第2章硬件基礎(chǔ)與體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造。按馮氏定義，計(jì)算機(jī)的基本組成部件可以分為三大類（或子系統(tǒng)），即中央處理單元（CPU，又稱處理器，主要包括運(yùn)算器、控制器）、主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）和輸入/輸出設(shè)備（其中存儲(chǔ)設(shè)備放在本書(shū)第5章中介紹），如圖2-1所示。第2章硬件基礎(chǔ)與體系結(jié)構(gòu)圖2-1計(jì)算機(jī)硬件（子系統(tǒng)）2.1數(shù)字電路計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)可以按照兩個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行分類，即計(jì)算機(jī)使用的能源是什么和在物理上計(jì)算機(jī)是如何表示、處理、存儲(chǔ)和移動(dòng)數(shù)據(jù)的。大部分的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都使用電作為能源，并且使用電信號(hào)和電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的表示、處理和移動(dòng)。2.1.1系統(tǒng)內(nèi)部觀察計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單元通常包含電路板、電源以及存儲(chǔ)設(shè)備等。一些線纜把這些單元連接起來(lái)，如圖2-2所示。相對(duì)于圖示的微型機(jī)機(jī)箱而言，筆記本電腦內(nèi)部的部件被壓縮得很緊密。微型機(jī)的主要部件與小型機(jī)、大型機(jī)甚至巨型機(jī)的部件都很類似。因此，這一章中介紹的大多數(shù)微型機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念也同樣適用于其他類型的計(jì)算機(jī)。2.1.1系統(tǒng)內(nèi)部圖2-2小型機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.1.1系統(tǒng)內(nèi)部圖2-2小型機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.1.2集成電路計(jì)算機(jī)內(nèi)部的大部分電子部件都是集成電路（IC），這是一個(gè)充滿了微小電路器件如電線、半導(dǎo)體、電容和電阻等的很薄的硅晶片，一個(gè)小于1/4in2的集成電路芯片可以含有超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)微小的電路器件。通常集成電路芯片被封裝在陶瓷中，通過(guò)引腳與其他計(jì)算機(jī)部件相連，如圖2-3所示。2.1.2集成電路圖2-3集成電路2.1.3主板主板（圖2-4）是電腦中最重要的部件之一。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，芯片都被安裝在主板電路板上。仔細(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)有些芯片是焊接在主板上的，而另外一些芯片則是插在主板上的。焊接的芯片是永久連接的，而那些能插拔的芯片則可以在需要的時(shí)候進(jìn)行升級(jí)。微機(jī)主板上包含了處理器、內(nèi)存條和基本輸入輸出處理芯片等，大致由以下幾個(gè)部分組成：CPU插槽、內(nèi)存插槽、高速緩存局域總線和擴(kuò)展總線、硬盤(pán)、軟驅(qū)或光驅(qū)、串口、并口等外設(shè)接口、時(shí)鐘和CMOS主板BIOS控制芯片等。通常，購(gòu)買主板部件是不包括CPU和內(nèi)存的。主板上安裝的CPU類型不同，采用的CPU的插座（槽）也就不同，主板的一個(gè)劃分方法就是按CPU插座（槽）的類型進(jìn)行的。圖2-4華碩875P芯片組P4C800主板2.1.3主板2.1.4數(shù)據(jù)傳輸通常，計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線從一個(gè)位置移動(dòng)到另外的位置，數(shù)據(jù)總線由一系列的連接主板上不同電子器件的電子線路組成?？偩€包含數(shù)據(jù)線和地址線。數(shù)據(jù)線傳送表示數(shù)據(jù)的信號(hào)，地址線傳送數(shù)據(jù)的地址，計(jì)算機(jī)依賴這個(gè)地址來(lái)尋找需要處理的數(shù)據(jù)。2.2內(nèi)存在計(jì)算機(jī)中，與處理器直接相連的存放數(shù)據(jù)的器件稱為內(nèi)存，內(nèi)存用來(lái)保存數(shù)據(jù)和程序指令；不直接與處理器相連的介質(zhì)如磁盤(pán)稱為外存。目前主要有四種類型的內(nèi)存，即：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、虛擬內(nèi)存、CMOS存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器（ROM），它們根據(jù)保存的數(shù)據(jù)類型和使用的存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行分類。