晶體管數(shù)目從幾百到幾百萬的巨大增長(zhǎng)，形容詞超大規(guī)模加

到了這個(gè)術(shù)語(yǔ)前，產(chǎn)生了縮寫VLSI,指超大規(guī)模集成電路。

這個(gè)綜合增長(zhǎng)率是相當(dāng)穩(wěn)定。圖1.14顯示了自1977年來DRAM容量的增長(zhǎng)。每

3年集成電路工業(yè)便增長(zhǎng)4倍，結(jié)果僅僅這20年里的增長(zhǎng)就超過16000倍！集

A

成電路在成本性能比和容量上這個(gè)驚人的發(fā)展速度統(tǒng)治了硬件與軟件的設(shè)計(jì)，因

此更需要了解這種技術(shù)。

圖1.14每片DRAM芯片的容量隨時(shí)間的增長(zhǎng)。y軸的單位是Kbits,這里K=1024

（210）。每t3年DRAM的容量就變?yōu)樵瓉淼?倍，每年增長(zhǎng)60%,持續(xù)了20年。

1MbitDRAM是個(gè)例外，它提前一年達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)；另一個(gè)例外是64MbitDRAM,

它比預(yù)期的晚了一年。這個(gè)“三年翻四翻”的規(guī)律稱為DRAM增長(zhǎng)率。

讓我們從頭開始。制造芯片開始于硅，是沙子的成份。因?yàn)楣璧膶?dǎo)電性不好，

它被稱為半導(dǎo)體。通過特殊的化學(xué)過程，可以將金屬攙入硅中使一個(gè)很小的區(qū)域

改變?yōu)槿N器材之一：

電的良導(dǎo)體（像銅或鋁導(dǎo)線）

絕緣體（像塑料皮或玻璃）

由特定的條件決定導(dǎo)電還是絕緣（像開關(guān)）

晶體管屬于最后一類。VLSI電路就是將數(shù)以百萬計(jì)的導(dǎo)體、絕緣體和開關(guān)組合

制造在一片小容器中。

集成電路的生產(chǎn)過程決定了芯片成本，因此對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者十分重要。圖1.15

顯示了這個(gè)過程。過程開始于一個(gè)像大香腸的硅晶錠。現(xiàn)在，硅晶錠的直徑為6

-12英寸，長(zhǎng)度為12-24英寸。硅晶錠被小心地切成厚度不大于0.1英寸的圓

片。這些圓片隨后要經(jīng)歷一系列的處理過程，在這中間每片都要放上各式各樣的

化學(xué)成分，生成上述的晶體管、導(dǎo)體和絕緣體。

圓片本身或在這幾十步模式處理過程中在圓片上產(chǎn)生的一個(gè)微小的裂紋會(huì)導(dǎo)

致園片那個(gè)區(qū)域失效。這些瑕疵，正如他們的名稱一樣，使得不可能制造出完美

的圓片。為處理不完整性采用了幾種對(duì)策，最簡(jiǎn)單方法的就是在單個(gè)圓片上放置

很多相互獨(dú)立的部分，然后把這個(gè)模式化的圓片切成小的方塊骰子狀部件，這些

"骰子"的正式名字是芯片。切片技術(shù)使得你只須舍棄那些不幸含有瑕疵的方塊，

而不是整個(gè)圓片。這一概念用出產(chǎn)率過程來定量表示，定義為圓片上總芯片數(shù)目

與產(chǎn)出的合格芯片的百分比。

A

一旦發(fā)現(xiàn)好的片子，它們就在一個(gè)稱為“捆綁（bonding）”的過程中連接到一

個(gè)封裝的輸入/輸出引腿上。由于在封裝過程中可能會(huì)出錯(cuò)，所以這些封裝部分

最后還要被檢測(cè)一次，之后才轉(zhuǎn)給客戶。

細(xì)節(jié)：偶爾我們會(huì)插進(jìn)一些對(duì)初學(xué)者無關(guān)緊要的細(xì)節(jié)，但對(duì)一個(gè)高級(jí)用戶來說

他可能很感興趣。

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)新課題是能源效率。對(duì)便攜式電腦來講，為延長(zhǎng)電池使用壽

