【正文】 完美WORD格式 我們已經(jīng)了解到所有計(jì)算機(jī)有類似的能力且能執(zhí)行相同的功能,盡管一些可能比其他的快。我們知道電腦系統(tǒng)有輸入、輸出、倉(cāng)儲(chǔ)、加工的元件,還知道處理器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“智能”部分,并且知道一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以有幾個(gè)處理器。我們已經(jīng)討論了在電腦系統(tǒng)中數(shù)據(jù)以被稱作位的電子狀態(tài)來(lái)表示。我們現(xiàn)在準(zhǔn)備闡釋計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心的內(nèi)部活動(dòng)——處理器。電腦的內(nèi)部操作很有趣,但真的沒(méi)有什么奧秘的事。這種神秘性存在于那些道聽(tīng)途說(shuō)和相信科幻作家的人心中。計(jì)算機(jī)是不會(huì)思考的電子設(shè)備,它必須插入電源,就像一臺(tái)烤面包機(jī)或一盞燈。毫不夸張地講，市場(chǎng)上有幾百種不同類型的計(jì)算機(jī)在銷售。每種類型可能都很復(fù)雜,但每個(gè)處理器,有時(shí)被稱為中央處理器或者說(shuō)CPU,只有兩個(gè)基本部分:控制單元,算術(shù)和邏輯單元。主存儲(chǔ)器在處理器的內(nèi)部發(fā)揮著重要作用。這三個(gè)——主存、控制單元,算術(shù)和邏輯單元——一起工作。讓我們來(lái)看看他們之間的功能和聯(lián)系。與磁輔助存儲(chǔ)設(shè)備,如磁帶、磁盤(pán)相比，主存沒(méi)有移動(dòng)部件。沒(méi)有機(jī)械的運(yùn)動(dòng),數(shù)據(jù)可以以電子的速度被存取訪問(wèn),接近光速。今天大多數(shù)電腦的主存使用DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器)技術(shù)。先進(jìn)的DRAM芯片大約有1/8郵票那么大，大約可以儲(chǔ)存256,000萬(wàn)位或多于25,600,000字符的數(shù)據(jù)。主存儲(chǔ)器,或者主存,提供給處理器的程序和數(shù)據(jù)暫時(shí)的存儲(chǔ)。在可執(zhí)行程序或數(shù)據(jù)可以被處理之前，所有的程序和數(shù)據(jù)必須被從輸入設(shè)備(如VDT)或從輔助存儲(chǔ)(如磁盤(pán))轉(zhuǎn)移到主存儲(chǔ)器。主要的存儲(chǔ)空間總是很少。因此,在一個(gè)程序被執(zhí)行后，它占領(lǐng)的儲(chǔ)藏空間會(huì)被重新分配給另一個(gè)等待執(zhí)行的程序。圖1 1說(shuō)明了所有的輸入/輸出(I / O)“讀”或“用”主要的存儲(chǔ)。圖中(輸入)探討是在VDT上。消息被查詢的形式，是通過(guò)一個(gè)渠道到主存儲(chǔ)器(如同軸電纜)。消息被解釋，處理機(jī)從輔助存儲(chǔ)設(shè)備取出所需的程序和數(shù)據(jù)。程序和數(shù)據(jù)被“裝好”,或移動(dòng),從輔助存儲(chǔ)器到主存儲(chǔ)器。這是一個(gè)無(wú)損閱讀過(guò)程。也就是說(shuō),程序和數(shù)據(jù)被從主要存儲(chǔ)器(暫時(shí)的)和輔助存儲(chǔ)器(永久)中讀取。數(shù)據(jù)根據(jù)程序指令被操作,報(bào)告被從主存儲(chǔ)器寫(xiě)入到打印機(jī)。一個(gè)程序指令或一塊數(shù)據(jù)保存在的特定的主存單元被稱為地址。地址允許程序指令和數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)，訪問(wèn)和加工。每一個(gè)地址的內(nèi)容隨著不同程序的執(zhí)行和新的數(shù)據(jù)的處理是不斷變化的。主存儲(chǔ)器的另一個(gè)名字是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,或RAM。