10·第1章计算机概要与技术 硬盘 处理器带散热器DIMM电池插槽主板 带散热器DVD 驱动器 的风扇内存插槽 的风扇 驱动器 图1-7图1-5中笔记本电脑的内部 左下方具有白色标签的闪亮盒子是-个1O0 CB SATA硬盘驱动器，右下方那个闪亮的金属盒子则是DVD驱 动器。它们两个之间的洞是笔记本电脑电池的位置。电池洞上的那个小洞则是存储器DMM。图1-8是DMMs 的一个特写图， 它会从笔记本电脑的底层被插入。在电池洞和DVD驱动器的上方是-一个印制电路板(P℃ 板)，也被称为主板，它包含了计算机的大多数电子器件。本图上半部分的两个闪亮的圈是两个具有覆膜的风 扇。处理器就是左边风扇的下面的那个大的突起的矩形。本图版权属于OtherWorldComputing.com。 装题 图1-8打开笔记本电脑底部所看到的内存 PDG 主存在左边一块或多块小板子上，右边是存放电池的空间。DRAM安装在这些小板子（叫做DIMM, dual inline memory module,双列直插内存模块)上并插人连接器。本图片由OtherWorldComputing com提供
第1章计算机概要与技术·11 处理器是主板上最活跃的部分。它严格按照程序中的指令运行，将数字相加，测试结果，并 按结果发出控制信号使/0设备作出动作。处理器上面有风扇和散热器（见图1-7的左边)。有 时候人们把处理器称为中央处理器，即CPU。 为进一步理解硬件，图1-9展示了一款微处理器的内部细节。处理器从逻辑上包括两个主要 部件：数据通路和控制器，分别相当于处理器的肌肉和大脑。数据通路负责完成算术运算，控 制器负责指导数据通路、存储器和/0设备按照程序的指令正确执行。第4章将对数据通路和 控制器进一步详细说明。 HTHY.链路I慢速VO保险线 128-bit FPU 读取 L1数据 2MB 512KB 储 4 12t57 执 萄 L3ǖ（标 L2 型指 解 转移 北桥 > 核4 核3 HT PHY,链路4假速VO保险丝 图1-9 AMD Barcelona微处理器内部 左边是AMD Barcelona微处理器芯片的显微镜照片，右边是该处理器包含的主要模块。图中的芯片由4个处 理器构成，或称四核(core)处理器。而图1-7中笔记本电脑的每个芯片由2个核构成，称为Intel Core2Duo。 在处理器内部使用的是另外一种存储器一缓存⑧。缓存是一种小而快的存储器，一般作为 DRAM的缓冲。cache采用的是另一种存储技术，称为静态随机访问存储器(SRAM)⑧，其速度 更快而且不那么密集，因此价格更贵（见第5章）。 读者可能已经注意到，在软件和硬件的描述上有一个共同点：越是深入，展示的信息就越 多；反过来，将低层的细节隐藏起来，就可以在高层次描述上采用较简洁的模型。使用“分层” 或“抽象”⑧的方法，是设计复杂计算机系统的一种主要技术。 最重要的抽象之一是硬件和底层软件之间的接口。鉴于其重要性，该抽象被命名为计算机 的指令集体系结构⑧，或简称体系结构(architecture)。计算机体系结构包括了程序员正确编写二 进制机器语言程序所需的-一切东西，如指令、V0设备，等等。一般来说，操作系统需要封装VO 操作、存储器分配和其他低级的系统功能细节，以便应用程序员无需在这些细节上分心。提供给 中央处理器单元(central processor unit):也被称为处理器，处理器是主板上最活跃的部分。它严格按程序中的 指令运行，将数字相加，测试结果，并按结果发出控制信号使/0设备动作等。 数据通路(datapath):是处理器中执行算术操作的部分。 目 控制器(control)：处理器中根据程序的指令，指挥数据通路、存储器和V0设备的部分。 缓存(cache memory):缓存是一种小而快的存储器，一般作为大而慢的存储器的缓冲。 国静态随机访问存储器(static random access memory):一种存储器的集成电路，但是更快，比DRAM集成度低。 因 抽象(abstraction):一种掩盖底层计算机系统细节的模型，为了方便构建复杂的系统，暂时(temporarily)是不 PDG 可见的。 ⊕ )指令集体系结构(instruction set architecture):也叫体系结构。是低层次软件和硬件之间的抽象接口，包含了需 要写机器语言程序正确运行的所有信息，包括指令、寄存器、存储访问和V0等