命，能源效率就非常重要，不僅如此，對(duì)桌面電腦來說，由于單片機(jī)時(shí)鐘頻率的

增長(zhǎng)，它也成了一個(gè)必須考慮的因素。例如，AIpha21254微處理器在以600MHz

的頻率工作浪費(fèi)了驚人的72W的功率。功率可能會(huì)成為限制性能的一個(gè)新問題。

圖1.14芯片制造過程.硅錠先被切成薄的圓片后經(jīng)過20到30步的模式化處

理（見圖1.17）,這些模式化后的圓片切成小方塊（見圖1.18）,每一小塊都須

經(jīng)過檢測(cè)。此圖中，一個(gè)圓片生產(chǎn)出20張小片子，只有6個(gè)通過了檢測(cè)。（X意

味著片子是壞的。）故而此例中好片子的出產(chǎn)率就是6/20,即30%。這些好片子

捆綁成一個(gè)封裝（見圖1.19）,在轉(zhuǎn)給客戶前需要再檢測(cè)一次。最后的檢測(cè)中發(fā)

現(xiàn)了一個(gè)壞的封裝。

1.5實(shí)際資料：制造Pentium芯片

每章都有名為“實(shí)際資料”一節(jié)來將本書中的概念與你每天使用的計(jì)算機(jī)連

系起來。這些節(jié)總是覆蓋IBMPC中的基本技術(shù)并且也經(jīng)常包含AppleMacintosh

的技術(shù)。在本章，我們將前一節(jié)的集成電路概念與驅(qū)動(dòng)IBMPC的芯片連系起來。

圖1.16是一張包含了很多單片處理器的未被切開的圓晶片的照片。它包含

了圖1.9特寫顯示的芯片的復(fù)制品。圖1.17是PentiumPro---Pentium的后代

的圓晶片照片。圖1.18顯示了單片PentiumPro片子。

請(qǐng)注意每片圓晶片上有比大模塊多得多的小片子：圖1.16中8英寸直徑圓

晶片中有196個(gè)Pentium片子，但圖1.17中的圓晶片上只有78個(gè)大些的Pentium

Pro片子。由于無論其上有什么圓晶片的成本都大致相同，片子少意味著成本高。

A

此外成本的增長(zhǎng)是因?yàn)榇笃痈锌赡馨Υ枚鴮?dǎo)致報(bào)廢。

既然芯片成本隨芯片增大而很快上升（練習(xí)1.46到1.53更詳細(xì)地研究了

芯片成本），計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者顯然必須熟悉他們使用的技術(shù)以便確信大.芯片成本的

增加在提高性能上是否值得。

圖1.16一片包含IntelPentium處理器的直徑8英寸的圓晶片。每片圓晶

片上Pentium芯片的數(shù)量是196。芯片面積為91mm）包含大約330萬個(gè)晶體管。

15頁(yè)的圖1.9是一個(gè)Pentium芯片的顯微照片。晶片邊緣幾十個(gè)不完整的芯片

是沒用的；之所以這樣做是因?yàn)檫@樣比較容易生成用來印在硅上的掩模。照片由

Intel提供。

圖1.17一片包含IntelPentiumPro處理器的直徑8英寸的圓晶片。每片

圓晶片上PentiumPro芯片的數(shù)量是78。模塊面積為306mml包含大約550萬

個(gè)晶體管。圖1.18是一個(gè)模塊的顯微照片。晶片由Intel提供。

圖1.19顯示了含有兩個(gè)芯片的包裝部分。請(qǐng)注意PentiumPro包裝實(shí)際上

包含有兩個(gè)芯片！Intel的工程師決定在PentiumPro中選擇兩個(gè)芯片的方案而

不是加大芯片尺寸。如練習(xí)說明的，兩個(gè)小芯片比一個(gè)大芯片便宜。這第二個(gè)芯

片是外部高速緩存芯片，在第7章敘述。

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者必須既懂得硬件技術(shù)又懂軟件技術(shù)以制造有競(jìng)爭(zhēng)力的計(jì)算

機(jī)。硅是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的工作媒介，所以他們必須清楚集成電路成本和性能的基