一種特殊類型的主存儲(chǔ)器,稱為只讀存儲(chǔ)器(ROM),不能被程序員改寫(xiě)。ROM的內(nèi)容被制造商作為“只讀”所固化（設(shè)計(jì)在芯片的邏輯上）。當(dāng)你打開(kāi)微機(jī)系統(tǒng),一個(gè)ROM中的程序自動(dòng)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。然后ROM程序初步顯示屏幕提示。ROM的一種變種是可編程的只讀存儲(chǔ)器(PROM)。RPOM是讓用戶能裝載“只讀”的程序和數(shù)據(jù)的ROM。一旦一個(gè)程序被加載到PROM,它簡(jiǎn)直從不改變。然而,如果你需要能夠修改內(nèi)容的PROM，有EPROM,可擦寫(xiě)的PROM。在寫(xiě)操作之前,所有的儲(chǔ)存單元必須被刪除到同樣的初始狀態(tài)。一個(gè)更具有吸引力的形式的主讀存儲(chǔ)器是電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)。在任何時(shí)候都可以寫(xiě)入，不需擦除原先內(nèi)容，且只是更新尋址到的字節(jié)或多個(gè)字節(jié)。EEPROM把非易失性優(yōu)點(diǎn)和可更新、需更新的地方的靈活性結(jié)合起來(lái)，修改時(shí)使用普通的總線控制線、地址線和數(shù)據(jù)線。另一種形式的半導(dǎo)體內(nèi)存是閃存(這樣命名因?yàn)樗俣?。閃存在耗費(fèi)和功能上介于EPROM和EEPROM之間。和EEPROM一樣,閃存使用的是電擦除技術(shù)。整個(gè)閃存在一個(gè)或幾秒鐘內(nèi)可以被消除,這比只讀存儲(chǔ)器快得多。另外,可能消除只是塊的內(nèi)存,而不是整個(gè)晶片。然而,閃存不提供字節(jié)級(jí)的擦除。與EPROM一樣,閃存每位只使用一個(gè)晶體管,所以能達(dá)到EPROM的高密度。高速緩沖存儲(chǔ)器程序和數(shù)據(jù)從輔助存儲(chǔ)裝載到RAM，因?yàn)閺腞AM訪問(wèn)一個(gè)程式指令或者一段數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于從輔助存儲(chǔ)器。從磁盤(pán)存儲(chǔ)器上存取單個(gè)數(shù)據(jù)所花的時(shí)間，可以從RAM中存取幾千條指令或數(shù)據(jù)]。RAM實(shí)質(zhì)上是一種數(shù)據(jù)和程序的高速起降緩沖區(qū)。事實(shí)上,沒(méi)有什么真正發(fā)生在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,直到程序指令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到處理器。這轉(zhuǎn)移到處理器的指令和數(shù)據(jù)可能是費(fèi)時(shí)的,即使在微秒級(jí)速度。為了促進(jìn)指令和數(shù)據(jù)更快的轉(zhuǎn)移,大多數(shù)電腦到處理器被設(shè)計(jì)通過(guò)高速緩沖存儲(chǔ)器。高速緩沖存儲(chǔ)器主要被電腦設(shè)計(jì)師用于增加吞吐量(計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作速率)。像RAM一樣，高速緩存是一項(xiàng)高速起降緩沖區(qū)程序數(shù)據(jù)和指令。然而,緩存存儲(chǔ)器使用靜態(tài)存儲(chǔ)器(靜態(tài)的內(nèi)存)技術(shù),大約有RAM的10倍速度和100倍的花費(fèi)。只有RAM一小部分的內(nèi)存容量，高速緩存只保持下一步可能需要由處理器處理的程序和數(shù)據(jù)。兩種類型的高速緩沖存儲(chǔ)器廣泛應(yīng)用于電腦。第一個(gè)被稱為內(nèi)部緩存和建在中央處理器的芯片。第二個(gè),外部高速緩存,位于靠近CPU的地方。計(jì)算機(jī)可以有幾個(gè)不同層次的高速緩沖存儲(chǔ)器。一級(jí)緩存幾乎總是建成芯片。