12·第1章计算机概要与技术 应用程序员的基本指令集和操作系统接口合称为应用二进制接口©(ABI)。 计算机体系结构可以让计算机设计者独立地讨论功能，而不必考虑具体的硬件。例如，我们 讨论数字时钟的功能（如计时、显示时间、设置闹钟)时，可以不涉及时钟的硬件（如石英晶 体、IED显示、按钮)。计算机设计者将体系结构与体系结构的实现°分开考虑也是沿着同样的 思路：硬件的实现方式必须依照体系结构的抽象。这些概念产生了另一个重点。 重点 无论硬件还是软件都可以分成多个层次，每个较低的层次把细节对上层隐藏起来。硬件设 计者和软件设计者都用这种抽象原则来应对计算机体系的复杂性。计算机体系结构是抽象层次 中的一个关键接口—一一硬件和底层软件之间的接口。这一抽象接口使得同一软件可以由成本不 同、性能也不同的实现方法来完成。 1.3.4数据安全 目前为止，我们已经理解了如何输入数据，如何使用这些数据进行计算，以及如何显示结 果。然而，-一旦关掉电源，所有数据就丢失了，因为计算机中的内存是易失性的°。与之不同的 是，如果关掉DVD游戏机的电源，所记录的内容将不 会丢失，因为它采用的是非易失性存储器⑧。 为了区分易失性存储器与非易失性存储器，我们 将前者称为主存储器⑧(main memory或primary memo- y),将后者称为二级存储器公(secondary memory)。 DRAM自1975年起在主存储器中占主导地位，而磁 盘©自1965年起在二级存储器中占主导地位。在所有 服务器和工作站中的非易失性存储器都是磁盘。闪存⊙ 也是一种非易失性存储器，主要用于手机，目前在音 乐播放器甚至笔记本电脑中正在逐步取代磁盘。 如图1-10所示，磁盘通常由多个盘片组成，盘片 以每分钟5400~15000转的速度绕轴高速旋转。金属 盘片两面涂有磁性材料，相似的材料用在录音带或录 影带上。为了读写硬盘上的信息，一个装有小线圈的 活动臂紧靠两边盘面，称为“读写头”(read-write head)。整个驱动内部是密封的，使读写头更加靠近 盘面。 图1-10具有10张盘片的磁盘及其读写头 硬盘的直径通常为1~3.5英寸。为了满足新产品的需要，硬盘直径越来越小，工作站、服 务器、台式机、笔记本电脑、掌上电脑以及数码相机等新产品不断采用新型硬盘。一般来说，硬 曰应用二进制接口(application binary interface):用户部分的指令加上应用程序员调用的操作系统接口，定义了二 进制层次可移植的计算机的标准。 e 实现(implementation):遵循体系结构抽象的硬件。 )易失性内存(volatile memory):类似DRAM的内存，仅在加电时保存数据。 国非易失性内存(nonvolatile memory)：在掉电时仍可保持数据的内存用于存储运行间的程序，例如磁盘。 )主存储器（main memor町y):也叫主要存储器。这个存储器被用来保持运行中的程序，在现代计算机中一般由 DRAM组成。 因 二级存储器(（secondary memory):非易失性存储器，用来保存两次运行之间的程序和数据；在现代计算机中， PDG 一·般由磁盘组成。 田磁盘(magnetic disk):也叫硬盘(hard disk),是使用磁介质材料构成的以旋转盘片为基础的非易失性存储设备。 ①闪存(flash memory):一种非易失性半导体内存，价格和速度均低于DRAM,但比磁盘要快