礎(chǔ)。設(shè)計(jì)者還必須學(xué)習(xí)極大影響計(jì)算機(jī)硬件的軟件原理，即編譯器和操作系統(tǒng)的

原理。

A

圖1.18一個(gè)PentiumPro芯片：上面的照片是芯片的特寫，下面的圖樣標(biāo)

出了主要功能塊。芯片面積為306mm2,包含大約550萬個(gè)晶體管。高速緩存占芯

片面積的一個(gè)小部分——只占550萬中的100方因?yàn)镻entiumPro與一個(gè)3100

萬晶體管的外部高速緩存包裝在一起。PentiumPro芯片中的功能塊在后面的幾

章敘述：第5章敘述微碼；第6章敘述指令編碼、保留位置、重排序緩沖區(qū)和分

支預(yù)測(cè)；第7章敘述高速緩存和存儲(chǔ)緩沖器。照片由Intel提供。

圖1.19包含Pentium芯片的包裝(a)和包含PentiumPro芯片的包裝(b).

Pentium有286個(gè)管腳，PentiumPro有387個(gè)管腳。多出來的管腳使主內(nèi)存到

處理器有更寬的通路，允許更快的數(shù)據(jù)傳送和更大的內(nèi)存的編址。PentiumPro

包中的第二個(gè)芯片是外部高速緩存(另一個(gè)圖像見612頁(yè)的圖7.32)。照片由

Intel提供。

1.6謬誤和陷阱

科學(xué)一定開始于神話和神話的批評(píng)。

KarlPopper爵士，科學(xué)原理,1957

每章都有的謬誤與陷阱一節(jié)的目的是解釋一些你可能遇見的通常都這么認(rèn)為

的誤解。我們稱這樣的錯(cuò)誤觀念為稷誤。討論一個(gè)謬誤時(shí)，我們盡量給出一個(gè)反

例。我們也討論陷阱，或稱容易犯的錯(cuò)誤。通常陷阱一般化了有限前提下正確的

原理。這些節(jié)的目的是幫助你避免在你可能設(shè)計(jì)或使用的機(jī)器中犯這些錯(cuò)誤。

謬誤：計(jì)算機(jī)已經(jīng)用相同的、陳舊的方式制造了太長(zhǎng)的時(shí)間，并且這種古舊

的計(jì)算方式已經(jīng)發(fā)展到頭了。

對(duì)于一種陳舊的計(jì)算方式，它當(dāng)然提高得很快。圖1.20繪制了1987年到1997

年每年工作站的最高性能。(第2章解釋衡量性能的適當(dāng)?shù)姆椒ā?圖片顯示了一

條指出每年增長(zhǎng)54%的線，或大約每18個(gè)月性能增長(zhǎng)一倍。與上面的描述對(duì)比，

今天計(jì)算機(jī)性能上的提高快于以往的任何時(shí)候-1987年和1997年之間有百倍的

A

增長(zhǎng)!

陷阱：計(jì)劃設(shè)計(jì)一種新機(jī)器時(shí)忽略硬件無情而實(shí)在的進(jìn)展。

設(shè)想你計(jì)劃三年后推出一種新機(jī)器，并且你宣稱這種機(jī)器將極其暢銷，因?yàn)?/p>

它比現(xiàn)在的任何機(jī)器都快三倍。很不幸地，這種機(jī)器將很可能銷路不好，因?yàn)檫@

個(gè)產(chǎn)業(yè)的平均增長(zhǎng)率將給予別的機(jī)器以相同的性能。舉例來說，假定性能的年增

長(zhǎng)率為50%,今天性能為x的機(jī)器在三年后性能將為1.5%=3.4x。你的機(jī)器將沒

有性能上的優(yōu)勢(shì)！計(jì)算機(jī)公司內(nèi)部的很多項(xiàng)目被取消，或者由于他們忽略了這個(gè)

規(guī)律或者由于項(xiàng)目完成得晚，此時(shí)機(jī)器的性能已經(jīng)低于業(yè)界平均水平。這個(gè)現(xiàn)象

可能發(fā)生于任何工業(yè)中，但快速增長(zhǎng)的性能價(jià)格比使得它成為計(jì)算機(jī)工業(yè)中主要

關(guān)心的問題。

圖1.201987-1997工作站的性能增長(zhǎng)。這里性能比VAX-11/780快幾倍,

這是通常使用的標(biāo)準(zhǔn)。性能增長(zhǎng)率大約為每年1.54,或者說每1.6年翻倍。這

些性能數(shù)字是以整數(shù)SPEC92(SPECbase_int92)為基準(zhǔn)的;關(guān)于SPEC更多的細(xì)

節(jié)見第2章的2,6節(jié)。由于時(shí)間較長(zhǎng)這些點(diǎn)變得不容易察看，下面列出這些機(jī)器，

并在括號(hào)里給出性能比率，開始于1987年：Sun-4/260(9).MIPSM/120(13).

