這一篇主要來(lái)介紹存儲(chǔ)區(qū)，總線，以及IO設(shè)備等其他幾大組件，來(lái)了解整個(gè)計(jì)算機(jī)是如何工作的。 這些東西都是看得見(jiàn)摸得著的硬件，平時(shí)我們買電腦時(shí)最關(guān)注的就是CPU的速度，內(nèi)存的大小，主板芯片等等的參數(shù)。

1. 存儲(chǔ)器

前面我們以一個(gè)簡(jiǎn)單通用的計(jì)算機(jī)模型來(lái)介紹了CPU的工作方式，CPU執(zhí)行指令，而存儲(chǔ)器為CPU提供指令和數(shù)據(jù)。 在這個(gè)簡(jiǎn)單的模型中，存儲(chǔ)器是一個(gè)線性的字節(jié)數(shù)組。CPU可以在一個(gè)常數(shù)的時(shí)間內(nèi)訪問(wèn)每個(gè)存儲(chǔ)器的位置，雖然這個(gè)模型是有效的，但是并不能完全反應(yīng)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)實(shí)際的工作方式。

1.1 存儲(chǔ)器系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

在前面介紹中，我們一直把存儲(chǔ)器等同于了內(nèi)存，但是實(shí)際上在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，存儲(chǔ)器系統(tǒng)是一個(gè)具有不同容量，不同訪問(wèn)速度的存儲(chǔ)設(shè)備的層次結(jié)構(gòu)。整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)中包括了寄存器、Cache、內(nèi)部存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)。下圖展示了一個(gè)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次圖。層次越高速度越快，但是價(jià)格越高，而層次越低，速度越慢，價(jià)格越低。

相對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)器的速度是相對(duì)比較慢的。無(wú)論CPU如何發(fā)展，速度多塊，對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)CPU總是一個(gè)稀缺的資源，所以我們應(yīng)該最大程度的去利用CPU。其面我們提到過(guò)CPU周期，一個(gè)CPU周期是取1條指令的最短的時(shí)間。由此可見(jiàn)，CPU周期在很大程度上決定了計(jì)算機(jī)的整體性能。你想想如果當(dāng)CPU去取一條指令需要2s，而執(zhí)行一個(gè)指令只需要2ms，對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)性能是多么大的損失。所以存儲(chǔ)器的速度對(duì)于計(jì)算機(jī)的速度影響是很大的。

對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，總是希望存儲(chǔ)器的速度能和CPU一樣或盡量的塊，這樣一個(gè)CPU周期需要的時(shí)鐘周期就越少。但是現(xiàn)實(shí)是，這樣的計(jì)算機(jī)可能相當(dāng)?shù)陌嘿F。所以在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，采用了一種分層的結(jié)構(gòu)。速度越快的存儲(chǔ)器容量越小，這樣就能做到在性能和價(jià)格之間的一個(gè)很好的平衡。

1.2 存儲(chǔ)技術(shù)

計(jì)算機(jī)的發(fā)展離不開(kāi)存儲(chǔ)器的發(fā)展，早起的計(jì)算機(jī)沒(méi)用硬盤，只有幾千字節(jié)的RAM可用。而我們現(xiàn)在4G，8G的內(nèi)存已經(jīng)隨處可見(jiàn)，1T的大硬盤以及上百G的固態(tài)硬盤，而價(jià)格也比10年，20年前便宜的很多很多。所以我先大概了解下各種存儲(chǔ)技術(shù)。目前存儲(chǔ)技術(shù)大致分為SRAM存儲(chǔ)器、DRAM存儲(chǔ)器、ROM存儲(chǔ)器和磁盤。

1.2.1 寄存器

在上一篇文章的圖中我們有看得CPU內(nèi)部有很多寄存器，而上一張圖也顯示，寄存器在存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)的頂端。它也叫觸發(fā)器，它往往和CPU同時(shí)鐘頻率，所以速度非常快。但是一個(gè)寄存器需要20多個(gè)晶體管，所以如果大量使用，CPU的體積會(huì)非常大。所以在CPU中只有少量的寄存器。而每個(gè)寄存器的大小都是8-64字節(jié)。

1.2.2 RAM隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)

RAM（Read-Access Memory）分為兩類，靜態(tài)（SRAM）和動(dòng)態(tài)（DRAM）。SDRAM比DRAM要快的多，但是價(jià)格也要貴的多。