二級(jí)緩存曾經(jīng)是外部高速緩存,但現(xiàn)在通常像一級(jí)緩存一樣也建到CPU。 總線互連 總線是連接兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備的通信通路?？偩€的關(guān)鍵特征是，它是一條共享傳輸介質(zhì)。 多個(gè)設(shè)備連接到總線上，任一個(gè)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)可以為其他所有連接到總線上的設(shè)備所接收。如果兩個(gè)設(shè)備同時(shí)傳送，它們的信號(hào)將會(huì)重疊，引起混淆。因此，一次只能有一個(gè)設(shè)備成功地（利用總線）發(fā)送數(shù)據(jù)。 典型的情況是，總線由多條通信通路或線路組成，每條線(路)能夠傳送代表二進(jìn)制1和0的信號(hào)。一段時(shí)間里，一條線能傳送一串二進(jìn)制數(shù)字?？偩€的幾條線放在一起能同時(shí)并行傳送二進(jìn)制數(shù)字。例如, 一個(gè)8位的數(shù)據(jù)能在8條總線線上傳送。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包含有多種不同的總線，它們?cè)谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的各個(gè)層次提供部件之間的通路。連接主要計(jì)算機(jī)部件(處理機(jī), 存儲(chǔ)器, I/O)的總線稱為系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線通常由50~100條分立的(導(dǎo))線組成。每條線被賦予一個(gè)特定的含義或功能。雖然有許多不同的總線設(shè)計(jì)，但任何總線上的線都可以分成三個(gè)功能組：數(shù)據(jù)線、地址線和控制線。此外可能還有為連接的模塊提供電源的電源線。 數(shù)據(jù)線提供系統(tǒng)模塊間傳送數(shù)據(jù)的路徑，這些線組合在一起稱為數(shù)據(jù)總線。典型的數(shù)據(jù)總線包含16或32根線，線的數(shù)量稱為數(shù)據(jù)總線的寬度。因?yàn)槊織l線每次傳送1位，所以線的數(shù)目決定了每次能同時(shí)傳送多少位。數(shù)據(jù)總線的寬度是決定系統(tǒng)總體性能的關(guān)鍵因素。 地址線用于指定數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)的來(lái)源和去向。例如，如果處理機(jī)希望從存儲(chǔ)器中讀一個(gè)字的數(shù)據(jù)，它將所需要字的地址放在地址線上。顯然，地址總線的寬度決定了系統(tǒng)最大可能的存儲(chǔ)器容量。 控制線用來(lái)控制對(duì)數(shù)據(jù)線和地址線的訪問(wèn)和使用。由于數(shù)據(jù)線和地址線被所有部件共享，因此必須用一種方法來(lái)控制它們的使用。控制信號(hào)在系統(tǒng)模塊之間傳送命令和定時(shí)信息。定時(shí)信息指定了數(shù)據(jù)和地址信息的有效性，命令信號(hào)指定了要執(zhí)行的操作。 大多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用多總線，這些總線通常設(shè)計(jì)成層次結(jié)構(gòu)。一條局部總線把處理機(jī)連接到高速緩存控制器，而高速緩存控制器又連接到支持主存儲(chǔ)器的系統(tǒng)總線上。高速緩存控制器集成到連接高速總線的橋中。這一總線支持連接到：高速LAN、視頻和圖形工作站控制器，以及包括SCSI 和FireWire的局部外設(shè)總線的接口控制器。低速設(shè)備仍然由分開(kāi)的擴(kuò)充總線支持，用一個(gè)接口來(lái)緩沖該擴(kuò)充總線和高速總線之間的通信流量?？焖偻庠O(shè)部件互連提升性能在過(guò)去的十年里，PCI總線一直是PC機(jī)和服務(wù)器的主流I/O架構(gòu)。