MIPSM2000(18).IBMRS6000/540(24),HP9000/750(51).Digital3000

AXP/500(80),IBMPOWERStation100(117),DigitalAlphastation4/266(183)、

DigitalAlphastation5/300(280)、DigitalAlphastation5/500(481)和一■個(gè)

基于600-MHzAlpha21264微處理器的機(jī)器(1140)。最后的兩種機(jī)器是基于

SPECin95base并乘一個(gè)系數(shù)以評(píng)估SPECbase92性能。

1.7結(jié)論

此處……ENIAC裝備有18000個(gè)真空管,重30噸,未來的計(jì)算機(jī)可能有

1000個(gè)真空管,重量只有1.5噸。

大眾機(jī)械，1949年3月

雖然準(zhǔn)確地預(yù)言未來計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比是很困難的，但可以打賭它們將比

A

現(xiàn)在好得多是一定會(huì)贏的。為了促進(jìn)這些進(jìn)步，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者和程序員必須廣泛

地了解各種問題。

硬件和軟件設(shè)計(jì)者都以層次結(jié)構(gòu)構(gòu)造系統(tǒng)，每個(gè)低層都對(duì)其上層隱藏細(xì)節(jié)。

這個(gè)抽象原理對(duì)了解今天的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是十分重要的，但這并不意味著設(shè)計(jì)者可

以將自己局限在單一的技術(shù)中。最重要的抽象的例子也許是硬件與低層軟件之間

的接口，稱為指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。保持指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變使許多成本和性能可能

各不相同但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的機(jī)器能運(yùn)行完全相同的軟件。在下層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能

排除改變接口的需要。

現(xiàn)代處理器的關(guān)鍵技術(shù)是編譯器和硅。很顯然，為了參與計(jì)算機(jī)的改進(jìn)你必

須了解這兩者的一些特性。與了解集成電路技術(shù)一樣重要的是要了解技術(shù)改變的

期望率，這個(gè)關(guān)系的一個(gè)例子是DRAM每三年容量變?yōu)樗谋兜膽T例。當(dāng)硅推動(dòng)硬

件快速進(jìn)步的同時(shí)，計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中的新思想已經(jīng)提高了性能價(jià)格比。兩個(gè)關(guān)鍵的

思想是在處理器中使用并行一一典型地通過流水線和利用存儲(chǔ)器層次訪問的局

部性——通常用高速緩存實(shí)現(xiàn)。

本書的閱讀指導(dǎo)

在這些抽象的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)的五個(gè)基本組成部分：數(shù)據(jù)通路、控制器、存儲(chǔ)

器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備（參考圖1.10）。這五部分也作為本書其余章的框架：

■數(shù)據(jù)通路:第4、5、6章

■控制器:第5章和第6章

■存儲(chǔ)器:第7章

■輸入設(shè)備:第8章

■輸出設(shè)備：第8章

第6章敘述處理器流水線如何利用并行性，第7章敘述內(nèi)存組織如何利用局

部性。剩下的章節(jié)進(jìn)一步介紹這些內(nèi)容并給出結(jié)論。第2章講述性能并且敘述如

何評(píng)估整臺(tái)計(jì)算機(jī)。第3章敘述指令集-編譯器和機(jī)器之間的接口-并強(qiáng)調(diào)了在

使用指令集的特點(diǎn)中編譯器和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的任務(wù)。第9章通過討論多處理器來

結(jié)束這些內(nèi)容。

A

1.8歷史回顧和參考文獻(xiàn)