第1章计算机概要与技术·13 盘的尺寸越大性能越高，而尺寸越小单位价格越低，每GB©的最佳成本不同。大多数的硬盘驱 动器都安装在计算机内部（如图1-7所示），也有一些硬盘驱动器通过外部接口连接（如USB)。 由于磁盘采用了机械部件，因而其访问速度远远低于DRAM,磁盘为5~20毫秒，而DRAM为 50~70纳秒，比磁盘快约100000倍。但是，相同容量的磁盘价格要比DRAM便宜得多，因为磁盘存储 器的制造成本低于集成电路的制造成本。在2008年，每GB的磁盘价格比DRAM便宜30~100倍。 因此，磁盘和主存有三个主要差别：磁盘是非易失性的，因为它使用磁介质；磁盘的访问速 度慢，因为它是机械装置；磁盘每GB价格相对较低，因为它容量很大，价格适当。 曾经有许多人试图发明一种新型存储技术，价格比DRAM便宜，而速度比磁盘快，但是大 多都失败了。那些挑战者从来没能在正确的时机拿出产品。在挑战者的新产品发布时，DRAM和 磁盘取得了更大的进步，而且成本相应地大幅度下降，导致挑战者的产品立即变得过时。目前闪 存是这一技术领域的一个重要的挑战者，它属于半导体存储器，像硬盘一样是非易失性的，并具 有与其相近的带宽，而时延比硬盘快100~1000倍。闪存在音乐播放器、数码相机中的应用已经 很普遍了，因为它体积小、更稳定、功耗低，尽管在2008年的时候它相对硬盘每GB价格贵6~ 10倍。与硬盘和DRAM不同的是，闪存具有写100000~1000000次后老化损坏的弱点。因此， 文件系统必须记录写操作的数目，而且具备避免存储器损坏的策略，例如避免移动经常使用的 数据。第6章将更详细地介绍闪存。 除了硬盘和闪存之外，目前还有几种正在应用的外存技术： ·光盘（包括CD、DVD)是最常见的可移动外存。蓝光(BluRay Disk,BD)是继DVD之 后的下一代光盘格式标准。 ·基于闪存的可移动存储卡，通常采用USB接口，用于文件传输。 ·磁带，只能提供慢速串行传输，一直用于磁盘备份，现在常用冗余磁盘代替。 光盘的工作原理与磁盘不同。CD通过在光盘表面烧制小坑（直径约1微米）的方法来记录 数据。在读取CD时，使用激光照射CD表面，通过检测反射光来判定该处是一个坑还是平面。 DVD采用同样的技术，只不过激光可以聚焦多层，并大大减小每个坑的面积，从而具有更大的 容量。蓝光则使用波长更短的激光进一步压缩每个坑的面积，从而增加存储的容量。 个人计算机上的光盘刻录机使用激光烧坑，速度相对较慢，刻录过程需要几分钟(CD全 片)至几十分钟(DVD全片)。因此大量生产时一般采用压制技术，每片的成本只有几美分。 可擦写的CD或者DVD使用一种特殊的记录表面，这个表面具有结晶层、反射材料；所形 成的坑不像一次性的CD或者DVD那样形成反射。为了擦写CD或者DVD,其表面被加热，然后 慢慢冷却，使用一种退火工艺使得表面的记录层恢复它的晶体结构；对于只读磁盘一被用来 发布软件、音乐、电影一其磁盘成本和记录成本都低很多。 1.3.5与其他计算机通信 我们已经介绍了如何输人、计算、显示和保存数据，但对于今天的计算机来说，还有一项不可 缺少的功能：计算机网络。如图1.4所示，处理器被连接到存储器和V0设备。通过网络，计算机 可以与其他的计算机通信，从而扩大计算能力。当今网络已经十分普遍，逐步成为了计算机系统的 主干。一台新型计算机如果没有网络接口将是十分可笑的。联网的计算机具有如下几个主要优点： ·通信：在计算机之间高速交换信息。 ·资源共享：有些/0设备可以由网络上的计算机共享，不必每台计算机都配备。 ⊙GB(gigabyte)：一般是1073741824(20)字节，尽管一些通信和二级存储系统将其重新定义成1000000000 (10°)字节。相似的，根据上下文，megabyte也就是22”或者106字节