2.2.1隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（RAM）RAM是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單元內(nèi)在處理前后臨時(shí)性保存數(shù)據(jù)的區(qū)域。例如，當(dāng)輸入一篇文檔時(shí)，輸入的字符并不是立刻就得到處理，它們被保存在RAM中，只有當(dāng)需要的時(shí)候，例如打印，才通過(guò)軟件對(duì)它們進(jìn)行處理。在RAM中，稱為電容的微型電子部件保存著使用ASCII、EBCDIC或二進(jìn)制編碼表示的數(shù)據(jù)的電信號(hào)?？梢孕蜗蟮匕央娙菹胂蟪煽梢源蜷_(kāi)和關(guān)閉的燈泡，充電的電容表示“on”，放電的電容表示“off”。每排電容有8位（1個(gè)字節(jié)），每排RAM地址可以幫助計(jì)算機(jī)定位這一排數(shù)據(jù)。2.2.1隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（RAM）從某種意義上講，RAM就像一個(gè)黑板，可以在黑板上寫(xiě)數(shù)學(xué)公式，擦除它們，再在上面寫(xiě)一個(gè)報(bào)告的大綱……。和它相似，當(dāng)使用電子表格的時(shí)候，RAM可以保存使用的數(shù)字和公式，當(dāng)使用文字處理軟件寫(xiě)文章的時(shí)候，RAM會(huì)保存用戶的文章。RAM的內(nèi)容可以通過(guò)改變電容的狀態(tài)來(lái)改變。由于RAM的內(nèi)容可以改變，所以它是一個(gè)可重復(fù)利用的計(jì)算機(jī)資源。與硬盤(pán)不同，絕大部分的RAM都是不持久的。換句話說(shuō)，如果計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)或者掉電，保存在RAM中的數(shù)據(jù)就會(huì)立刻丟失。2.2.1隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（RAM）RAM保存了等待處理的數(shù)據(jù)，以及將要用于處理數(shù)據(jù)的指令。例如，當(dāng)使用個(gè)人理財(cái)軟件來(lái)結(jié)算賬目時(shí)，輸入要處理的數(shù)據(jù)，它們被存放在RAM中；個(gè)人理財(cái)軟件發(fā)出處理RAM中這些數(shù)據(jù)的指令，處理器使用這些指令來(lái)處理這些數(shù)據(jù)，并將結(jié)果送回RAM；通過(guò)RAM，可以將結(jié)果存到磁盤(pán)上、顯示或打印出來(lái)。除了處理數(shù)據(jù)和軟件指令外，RAM還存放控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本功能的操作系統(tǒng)指令。這些指令在每次啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的時(shí)候被加載到RAM中，一直到關(guān)機(jī)才消失。2.2.1隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（RAM）RAM的存儲(chǔ)容量用MB來(lái)衡量?，F(xiàn)在的微機(jī)通常都有幾個(gè)GB（1GB=1024MB）的存儲(chǔ)容量。計(jì)算機(jī)需要的RAM容量取決于所使用的軟件。通常軟件運(yùn)行所需要的最小內(nèi)存容量都在軟件包裝盒的外面有說(shuō)明。用戶可以根據(jù)自己機(jī)器的情況，通過(guò)購(gòu)買額外的RAM芯片來(lái)擴(kuò)充其內(nèi)存容量。RAM的速度非常重要。處理器一般以很高的速度在工作，但如果它要等待從RAM中讀取數(shù)據(jù)的話，就會(huì)導(dǎo)致速度下降。2.2.1隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（RAM）RAM通常被配置為固定于DIMM（dualin-linememorymodule）小電路板的一系列DIPS芯片上。DIMM帶有金屬“牙齒”的一邊插到主板上特殊的RAM插槽中，這樣就可以很容易替換有缺陷的RAM或者添加RAM容量，如圖2-5所示。2.2.1隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（RAM）圖2-5內(nèi)存條2.2.2虛擬內(nèi)存計(jì)算機(jī)可以使用硬盤(pán)空間來(lái)擴(kuò)充內(nèi)存，這種使用磁盤(pán)空間模擬內(nèi)存的能力被稱為虛擬內(nèi)存。虛擬內(nèi)存使沒(méi)有足夠?qū)嶋H內(nèi)存的計(jì)算機(jī)能運(yùn)行大的程序、操作大的數(shù)據(jù)文件，以及實(shí)時(shí)地運(yùn)行復(fù)雜程序。虛擬內(nèi)存的運(yùn)行速度不如RAM快，計(jì)算機(jī)從虛擬內(nèi)存中檢索數(shù)據(jù)要花費(fèi)更多時(shí)間，因?yàn)榇疟P(pán)是機(jī)械設(shè)備。