“科學(xué)的活躍領(lǐng)域就像是一個(gè)極龐大的蟻穴，個(gè)人的角色就是在思維的海洋中前

仆后繼，將信息像光速那樣從一個(gè)地方傳播到另一個(gè)地方「

——LewisThomas,《自然科學(xué)》雜志，論文“細(xì)胞的生命”，1974年

這一部分是各章相關(guān)部分的歷史回顧。我們以計(jì)算機(jī)系列和一些重要的計(jì)算

機(jī)工程為線索回顧計(jì)算機(jī)的發(fā)展，如果您對(duì)進(jìn)一步深入的內(nèi)容感興趣，我們還提

供了相應(yīng)的參考資料。這一部分同時(shí)也提供了本章中一些重要概念出現(xiàn)的歷史背

景，目的在于展示在技術(shù)進(jìn)步背后的人的故事和他們?cè)跉v史上的成就。理解過去，

才能夠更好的理解影響計(jì)算機(jī)發(fā)展的力量。

第一批電子計(jì)算機(jī)

賓夕法尼亞州立大學(xué)摩爾分校的J.PresperEckert和JohnMarchly制造出

了被廣泛認(rèn)可的世界上第一臺(tái)可操作的通用電子計(jì)算機(jī)。這臺(tái)被叫做ENIAC（電

子數(shù)字積分器和計(jì)算器）的計(jì)算機(jī)是由美國(guó)軍方投資的，并在第二次世界大戰(zhàn)中

投入使用，但是直到1946年才公開露面。ENIAC是一臺(tái)具有通用目的的計(jì)算機(jī),

被用來計(jì)算炮彈開火的圖表。這臺(tái)“U”型的計(jì)算機(jī)有80英尺長(zhǎng)、8.5英尺高，

寬也有好幾英尺（見圖1.21）。每20個(gè)10位寄存器都有2英尺長(zhǎng)。ENIAC總共

用了18,000個(gè)真空管。

從尺寸上來說，ENIAC比現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)要大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但是慢四個(gè)數(shù)量級(jí),

每秒只能做1900次加法。ENIAC提供條件跳轉(zhuǎn)功能，可編程，可將它與早期的

計(jì)算器很輕易的區(qū)分開來。編程通過手動(dòng)的插線和設(shè)置開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)通過穿

孔卡輸入。典型計(jì)算的編程需要半個(gè)小時(shí)到一整天的時(shí)間。ENIAC是一臺(tái)通用計(jì)

算機(jī)，主要局限為小容量的存儲(chǔ)器和冗長(zhǎng)乏味的編程過程。

JohnVonNeumann在1944年被ENIAC的工程所吸引。這個(gè)組織想要改進(jìn)程

序輸入的途徑，討論怎樣以數(shù)字形式存儲(chǔ)程序。VonNeumann幫助他們明確了這

些觀點(diǎn)，并寫了一個(gè)備忘錄，提出了一種存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)叫做EDVAC（電子離

A

散變量自動(dòng)計(jì)算機(jī)）?HermanColdstine發(fā)布了這個(gè)備忘錄并加上了VonNeumann

的名字，這引起了Eckert和Mauchly的不安，因?yàn)樗麄兊拿直贿z漏了.這個(gè)

備忘錄被當(dāng)作如今廣泛使用的“馮?諾依曼計(jì)算機(jī)”的基礎(chǔ)。一些計(jì)算機(jī)界的先

驅(qū)認(rèn)為這給了提出這些觀點(diǎn)的VonNeumann太多的榮譽(yù)，而給予Eckert和

Mauchly這樣的對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生重要影響的工程師的卻太少太少了。

圖1.21世界上第一臺(tái)通用目的的電子計(jì)算機(jī)ENIAC.注意圖中右下角的法

院標(biāo)簽，這是34頁(yè)所提及的專利情況。照片得到了明尼蘇達(dá)大學(xué)Charles

Babbage學(xué)院的許可。

1946年，劍橋大學(xué)的MauriceWilkes造訪了摩爾分?！眳⒓右幌盗械年P(guān)于

電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的演講的后半部分。Wilkes回到劍橋大學(xué)后，決定著手發(fā)起一

項(xiàng)工程來制造一種基于存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)EDSAC（電子延遲存儲(chǔ)自動(dòng)計(jì)算器）。