14·第1章计算机概要与技术 ·远距离访问：用户可以不必在计算机的旁边，而是在很远的地方使用计算机。 根据传输速度以及信息传输的距离，通信代价随之增长，网络的传输距离和性能是多种多 样的，最为普遍的网络类型是以太网。它的传输距离可达到1000公里，传输速率可达到10Gb- ps。近距离范围之内通信使用局域网S(local area network,LAN),跨州、跨省通信则用广域网e (wide area network,WAN)。广域网可支持万维网(World Wide Web),作为因特网的骨干网，以 光纤为基础并向通信公司租用。 在过去的25年间，因为广泛的使用和性能的大幅度提升，网络已经改变了计算的方式。在20 世纪70年代，个人很难接触到电子邮件，网络和Wb还不存在，物理上的邮件介质磁带成为传输 两地之间大容量数据的主要载体。局域网根本不存在，几个少数存在的广域网限制了容量和访问。 随着网络技术的进步，网络变得越来越便宜，速度越来越快。在二十多年以前，第一个标准 局域网的最大带宽为10Mhps,支持数十台计算机的共享工作。今天，局域网技术已能提供从 lO0Mbps~10Gbps的带宽。光通信技术已经使广域网有了类似的发展，从几百Kbps到Gbps的 带宽，支持几百台到几百万台计算机与全球网络互连。网络规模的飞速扩大，伴随着带宽的急剧 增长，使得网络技术成为最近二十多年来信息革命的中心。 最近十年来，新的联网创新变革了计算机通信的方式。广泛使用的无线技术和笔记本电脑 相结合，加上原本用来生产无线电的廉价的半导体(CMOS)技术被用来生产存储器和微处理器 使得价格大幅度降低。当前无线通信技术，IEEE标准802.11，支持从1Mbps到近100Mbps的传 输速率。无线技术和基于线路的网络相当不同，因为所有的用户在最近的区域里共享电波。 小测验 半导体DRAM和磁盘存储有很大差别。试从易失性、访问时间和价格三方面进行比较。 1.3.6处理器和存储器制造技术 处理器和存储器正在以难以置信的速度在进步，因为计算机设计者一直采用最新的电子技 术进行设计，以期在竞争中取得优势。图1-11描述了不断进步的各种新型技术，包括其出现的 时间和性价比。1.7节探讨了1975年以 年份 计算机中使用的技术 相对性能/单价 来支持计算器工业发展的技术和在可预 1951 真空管⊙ 见的未来技术的发展趋势。因为这些技 1965 品体管 35 术确定了计算机能够做什么，以及以多 1975 集成电路 900 1995 大規模集成电路 快的速度发展变化。我们相信，所有计 2400000 2005 超大规模集成电路 6200000000 算机专业人员应该熟悉集成电路的基础 知识。 图1-11 随着时间发展和技术进步，计算机 技术的性价比不断增长 晶体管⑧仅仅是一种受电流控制的开 资料来源：Computer Museum,Boston,其中2005年的数据是由 关。集成电路(IC)是由成千上万个晶 作者进行的预测。见光盘中的1.10节。 体管组成的芯片。为了描述这些晶体管从几个增长到成千上万的情形，形容词“超大规模”被 添加到术语中，简写为VLSI,即大规模集成电路⊙。 集成度的增长率是相当稳定的。图1-12表示自1977年以来DRAM容量的发展情况。近二十 ⊙局域网(local area network):-种在一定地理区域，例如在同一栋大楼内使用的传输数据的网络。 白广域网(wide area network):一种可以区域能扩展到一片大陆那么大范围的网络。 真空管(vacuum tube):一种电子元件，是晶体管的前身，因工作的电极封装在5~10厘米长的真空玻璃管中而 得名，使用电子束传输数据。 @ 晶体管(transistor）：一种由电信号控制的简单开关。 大规模集成电路(very large~scale integrated circuit):由数十万到数百万晶体管组成的电路