像RAM中的數(shù)據(jù)一樣，虛擬內(nèi)存中的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)掉電時(shí)也無(wú)法訪問(wèn)。因?yàn)?，雖然在掉電時(shí)虛擬內(nèi)存中的數(shù)據(jù)并不會(huì)從磁盤(pán)上刪除，但是指導(dǎo)計(jì)算機(jī)定位虛擬內(nèi)存的指令存儲(chǔ)在RAM中，在掉電時(shí)會(huì)丟失。因此，即使給計(jì)算機(jī)重新加電，計(jì)算機(jī)仍不能訪問(wèn)原先虛擬內(nèi)存的數(shù)據(jù)。2.2.3只讀存儲(chǔ)器（ROM）存放在ROM中的指令是永久性的，要改變這些指令只有將ROM芯片從主板上取出，使用另外的芯片來(lái)替換。當(dāng)打開(kāi)計(jì)算機(jī)時(shí)，CPU得到電能，開(kāi)始準(zhǔn)備執(zhí)行指令。在ROM中保存了一個(gè)稱為ROMBIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）的小型指令集合，BIOS中的指令告訴計(jì)算機(jī)如何訪問(wèn)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和其他外圍設(shè)備。CPU執(zhí)行ROMBIOS中的指令來(lái)搜索磁盤(pán)上的操作系統(tǒng)主文件，并把這些文件調(diào)入RAM中，進(jìn)行后面的計(jì)算工作。2.2.4CMOS和EEPROM計(jì)算機(jī)只有在將操作系統(tǒng)文件從硬盤(pán)復(fù)制到RAM以后，才能準(zhǔn)備好處理數(shù)據(jù)。而有了硬盤(pán)的格式化信息（如硬盤(pán)的柱面和扇區(qū)數(shù)目等）后，計(jì)算機(jī)才能訪問(wèn)硬盤(pán)上的數(shù)據(jù)。由于有可能對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行升級(jí)或者維護(hù)，所以不能把硬盤(pán)信息等存放在ROM中，必須使用一種靈活的方式來(lái)保存引導(dǎo)數(shù)據(jù)，為此需要一種特殊內(nèi)存，保存信息的時(shí)間比RAM長(zhǎng)，但又可以更改，這就是CMOS。CMOS存儲(chǔ)器（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）只需要極少的電能就可以保持其中的數(shù)據(jù)。由于耗電極低，CMOS芯片利用集成在主板上的電池供電，即使在關(guān)機(jī)后，數(shù)據(jù)也不會(huì)（或者說(shuō)不易）丟失。正因?yàn)槿绱?，位于ROMBIOS芯片載體中的CMOS保存著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置等重要數(shù)據(jù)。2.2.4CMOS和EEPROM現(xiàn)在很多計(jì)算機(jī)都有即插即用的特征，當(dāng)系統(tǒng)配置改變后，例如換了新的硬盤(pán)或者擴(kuò)充了更大的內(nèi)存等，CMOS中的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)更新。由于CMOS技術(shù)需要主板上的小型電池來(lái)供電以維持其中的信息，逐漸地，EEPROM技術(shù)取代了CMOS。EEPROM（電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）是一種非易失存性芯片，它不需要電力就能存放數(shù)據(jù)。在更改計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的配置（例如添加內(nèi)存）時(shí)，EEPROM上的數(shù)據(jù)會(huì)被更新。一些操作系統(tǒng)能識(shí)別這種更改并自動(dòng)完成更新。在計(jì)算機(jī)引導(dǎo)時(shí)按下F1鍵可以訪問(wèn)EEPROM設(shè)置程序，但要注意的是，如果弄錯(cuò)了這些設(shè)置，計(jì)算機(jī)可能就不能啟動(dòng)了。2.2.5地址空間在存儲(chǔ)器中存取每個(gè)字都需要有相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符。盡管程序員使用命名的方式來(lái)區(qū)分字（或一組字的集合），但在硬件層次上，每個(gè)字都是通過(guò)地址來(lái)標(biāo)識(shí)的。所有在存儲(chǔ)器中可標(biāo)識(shí)的獨(dú)立地址單元的總數(shù)稱為地址空間。例如，一個(gè)64K字節(jié)、字長(zhǎng)為1字節(jié)的存儲(chǔ)器的地址空間的范圍為0到65535。2.3中央處理器數(shù)字計(jì)算機(jī)使用一系列的電信號(hào)表示數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)，使用內(nèi)存來(lái)保存數(shù)據(jù)。但計(jì)算機(jī)的主要工作是處理數(shù)據(jù)，即執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、排序、制作文檔等。