PCI傳送由微處理器、網(wǎng)卡、圖形卡和與它相連的其他子系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。然而，隨著計(jì)算元件的速度和性能的提高，PCI的帶寬限制和并行效率低下逐漸成為系統(tǒng)性能的瓶頸。PCI是一種有多個(gè)適配器的單向平行總線體系結(jié)構(gòu)，必須爭(zhēng)奪可利用的總線帶寬。雖然PCI接口的性能幾年來(lái)不斷得到改進(jìn)，但信號(hào)偏離（數(shù)據(jù)位到達(dá)目的地太晚），信號(hào)路由以及無(wú)法降低電壓或提高頻率等問(wèn)題，無(wú)不表明該架構(gòu)走到了盡頭。額外的努力去提高它的性能將會(huì)花費(fèi)很大而且不切實(shí)際，一些賣主，包括業(yè)內(nèi)一些最大最成功的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商，發(fā)起了一項(xiàng)被稱為PCI Express的I/O架構(gòu)（最初被稱為第三代I/O，或3GIO）。PCI Express是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的切換體系結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了高速、CPU和系I/O統(tǒng)之間的雙向鏈接（開(kāi)關(guān)是由主橋連接到CPU上）。每一個(gè)這些鏈接都有一個(gè)或多個(gè)包含四條線的線纜——兩條用來(lái)傳送數(shù)據(jù)兩條用來(lái)接收數(shù)據(jù)。這些線纜的設(shè)計(jì)能使其在低電壓下的使用(導(dǎo)致低力量的使用),減少電磁排放,消除信號(hào)偏離,降低成本自然也提高了性能。在最初的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中, PCI Gbit/秒的速度轉(zhuǎn)移。相比之下,是如今最常見(jiàn)的,提供1 Gbit /秒的吞吐量。PCI Express卡的吞吐量可在四或八線配置(稱為x4和x8),x4 PCI Express卡所能提供的吞吐量高達(dá)20 Gbit/秒，而x8 PCI Express卡所能提供的吞吐量高達(dá)40 Gbit/秒。早期嘗試創(chuàng)建一個(gè)新的PCI架構(gòu)失敗了，這在一定程度上是因?yàn)樗麄冃枰嗟淖兓较到y(tǒng)和應(yīng)用軟件。驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)用程序和管理應(yīng)用均需要被改寫(xiě)。PCI Express的開(kāi)發(fā)人員消除了對(duì)新操作系統(tǒng)支持的依賴，讓PCI兼容的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序無(wú)需改變就能在PCI Express硬件上運(yùn)行。未來(lái)總線開(kāi)發(fā)人員正在提高PCI Express適配器和圖形卡高達(dá)8通道，這種體系結(jié)構(gòu)在將來(lái)能夠支持多達(dá)32個(gè)通道。第一個(gè)光纖通道主機(jī)數(shù)據(jù)適配器被設(shè)計(jì)來(lái)支持四通道而不是八通道,部分原因是由于服務(wù)器開(kāi)發(fā)商已經(jīng)將他們的系統(tǒng)設(shè)置成了四通道插槽,。甚至更大的帶寬是必須的,執(zhí)行一條八通道道設(shè)計(jì)能夠?qū)⑿阅芴岣咭槐?，假如系統(tǒng)中沒(méi)有其他瓶頸。這種可伸縮性加上每個(gè)通道的速度有望加倍，達(dá)到5Gb/s(兆位/秒)，將保持PCI Express 在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)仍然是設(shè)計(jì)師課實(shí)施的方案。PCI Express是PCI 上重大的提高，并且，在它的發(fā)展路上正逐步形成對(duì)PC機(jī)，服務(wù)器的更多的新的標(biāo)準(zhǔn)。它不僅可以降低成本,提高可靠性,但是它也大大提高了性能。