EDSAC（見圖1.22）在1949年完成，是世界上第一臺(tái)全面的、可操作的、可存

儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)［Wilkes1985］。（一個(gè)由曼徹斯特大學(xué)于1948年制作開發(fā)的叫

做Mark-I的小型機(jī)的原型或許可以被稱為第一臺(tái)可操作的存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)。）

第三章的3.4這一部分闡述了存儲(chǔ)程序的概念。

圖1.22EDSAC在1949年是第一臺(tái)全面的、存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)。前面那個(gè)

跪著的、戴著眼鏡的人就是Wilkes。照片得到了波士頓計(jì)算機(jī)博物館的許可。

1947年，Eckert和Mauchly申請(qǐng)電子計(jì)算機(jī)的專利。摩爾分校的院長(zhǎng)要求

將專利移交給學(xué)校，這一舉動(dòng)促使Eckert和Mauchly做出了離開的決定。他們

的離開削弱了EDVAC工程的力量，延誤了工程的完成，直到1952年工程才完成。

A

Goldstine于1946年加入了普林斯頓大學(xué)馮?諾依曼所在的高級(jí)研究學(xué)院

（IAS）,與他在一起的還有ArthurBurks,他們發(fā)表了一篇基于早期那篇備忘

錄的報(bào)告[Burks,Goldstine和vonNeumann1946]?這篇論文在那個(gè)時(shí)期簡(jiǎn)直

令人難以置信，就算你今天再讀它，你也永遠(yuǎn)想象不到這篇里程碑般的論文居然

是寫于50多年前，因?yàn)樗懻摿爽F(xiàn)代計(jì)算機(jī)中所能見到的許多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念。

這篇論文導(dǎo)致了JulianBigelow設(shè)計(jì)制造出了IAS機(jī)型，這種機(jī)器總共有1024

個(gè)40位的字，大約比ENIAC快10倍左右。他們考慮了用戶的需求，發(fā)表了一系

列的報(bào)告，并鼓勵(lì)人們前來造訪。這些報(bào)告和訪問學(xué)者促進(jìn)了一批新型計(jì)算機(jī)的

發(fā)展。

近來人們對(duì)在40年代早期制造出小規(guī)模的電子計(jì)算機(jī)的JohnAtanasoff的

工作有些爭(zhēng)議，這臺(tái)機(jī)器是衣阿華州立大學(xué)設(shè)計(jì)的，它只具有特殊用途，并不具

有完全的可操作性。Mauchly曾在制造ENIAC之前簡(jiǎn)單的拜訪過Atanasoff,

Atanasoff機(jī)器的面世、ENIAC專利處理工作的遲緩（直到戰(zhàn)后分類和專利批準(zhǔn)

的工作才能進(jìn)入正軌）和vonNeumann論文的發(fā)布破壞了Eckert-Mauchly的專

利。盡管對(duì)于Atanasoff1規(guī)則的爭(zhēng)論愈演愈烈，Eckert和Marckly總是被歸功

于制造了第一臺(tái)可運(yùn)行的、具有通用目的的電子計(jì)算機(jī)。

另一個(gè)應(yīng)該得到些榮譽(yù)的早期機(jī)器是30年代末40年代初在德國(guó)由Konrad

Zuse制造的特殊用途計(jì)算機(jī)。雖然Zuse已經(jīng)準(zhǔn)備好設(shè)計(jì)可編程的計(jì)算機(jī)，但是

德國(guó)政府不想在研究周期多于兩年的科學(xué)研究項(xiàng)目上投資，因?yàn)楣倭艂兿Ｍ麘?zhàn)爭(zhēng)

能在兩年內(nèi)結(jié)束。

在英吉利海峽的另一側(cè)，在二戰(zhàn)時(shí)期的英國(guó)，制造出的特殊用途電子計(jì)算機(jī)