中央處理器（CPU）是計(jì)算機(jī)中執(zhí)行處理數(shù)據(jù)指令的器件。CPU從RAM中接收數(shù)據(jù)和指令、處理這些指令，再將處理結(jié)果送回到RAM中，處理結(jié)果可以顯示和存儲(chǔ)起來(lái)。2.3.1CPU體系結(jié)構(gòu)以前，計(jì)算機(jī)的CPU非常龐大、不可靠，而且要使用大量的電能。1944年制造的ENIAC計(jì)算機(jī)，有20個(gè)處理單元，每個(gè)處理單元有2in寬，8in高，CPU的尺寸用英尺來(lái)計(jì)量，如圖2-6所示，可是，今天的處理單元使用毫英寸（0.001in）來(lái)度量。2.3.1CPU體系結(jié)構(gòu)圖2-6電子管計(jì)算機(jī)的內(nèi)部2.3.1CPU體系結(jié)構(gòu)大型機(jī)CPU通常包含許多集成電路和電路板，而微機(jī)CPU是一個(gè)稱為微處理器的集成電路（圖2-7），由三部分組成：運(yùn)算邏輯單元、控制器和寄存器，分別執(zhí)行處理數(shù)據(jù)的特定任務(wù)。2.3.1CPU體系結(jié)構(gòu)圖2-7Intel奔騰E2200CPU2.3.1CPU體系結(jié)構(gòu)運(yùn)算邏輯單元（ALU，又稱算術(shù)邏輯單元或運(yùn)算器）執(zhí)行加減等算術(shù)操作，以及比較數(shù)據(jù)是否相等這些邏輯操作。ALU使用寄存器來(lái)保存等待處理的數(shù)據(jù)。在運(yùn)算中，算術(shù)操作或邏輯操作的結(jié)果暫時(shí)存放在累加器中。數(shù)據(jù)可以從累加器被發(fā)送到RAM，或者被進(jìn)一步處理。2.3.1CPU體系結(jié)構(gòu)在CPU控制器的協(xié)調(diào)和控制下，運(yùn)算器得到數(shù)據(jù)，并得知要執(zhí)行的是邏輯運(yùn)算還是算術(shù)運(yùn)算?？刂破魇褂弥噶钪羔榿?lái)跟蹤要處理的指令順序。借助于指令指針，控制器順序地從RAM中取出每個(gè)指令，并將它們放到特殊的寄存器——指令寄存器中。然后，控制器翻譯指令以決定要實(shí)現(xiàn)的操作。按照指令解釋，控制器向數(shù)據(jù)總線發(fā)送信號(hào)，從RAM中取數(shù)據(jù)，并發(fā)送信號(hào)到運(yùn)算器進(jìn)行處理。控制器在很大程度上影響著處理器的處理效率，它要執(zhí)行一系列的指令。寄存器是用來(lái)臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的高速獨(dú)立的存儲(chǔ)單元，CPU的運(yùn)算離不開(kāi)多個(gè)寄存器。寄存器包括數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器和程序計(jì)數(shù)器等。2.3.2指令與指令周期計(jì)算機(jī)通過(guò)執(zhí)行一系列簡(jiǎn)單的步驟（指令）來(lái)完成一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)。指令控制著計(jì)算機(jī)執(zhí)行特定的算術(shù)、邏輯或控制運(yùn)算。一條指令可以分為兩部分：操作碼和操作數(shù)。操作碼就是一個(gè)類似累加、比較或跳轉(zhuǎn)等操作的控制字。指令的操作數(shù)給出了需要處理的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)的地址。例如，在JMPM1這條指令中，操作碼是JMP，操作數(shù)是M1。JMP意味著跳轉(zhuǎn)到另外一條指令，M1是將要執(zhí)行的指令的內(nèi)存地址。指令JMPM1只有一個(gè)操作數(shù)，也有很多指令有多個(gè)操作數(shù)，例如：指令A(yù)DDREG1REG2就包含了兩個(gè)操作數(shù)：REG1和REG2。2.3.2指令與指令周期CPU可以執(zhí)行的指令集合稱為指令集，計(jì)算機(jī)要執(zhí)行的任務(wù)必須由指令集中有限的指令通過(guò)組合而得到。表2-1給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的指令集，計(jì)算機(jī)使用這些指令來(lái)完成所有的任務(wù)。2.3.2指令與指令周期表2-1簡(jiǎn)單指令集2.3.2指令與指令周期“指令周期”是指計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令的過(guò)程。每當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令時(shí)都會(huì)重復(fù)指令周期。指令周期中的步驟是：①獲取指令，②解釋指令，③執(zhí)行指令，④指令指針加1。2.3.3CPU的性能因素集成電路技術(shù)是制造微型機(jī)、小型機(jī)、大型機(jī)和巨型機(jī)CPU的基本技術(shù)，它的發(fā)展使計(jì)算機(jī)的速度和能力有了極大的改進(jìn)。1965年，芯片巨人Intel（英特爾）公司的創(chuàng)始人GordonMoore給出了著名的“摩爾定律”，他預(yù)測(cè)芯片上的晶體管數(shù)量每隔18~24個(gè)月就會(huì)翻一番。讓所有人感到驚奇的是，這個(gè)定律非常精確地預(yù)測(cè)了芯片30年的發(fā)展。