應(yīng)用程序如音樂(lè)、視頻流、視頻點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò)電話和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將受益于這些改進(jìn)。 外部接口: SCSI和火線 I/O模塊到外設(shè)的接口必須按該外設(shè)的性質(zhì)和操作來(lái)設(shè)計(jì)改制。接口的一個(gè)主要特性是串行還是并行。在并行接口中，連接I/O模塊和外設(shè)的線有多根，同時(shí)傳送多位，就象在數(shù)據(jù)總線上同時(shí)傳送一個(gè)字的所有位。在串行接口中，只有一條線用于傳送數(shù)據(jù)，每次傳送一位。通常，并行接口用于高速外設(shè)，諸如磁盤(pán)和磁帶。串行接口更常用于打印機(jī)和終端。什么是USB？ 在計(jì)算機(jī)周圍呆過(guò)2到3年以上的人都知道USB試圖解決的問(wèn)題——在過(guò)去，把儲(chǔ)設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)一直是頭痛問(wèn)題！l 打印機(jī)連接到并行打印機(jī)端口，而大多數(shù)計(jì)算機(jī)只有一個(gè)。Zip驅(qū)動(dòng)器那些設(shè)備需要一個(gè)計(jì)算機(jī)的高速連接也將使用并行端口，經(jīng)常很少成功且速度不快。l 調(diào)制解調(diào)器使用串口端口。大多數(shù)計(jì)算機(jī)最多有兩個(gè)串行端口，并且在大多數(shù)情況下，它們是很慢的。l 需要更快連接的設(shè)備有它們自己的卡，這些卡必須插入計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)相符合的卡槽口。遺憾的是，卡槽口的數(shù)目有限，并且你需要一個(gè)博士生為某些卡安裝軟件。USB的目標(biāo)是結(jié)束所有這些頭痛問(wèn)題。通用串行總線給你一個(gè)單一的、標(biāo)準(zhǔn)的、容易用的方法，把多達(dá)127個(gè)設(shè)備連接到一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。把一臺(tái)USB設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)是簡(jiǎn)單的——你只要在你的機(jī)器背后或正面找到USB插頭插入即可。如果它是一個(gè)新設(shè)備，操作系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)到它，并要求該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序盤(pán)。如果該設(shè)備已經(jīng)安裝，計(jì)算機(jī)就激活它并開(kāi)始與它通話。USB設(shè)備可以在任何時(shí)間連接和斷開(kāi)。 一根USB電纜有兩根線用于電源（+5伏和地線），一根雙扭線傳送數(shù)據(jù)，低功率設(shè)備（為鼠標(biāo)）能夠直接從USB總線獲得它們的電源。高功率設(shè)備（為打印機(jī)）有它們自己的電源并從總線獲得極小的電源，單根USB電纜能延伸5米長(zhǎng)；用幾個(gè)集線器，設(shè)備可以離主機(jī)30米（6根電纜）。許多USB設(shè)備有它們自己的內(nèi)部電纜，且該電纜有一個(gè)“A”連接。如果沒(méi)有內(nèi)部電纜的話，那么該 “A”插口上行接向計(jì)算機(jī)l “B”插口下行接到個(gè)別的設(shè)備通過(guò)在上行端口和下行端口使用不同的插口，就不可能搞混亂——如果你把任何USB電纜的“B”插頭連接到一個(gè)設(shè)備，那你知道它會(huì)正常工作。類似地，你可以把任何“A”插頭插入任何“A”插座，并知道它會(huì)正常工作。 　。（高速USB）為多媒體和存儲(chǔ)應(yīng)用提供附加的帶寬。為了使消費(fèi)者和制造商能平滑的過(guò)度，并且也能用為原先的USB制造的電纜和連接器工作。