被用來破譯截獲的的德國(guó)情報(bào)。在Bletchley公園的一個(gè)包括AlanTuring的研

究隊(duì)伍于1943年制造出了“巨人”計(jì)算機(jī)。1970年以前這些機(jī)器都處于保密狀

態(tài)，戰(zhàn)后，這個(gè)小組對(duì)英國(guó)商業(yè)計(jì)算機(jī)的影響就很小了。

當(dāng)研制ENIAC的工作正在進(jìn)展時(shí)，哈佛大學(xué)的HowardAiken研制出了一種

叫做Mark-I的機(jī)電計(jì)算機(jī)（這個(gè)名字后來被曼徹斯特的機(jī)器所采用）。他在

Mark-I之后又開發(fā)了后續(xù)機(jī)型Mark-II,進(jìn)而又研制了真空管機(jī)器Mark-Ill和

A

Mark-IV0與早期如EDSAC這些使用單存儲(chǔ)器存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)的機(jī)器相對(duì)比，

Mark-Hi和Mark-IV使用分離存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)。這種機(jī)器被存儲(chǔ)程序計(jì)

算機(jī)的擁護(hù)者認(rèn)為是異端的，并因此創(chuàng)造了“哈佛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”這個(gè)詞來描述這種

具有分離存儲(chǔ)器的機(jī)器。出于對(duì)歷史的尊重，在不同的意義上，現(xiàn)在我們用這個(gè)

術(shù)語(yǔ)來描述用一個(gè)單一的主存儲(chǔ)器和若干分離的高速緩存來存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)的

機(jī)器。

旋風(fēng)型計(jì)算機(jī)于1947年在MIT開始研究，著重于實(shí)時(shí)雷達(dá)信號(hào)處理方面的

應(yīng)用。雖然它帶來了一些新發(fā)明，但是它最重要的革新是磁心存儲(chǔ)器。旋風(fēng)型計(jì)

算機(jī)有2048個(gè)磁心的16位字。在主存儲(chǔ)器技術(shù)中應(yīng)用磁心技術(shù)已經(jīng)有將近30

年的歷史了。

商業(yè)發(fā)展

1947年12月，Eckert和Mauchly成立了Eckert-Mauchly計(jì)算機(jī)公司。他

們的第一臺(tái)機(jī)器BINAC是為Northrop制造的，于1949年8月面世。經(jīng)歷了一些

財(cái)政困難后，他們的公司被Remington-Rand收購(gòu)，他們?cè)谀抢镏圃炝薝NIVACI

（通用自動(dòng)計(jì)算機(jī)），他們將這種機(jī)型設(shè)計(jì)為具有通用目的的計(jì)算機(jī)（見圖

1.23）。在1951年6月的第一次交貨中，UNIVACI賣了大約一百萬美元，是第

一個(gè)成功的商業(yè)計(jì)算機(jī)——總共賣出了48套！這些早期的計(jì)算機(jī)和那些吸引人

的計(jì)算機(jī)資料一樣可以在馬薩諸塞州的波士頓計(jì)算機(jī)博物館或是加利福尼亞州

MountainView（威爾山）的計(jì)算機(jī)歷史中心里看到。

在1950年以前，IBM雖然在做穿孔卡和辦公室自動(dòng)化的生意，但是并沒有開

始制造計(jì)算機(jī)。IBM的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)IBM701誕生于1952年，最終賣出了19套。

在50年代早期，許多人對(duì)計(jì)算機(jī)的前景表示悲觀，認(rèn)為這些“高度專業(yè)化”的

機(jī)器的市場(chǎng)和機(jī)遇都將受到非常大的限制。

A

圖1.23UNIVAC,美國(guó)第一臺(tái)商用計(jì)算機(jī)。它準(zhǔn)確預(yù)言了1952年總統(tǒng)選舉

的結(jié)果，但是它的初始預(yù)測(cè)沒有被采納，而是采用了無線廣播，因?yàn)閷＜覀儜岩?/p>

這些早期預(yù)測(cè)結(jié)果的可用性。照片經(jīng)由明尼蘇達(dá)大學(xué)CharlesBabbage學(xué)院許可。

在1964年，IBM在投資了50億美元后，大膽宣稱了推出了System/360系統(tǒng)。

IBM的一位發(fā)言人當(dāng)時(shí)說了這樣的一段話：

我們?cè)谶@篇通告中也許不太謙虛，但是這是這個(gè)公司在它的歷史上制造出的

產(chǎn)品中最重要的一個(gè)產(chǎn)品通告，這不是以前大家概念中的電腦。它不是一個(gè)產(chǎn)品，

而是