1958年第一代集成電路僅僅包含兩個(gè)晶體管，但是1999年奔騰III處理器已經(jīng)包含了950萬(wàn)個(gè)晶體管，而2008年酷睿45納米7200處理器集成的晶體管數(shù)量已經(jīng)達(dá)到4.1億個(gè)。2.3.3CPU的性能因素集成的晶體管數(shù)量越大，就意味著芯片的計(jì)算能力越強(qiáng)。各種CPU的速度并不一樣，它受到以下幾個(gè)因素的制約，即時(shí)鐘頻率、字長(zhǎng)、高速緩沖存儲(chǔ)器，以及指令集的大小。當(dāng)然，使用高性能CPU的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并不意味著它在各方面都能夠提供較高的性能。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也有它的薄弱環(huán)節(jié)，即使計(jì)算機(jī)配備了高性能CPU，但如果硬盤(pán)速度很慢、沒(méi)有高速緩沖，且RAM容量小，則執(zhí)行某些任務(wù)也會(huì)很慢。2.3.3CPU的性能因素（1）時(shí)鐘頻率計(jì)算機(jī)有一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。與保存日期和時(shí)間的“實(shí)時(shí)時(shí)鐘”不同，系統(tǒng)時(shí)鐘用來(lái)定時(shí)發(fā)出脈沖，以控制所有系統(tǒng)操作的同步（節(jié)奏），設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸和指令執(zhí)行的速度或頻率。系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率決定了計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度，限制了計(jì)算機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)所能夠執(zhí)行的指令數(shù)。衡量時(shí)鐘頻率的單位是兆赫（MHz）。最初IBMPC的微處理器的時(shí)鐘頻率是4.77MHz，現(xiàn)在的微處理器的執(zhí)行速度已經(jīng)超過(guò)600MHz。CPU的時(shí)鐘頻率越高，就意味著處理速度越快。2.3.3CPU的性能因素（2）字長(zhǎng)字長(zhǎng)是CPU可以同時(shí)處理的位數(shù)，由CPU寄存器的大小和總線的數(shù)據(jù)線個(gè)數(shù)所決定。例如，字長(zhǎng)為32位的CPU被稱為32位處理器，它的寄存器是32位的，可以同時(shí)處理32位數(shù)據(jù)。字長(zhǎng)較長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)在一個(gè)指令周期中要比字長(zhǎng)短的計(jì)算機(jī)處理更多數(shù)據(jù)。單位時(shí)間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)越多，處理器的性能就越高。比如，最初的微機(jī)使用8位處理器，現(xiàn)在都是64位處理器。2.3.3CPU的性能因素（3）高速緩沖存儲(chǔ)器影響CPU性能的另一個(gè)因素是高速緩沖存儲(chǔ)器（圖2-8），這是一個(gè)特別的存儲(chǔ)器。由于CPU的速度非常快，所以它的大部分時(shí)間都在等待與RAM傳送數(shù)據(jù)。使用高速緩沖存儲(chǔ)器可以使CPU一旦請(qǐng)求就可以迅速訪問(wèn)到數(shù)據(jù)。2.3.3CPU的性能因素圖2-8高速緩沖存儲(chǔ)器2.3.3CPU的性能因素當(dāng)啟動(dòng)某個(gè)任務(wù)的時(shí)候，計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)CPU可能會(huì)需要哪些數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)預(yù)先送到高速緩沖存儲(chǔ)器區(qū)域。當(dāng)指令需要數(shù)據(jù)的時(shí)候，CPU首先檢查高速緩沖存儲(chǔ)器中是否有所需要的數(shù)據(jù)。如果有，CPU就從高速緩沖存儲(chǔ)器中直接讀取數(shù)據(jù)而無(wú)須訪問(wèn)RAM。在其他條件相同的情況下，高速緩沖存儲(chǔ)器越大，處理的速度就越快。2.3.3CPU的性能因素（4）指令集的復(fù)雜性隨著計(jì)算機(jī)指令集的擴(kuò)充，程序員開(kāi)始使用越來(lái)越多的復(fù)雜指令，這些指令占用很多內(nèi)存空間，執(zhí)行它們所需要的時(shí)鐘周期也更多?；谑褂脧?fù)雜指令集的CPU的計(jì)算機(jī)被稱為復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC，complexinstructionsetcomputer）。2.3.3CPU的性能因素1975年，IBM的一位科學(xué)家JohnCocke發(fā)現(xiàn)微處理器中的大部分工作只需要指令集中的一小部分就可以完成。