第1章 导论

这是一本关于计算机结构和功能的书，其目标是尽可能清晰而完整地介绍当代计算机系统的性质和特征。这项任务颇具挑战性，主要原因有两方面。

首先，从只值几美元的单片机到价值几千万美元的超级计算机，这中间有多种产品都可以称为计算机。多样性不仅表现在计算机的成本上，而且还表现在计算机的体积大小、性能和应用上。其次，计算机技术发展的步伐相当快，绝无停顿。这些发展表现在计算机技术的各个方面，从用于构成计算机部件的底层集成电路技术，到越来越广泛采用的将这些部件组合起来的并行组织技术。

尽管计算机领域内富有多样性并且仍在改变，但始终存在一些基本概念。当然，这些概念的应用依赖于技术的发展状况，以及设计者所要达到的性能/价格目标。本书的目的在于深入地讨论计算机组织与结构的基本原理，并将它们应用到当代计算机设计问题中去。作为介绍性的章节，本章简略地讨论将要采用的描述方法，并对本书其余部分进行概述。

1.1 计算机组织与体系结构

要描述计算机系统，就要清楚地区分计算机体系结构(computcr architccture)和计算机组织(cmputcr。rganizati。n)这两个概念。虽然很难给出这两个术语的定义，但对它们所涉及的领域则存在着共识(见参考文献[VRAN8。]、[SIEW82]和[BELL78a]

计算机体系结构是指那些对程序员可见的系统属性。换句话说，这些属性直接影响到程序的逻辑执行。计算机组织是指实现其结构规范的操作单元及其相互连接。例如’结构的属性包括指令集、表示各种数据类型(例如，整型、字符型)的比特数、输入输出机制以及内存寻址技术。组织的属性包括那些对程序员透明的硬件细节，如控制信号、计算机和外设的接口以及存储器使用技术。

例如，计算机是否有乘法指令是结构设计问题。而这条指令是由特定的乘法单元实现，还是通过重复使用系统的加法单元来实现，则是一个组织问题。决定使用哪种组织需要考虑预期使用乘法单元的频度，考虑两种方案的相对速度，还需要考虑一个特定乘法单元的成本和物理尺寸等因素。

无论过去还是现在，了解结构和组织的差别都是很重要的。计算机制造商往往提供一系列型号的计算机，它们都有相同的结构，但组织却不同。因而，某一系列中不同型号的计算机的价格和性能特点也不相同。一种结构可能存在多年，但它的组织则随着技术的进步而不断更新。这种现象的一个突出例子就是IBM System/370结构，这种结构于1970年推出，包括多种型号。仅有低要求的客户可以购买较便宜的、速度较慢的类型。如果今后要求提高了，可以升级到更贵的、速度更快的类型，从而不必丢弃已经开发的软件。几年来，IBM通过改进技术推出了许多新型号来替代旧的型号，为用户提供高速、低价或二者兼而有之的产品。这些新型号保留了同样的结构，因而保障了用户的软件投资。值得注意的是，Systcm/370体系结构经过几次增强，不但生存至今，而且仍是IBM的旗舰产品。

在被称为微型计算机一类的系统中，体系结构和组织的关系非常密切。技术的更新不仅影响了计算机的组织，还导致了更强大且更复杂的体系结构。通常，越小的机器，新旧两代之间的兼容性要求就越少，因此组织和体系结构设计决策的关系就更加密切。关于它的一个有趣例子是精简指令集计算机(RISC)，本书将在第13章进行深人探讨。

本书介绍计算机组织和计算机体系结构两个方面的内容，或许更强调组织方面的内容。但是，计算机组织的设计必须遵照特定的体系结构规范，所以对组织的深入论述也要求对体系结构有同样细致的考察。

1.2 结构和功能

计算机是一个复杂的系统，当代计算机包含数百万个电子元件，怎样才能清楚地描述它呢？关键就在于认识包括计算机在内的大多数复杂系统的分层性质[SIMO96]。层次系统是一组互相关联的子系统，每个子系统又在结构上分层，直到分成最基本的子系统。

复杂系统的层次特性是设计和说明它们的基础。设计者每次只需处理某个特定的层即可，每一层由一组部件及其相互关系组成。每一层的行为仅依赖于其下一层更为简单的抽象特征。在每一层上，设计者关心的是结构和功能.。

结构：部件相互关联的方式。

功能：作为有关结构组成部分的各个部件的操作。

根据描述，有两种选择：由底层开始建立完整的描述；或者从顶层开始将系统分解成各个子部分。许多领域的事实证明，由顶至下的方法是最清晰并且最有效的方法[WEIN75]。

本书采用的方法也遵循这一观点，将自顶向下地描述计算机系统。从系统的主要部件开始，描述它的结构和功能，然后逐级深入推进到体系中的低层。这一部分的其余章节将为这种逐级推进的描述提供简短概述。1.2.l 功能

从本质上来说，计算机的结构和功能运作都很简单。图1.1描述了计算机能够完成的基本功能，概括起来有4项：

数据处理

数据存储

数据传送

控制

计算机当然能处理数据，数据可以有多种形式，处理的要求也是很广泛的。但是数据处理的基本方法或类型只有几种。

存储数据也很重要。即使简单地处理数据(即数据输入并处理，结果直接输出)，计算机也必须在某个特定的时刻存储它正在运算的数据值。因此，计算机至少要有短期数据存储功能。计算机的长期数据存储功能也同样重要。存储在计算机内的数据文件可用于以后的检索或更新。

计算机必须能在它自身与外界之间传送数据。计算机操作环境包含了作为数据源或目标的设备。当由直接与计算机相连的设备接收数据或向其发送数据时，这个过程称为输入输出(I/O)，这个设备称为外围设备(pcripheral)。当数据传至远处，或从远方设备接收时，这个过程称为数据通信。

，必须对这3种功能进行控制。这种控制功能最终是由给计算机提供指令的人来施加的。在计算机系统中，控制器根据这些指令管理计算机的资源，并协调各个功能部件的操作方式。

在这种通常讨论的级别上，能够完成的操作非常少。图1.2描述了4种可能的操作类型。计算机作为数据传送设备(如图1.2(a)所示)，只需简单地将数据从一个外设或通信线路传到另一个。计算机同样可作为数据存储设备(如图l。2(b)所示)，将数据从外部环境传送到计算机存储器(读)，反之亦然(写)。的两个图表示涉及计算机中的数据处理操作，数据或者在存储器中(图1.2(c))，或者在存储器与外部环境之间的路径中(图1.2(d))。

前面的讨论似乎过于概括，即使在计算机结构的较高层，区分许多不同的功能仍是可能的。但是，这里可以引用参考文献[smw82]中的一段话：

“为适应功能而改变计算机结构的情况很少发生。计算机的通用性是根本’所有的功能专门化均发生在编程阶段，而不是设计阶段。”

1.2.2 结构

图1.3是对计算机尽可能简单的描述。计算机是以某种方式与其外部环境交互的实体。概括地说，与外部环境的所有连接可以划分为外围设备和通信线路。后面将会讨论这两种连接。

本书最关心的是计算机本身的内部结构，它在图1.4中以高层表示，有4种主要的结构组件。

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