更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，只要CISC的20％的指令就可以完成80％的工作。Cocke的研究結(jié)果導(dǎo)致了精簡(jiǎn)指令集微處理器（RISC，reducedinstructionsetcomputer）的開(kāi)發(fā)。精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)的指令數(shù)量有限，但是這些指令的執(zhí)行速度很快。因此，在理論上，RISC計(jì)算機(jī)要比CISC計(jì)算機(jī)快。有些計(jì)算機(jī)科學(xué)家相信，如果把RISC和CISC技術(shù)綜合起來(lái)能夠制造更有效和更靈活的計(jì)算機(jī)。2.3.4流水線和并行處理單處理器的計(jì)算機(jī)以串行方式執(zhí)行指令，也就是說(shuō)一個(gè)時(shí)刻只執(zhí)行一條指令。通常處理器必須完成指令周期中的四個(gè)步驟后才執(zhí)行下一條指令。使用流水線技術(shù)，處理器就可以在完成上一條指令前開(kāi)始執(zhí)行另外一條指令，加快了處理速度，如圖2-9所示。2.3.4流水線和并行處理圖2-9流水線允許計(jì)算機(jī)同時(shí)處理多條指令2.3.4流水線和并行處理具有多個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)可以同時(shí)執(zhí)行多條指令，并行處理方式增加了計(jì)算機(jī)單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)。能夠執(zhí)行并行處理的計(jì)算機(jī)稱為并行計(jì)算機(jī)，也稱非馮?諾依曼計(jì)算機(jī)。串行操作每次執(zhí)行一條指令；流水線計(jì)算機(jī)在處理完一條指令之前，就開(kāi)始處理下一條指令；并行處理則可以同時(shí)執(zhí)行多條指令。2.3.5現(xiàn)代微處理器Intel公司是當(dāng)今世界上最大的芯片制造商，PC機(jī)中相當(dāng)多的微處理器都是由它制造的。1971年，Intel公司推出了世界上第一個(gè)微處理器4004。Intel的8088處理器曾為早期的IBMPC機(jī)帶來(lái)了強(qiáng)大性能。自從1981年IBMPC機(jī)登上歷史舞臺(tái)以來(lái)，Intel不斷推出為多數(shù)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)商所選用的微處理器。AMD公司（AdvancedMicroDevices）是Intel公司在PC機(jī)芯片市場(chǎng)上最大的對(duì)手，通常AMD處理器要比同性能的Intel處理器便宜，而且在某些方面會(huì)有一些性能優(yōu)勢(shì)。2.3.5現(xiàn)代微處理器摩托羅拉公司和IBM公司曾經(jīng)為蘋(píng)果公司的計(jì)算機(jī)提供大部分芯片，但2005年蘋(píng)果公司轉(zhuǎn)投了Intel陣營(yíng)。IBM為服務(wù)器和其他高性能計(jì)算機(jī)生產(chǎn)基于RISC技術(shù)的POWER處理器。市場(chǎng)上與當(dāng)前一系列計(jì)算機(jī)配套的微處理器基本都能滿足商業(yè)、教育和娛樂(lè)應(yīng)用程序的需求。通常當(dāng)要進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫(huà)游戲、桌面出版、多曲目聲音錄制和視頻編輯等需要大量使用微處理器的應(yīng)用時(shí)，要考慮使用Intel公司或者AMD公司提供的最快的處理器。2.3.5現(xiàn)代微處理器雖然對(duì)計(jì)算機(jī)的微處理器進(jìn)行升級(jí)在技術(shù)層面上說(shuō)是可行的，但是很少有人這樣做。因?yàn)橹挥杏?jì)算機(jī)中所有部件都以高速工作時(shí)，微處理器才能達(dá)到較高功效。有時(shí)我們會(huì)聽(tīng)說(shuō)“超頻”技術(shù)。超頻（overclocking）是指提高計(jì)算機(jī)部件（如處理器、顯卡、主板或內(nèi)存）速度的技術(shù)。在超頻成功后，能將較慢的部件的處理能力提升到與速度更快、價(jià)格更貴的部件相當(dāng)。希望榨取計(jì)算機(jī)所有處理速度的游戲玩家就會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行超頻。但是，超頻是具有風(fēng)險(xiǎn)的，加在部件上的額外的電能也會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。超頻過(guò)的部件可能會(huì)過(guò)熱，甚至可能引起火災(zāi)。為了保持安全的操作溫度，一些玩家會(huì)安裝額外的冷卻系統(tǒng)，有時(shí)會(huì)使用耐用散熱器、大風(fēng)扇、液氧、干冰或其他制冷劑。2.3.6雙核處理器所謂雙核處理器（DualCoreProcessor），簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是在一塊CPU基板上集成兩個(gè)處理器核心，并通過(guò)并行總線將各處理器核心連接起來(lái)，從而提高計(jì)算能力，如圖2-10所示。2.3.6雙核處理器圖2-10雙核之間協(xié)調(diào)2.3.6雙核處理器雙核心并不是一個(gè)新概念，而只是CMP（ChipMultiProcessors，單芯片多處理器）中最基本、最簡(jiǎn)單、最容易實(shí)現(xiàn)的一種類型。其實(shí)在RISC處理器領(lǐng)域，雙核心甚至多核心都早已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。CMP最早是由美國(guó)斯坦福大學(xué)提出的，其思想是在一塊芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)SMP（SymmetricalMulti-Processing，對(duì)稱多處理）架構(gòu)，且并行執(zhí)行不同的進(jìn)程。2.3.6雙核處理器早在上個(gè)世紀(jì)末，惠普和IBM就已經(jīng)提出雙核處理器的可行性設(shè)計(jì)。IBM在2001年就推出了基于雙核心的POWER4處理器，隨后是SUN和惠普公司，都先后推出了基于雙核架構(gòu)的芯片，但此時(shí)雙核心處理器架構(gòu)還都是用在高端的RISC領(lǐng)域，直到Intel和AMD相繼推出自己的雙核心處理器，雙核心才真正走入了主流的X86領(lǐng)域。2.3.6雙核處理器Intel和AMD之所以推出雙核心處理器，最重要的原因是原有的單核處理器的頻率難于提升，性能沒(méi)有質(zhì)的飛躍。因此，Intel在發(fā)布3.8GHz的產(chǎn)品以后只得宣布停止4GHz的產(chǎn)品計(jì)劃；而AMD在實(shí)際頻率超過(guò)2GHz以后也無(wú)法大幅度提升，3GHz成為了AMD無(wú)法逾越的一道坎。正是在這種情況下，為了尋找新的賣點(diǎn)，Intel和AMD都不約而同地使用了雙核心技術(shù)。2.4輸入輸出購(gòu)買計(jì)算機(jī)并使用一段時(shí)間之后，用戶就會(huì)關(guān)心如何對(duì)它進(jìn)行升級(jí)，從而可以不斷擴(kuò)展它的能力。而理解了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入/輸出（I/O），就會(huì)了解如何擴(kuò)充計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。I/O的主要功能就是為微處理器搜集數(shù)據(jù)（輸入），并將處理結(jié)果送到顯示器、打印機(jī)或存儲(chǔ)設(shè)備等（輸出）。數(shù)據(jù)總線一般在RAM和CPU之間傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總線在RAM和外圍設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的路段被稱為擴(kuò)展總線。I/O通常包括了擴(kuò)展總線、擴(kuò)展槽（圖2-11）、擴(kuò)展卡、端口和電纜上移動(dòng)數(shù)據(jù)等內(nèi)容。2.4輸入輸出圖2-11擴(kuò)展槽2.4.1顯示器用于顯示文本和圖像的計(jì)算機(jī)顯示設(shè)備（顯示器）通常屬于輸出設(shè)備。然而，觸摸屏屬于輸入和輸出設(shè)備，因?yàn)樗鼈兡芙邮蛰斎氩@示輸出。目前主流的顯示器有兩種：LCD和LED。液晶顯示器（LCD，圖2-12）通過(guò)過(guò)濾經(jīng)過(guò)一層液體晶狀單元的光線產(chǎn)生圖像。與昔日的CRT顯示器相比，現(xiàn)代的LCD技術(shù)減小了顯示器的大小和重量，并且更加易于閱讀。LCD是筆記本電腦的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。獨(dú)立的LCD稱為“LCD顯示器”或“平板顯示器”。LCD顯示器的優(yōu)點(diǎn)是顯示清晰、輻射低、便于移動(dòng)且結(jié)構(gòu)緊湊。2.4.1顯示器圖2-12LCD顯示器（左）和LED顯示屏2.4.1顯示器透過(guò)LCD的光的來(lái)源被稱為背光。在標(biāo)準(zhǔn)LCD顯示器中，光源通常是一些冷陰極熒光燈管，但這種燈管是不環(huán)保的。現(xiàn)在，背光技術(shù)正逐漸被低功耗的發(fā)光二極管（LED）所替代。使用這種技術(shù)的顯示器稱為L(zhǎng)ED顯示器。顯示設(shè)備可以裝備NTSC（美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)）或HDTV（高清晰電視）線路，這樣就可以從天線或電纜中接收電視信號(hào)了。這項(xiàng)技術(shù)讓用戶能在計(jì)算機(jī)桌面和電視之間切換，使用分割屏幕或畫(huà)中畫(huà)的形式在同一顯示設(shè)備上同時(shí)觀看計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)和電視節(jié)目。2.4.1顯示器顯示器的圖像質(zhì)量取決于屏幕尺寸、點(diǎn)距、視角寬度、響應(yīng)速率、分辨率和色深。屏幕尺寸是從屏幕的一個(gè)角到其對(duì)角的長(zhǎng)度，用英寸度量。屏幕的尺寸各異，小至上網(wǎng)本的11英寸，大到家庭娛樂(lè)系統(tǒng)的60英寸甚至以上（1英寸等于2.54厘米）。點(diǎn)距是度量圖像清晰度的一種方式。點(diǎn)距越小意味著圖像越清晰。從技術(shù)角度來(lái)講，點(diǎn)距是帶有顏色的像素點(diǎn)之間的距離，點(diǎn)距以毫米為單位，而像素是形成圖像的小光點(diǎn)。現(xiàn)在顯示設(shè)備的點(diǎn)距一般為0.23~0.26毫米。2.4.1顯示器顯示設(shè)備的視角寬度指出了觀察者在距離顯示器側(cè)面多遠(yuǎn)的地方仍能夠清晰地看到屏幕圖像。有了170度或更大的視角寬度，就可以在不妨礙圖像質(zhì)量的情況下從多種位置觀看屏幕。響應(yīng)速率是指一個(gè)像素點(diǎn)從黑色變?yōu)榘咨僮兓睾谏璧臅r(shí)間。有著較快響應(yīng)速率的顯示設(shè)備在顯示運(yùn)動(dòng)物體時(shí)圖像也很清晰，基本不會(huì)出現(xiàn)模糊或“拖影”現(xiàn)象。響應(yīng)速率是按毫秒（ms）度量的。對(duì)游戲系統(tǒng)而言，響應(yīng)速率要在5ms或者以下。2.4.1顯示器顯示器可以顯示的顏色數(shù)量稱為色深或位深。大多數(shù)PC機(jī)的顯示設(shè)備能顯示數(shù)百萬(wàn)種顏色。將色深設(shè)為24位（有時(shí)稱為“真彩色”）時(shí)，PC機(jī)可以顯示1600多萬(wàn)種顏色．并且可以產(chǎn)生被視為照片級(jí)質(zhì)量的圖像。屏幕分辨率是指顯示設(shè)備屏幕上水平像素和垂直像素的總數(shù)目。標(biāo)準(zhǔn)分辨率是為4:3的寬高比（寬度略大于高度）優(yōu)化的。而寬屏顯示器的寬高比是16:9，在其稱號(hào)中會(huì)帶有W字樣。HDTV廣播系統(tǒng)使用的分辨率是1280×720（720p）或1920×1080（1080p）。為了HDTV兼容性，請(qǐng)確保自己的計(jì)算機(jī)顯示器能兼容這些分辨率。2.4.1顯示器分辨率越高，文本和其他對(duì)象就顯得越小，而計(jì)算機(jī)就可以顯示更大的工作區(qū)，比如整頁(yè)文檔。分辨率越低，文本就顯得越大，不過(guò)工作區(qū)就會(huì)更小。放大的文本有時(shí)候看起來(lái)會(huì)很模糊，因?yàn)樾枰慌畔袼攸c(diǎn)顯示的字母現(xiàn)在可能需要更多像素點(diǎn)來(lái)填充了。大多數(shù)顯示器都有推薦分辨率，在該分辨率下圖像和文本是最清晰的。除了顯示器外，計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)還需要用圖形電路生成用來(lái)在屏幕上顯示圖像的信號(hào)。“集成圖形”是一種內(nèi)置在計(jì)算機(jī)主板上的圖形電路。第二種選擇是獨(dú)享圖形，就是位于小型電路板上、被稱為圖形卡（顯卡，也稱為視頻卡，圖2-13）的圖形電路。2.4.1顯示器圖2-13顯卡是插在主板上的小型電路板2.4.1顯示器顯卡一般會(huì)含有圖形處理單元和專用的視頻內(nèi)存（顯存）。顯存可以存儲(chǔ)正在處理而未被顯示的屏幕圖像。大量的顯存是進(jìn)行快速的動(dòng)作游戲、三維建模和圖形密集型桌面出版時(shí)快速更新屏幕的關(guān)鍵。除了顯存外，多數(shù)的顯卡還含有專用的圖形加速器技術(shù)以增強(qiáng)其性能。2.4.2擴(kuò)展槽和擴(kuò)展卡在主板上，擴(kuò)展總線終止于擴(kuò)展槽。擴(kuò)展槽是主板上用于固定擴(kuò)展卡并將其連接到系統(tǒng)總線上的插槽。擴(kuò)展卡是一些小型電路板，能夠向計(jì)算機(jī)提供控制存儲(chǔ)器、輸入或者輸出設(shè)備的能力，這是一種添加或增強(qiáng)電腦特性及功能的方法。例如，如果不滿意主板整合顯卡的性能，可以添加獨(dú)立顯卡；不滿意主板所集成聲卡的音質(zhì)，可以添加獨(dú)立聲卡以增強(qiáng)音效；不支持USB2.0或IEEE1394的主板可以通過(guò)添加相應(yīng)的USB2.0擴(kuò)展卡或IEEE1394擴(kuò)展卡以獲得該功能等。2.4.2擴(kuò)展槽和擴(kuò)展卡大多數(shù)微型計(jì)算機(jī)有四到八個(gè)擴(kuò)展槽，在購(gòu)買計(jì)算機(jī)的時(shí)候有些槽就已經(jīng)插上了擴(kuò)展卡?？諗U(kuò)展槽的類型和數(shù)目表明了它的擴(kuò)充能力，主流擴(kuò)展插槽是PCI和PCIExpress。如圖2-11所示，左側(cè)最長(zhǎng)的插槽為ISA插槽，中間白色的為PCI插槽，右邊棕色的插槽為AGP插槽。1）PCI插槽基于PCI（周邊元件擴(kuò)展接口）局部總線，可以提供更快的傳輸速率和64位的數(shù)據(jù)總線。該插槽通常用于顯卡、聲卡、視頻捕捉卡、調(diào)制解調(diào)器或者網(wǎng)卡等。PCI是主板的主要擴(kuò)展插槽，通過(guò)插接不同的擴(kuò)展卡可以獲得目前電腦能實(shí)現(xiàn)的幾乎所有外接功能。2.4.2擴(kuò)展槽和擴(kuò)展卡2）AGP（加速圖形端口）是在PCI總線基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要針對(duì)圖形顯示方面進(jìn)行優(yōu)化，專門用于圖形顯示卡，速率比PCI插槽更快，AGP插槽提供了適合于3-D圖形的高速數(shù)據(jù)傳輸通道。但是，隨著顯卡速度的提高，AGP插槽已經(jīng)不能滿足顯卡傳輸數(shù)據(jù)的速度，AGP顯卡已