靜態(tài)RAM： SRAM將每個(gè)位存儲(chǔ)在一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)的存儲(chǔ)單元中，每個(gè)存儲(chǔ)單元是用一個(gè)六晶體管電路實(shí)現(xiàn)的。它的特點(diǎn)是可以無(wú)限期（只要有電）的保持在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)中的一個(gè)（正好可以存放0或1），而其他任何狀態(tài)都是不穩(wěn)定的會(huì)馬上切換到這兩個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)；

動(dòng)態(tài)RAM： DRAM是利用電容內(nèi)儲(chǔ)存電荷的多寡來(lái)代表一個(gè)二進(jìn)制位元（bit）是1還是0，每一bit由一個(gè)晶體管和電容組成。由于在現(xiàn)實(shí)中電容會(huì)有漏電的現(xiàn)象，導(dǎo)致電位差不足而使記憶消失，因此除非電容經(jīng)常周期性地充電，否則無(wú)法確保記憶長(zhǎng)存。由于這種需要定時(shí)刷新的特性，因此被稱為“動(dòng)態(tài)”記憶體。

SRAM相比DRAM速度更快功耗更低，而由于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜占用面積較大，所以一般少量在CPU內(nèi)部用作Cache，而不適合大規(guī)模的集成使用，如內(nèi)存。而DRAM主要用來(lái)作為計(jì)算機(jī)的內(nèi)部主存。

Cache： 目前我們CPU中一般集成了2到3級(jí)的Cache，容量從128K到4M。對(duì)于CPU總的Cache來(lái)說(shuō)，它們的也是和CPU同頻率的，所以理論上執(zhí)行速度和寄存器應(yīng)該是相同的，但是Cache往往用來(lái)存儲(chǔ)一些指令和數(shù)據(jù)，這樣就存在一個(gè)命中的問(wèn)題。當(dāng)沒(méi)有命中的時(shí)候，需要向下一集的存儲(chǔ)器獲取新的數(shù)據(jù)，這時(shí)Cache會(huì)被lock，所以導(dǎo)致實(shí)際的執(zhí)行速度要比寄存器慢。同樣對(duì)于L1，L2，L3來(lái)說(shuō)，速度也是越來(lái)越慢的；

主存： 也就是我們說(shuō)的內(nèi)存，使用DRAM來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是我們目前聽(tīng)的內(nèi)存一般叫DDR SDRAM，還有早期的SDRAM。這是一種同步的DRAM技術(shù)，我們不需要了解他的詳情，只需要知道它能有效的提高DRAM的傳輸帶寬。而DDR表示雙倍的速率，而現(xiàn)在又有了DDR2，DDR3，DDR4，他們的帶寬也是越來(lái)越大。

1.2.3 ROM只讀存儲(chǔ)

前面的RAM在斷電后都會(huì)丟失數(shù)據(jù)，所以他們是易失的。另一方面非易失的存儲(chǔ)器即便在斷點(diǎn)后也能保存數(shù)據(jù)。一般我們稱之為ROM（Read-Only Memory）。雖然這么說(shuō)，但是ROM在特殊的情況下還是可以寫入數(shù)據(jù)的，否則就不能叫存儲(chǔ)器了。

PROM： 可編程ROM，只能被編程一次，PROM包含一種熔絲，每個(gè)存儲(chǔ)單元只能用高電流燒斷一次；

EPROM：可擦寫可編程ROM，有一個(gè)透明的石英窗口，紫外線通過(guò)窗口照射到存儲(chǔ)單元就被清除為0，而對(duì)它編程是使用一種特殊的設(shè)備來(lái)寫入1。寫入次數(shù)1K次；

EEPROM：： 電子可擦除可編程ROM，不需要特殊設(shè)備而可以直接在印制的電路板上編程。寫入次數(shù)10萬(wàn)次；

Flash Memory： 這是我們見(jiàn)到最多的閃存，有NOR Flash、NAND Flash、V-NAND Flash、SLC、MLC、TLC。雖然是基于EEPROM，但是速度上卻要快很多。其中NOR 、NANA Flash大量的使用在U盤，SD卡、手機(jī)存儲(chǔ)上。

ROM在計(jì)算機(jī)中應(yīng)用也比較多，比如我們的BIOS芯片，最開(kāi)始采用PROM，后來(lái)使用EPROM，如果損壞計(jì)算機(jī)就無(wú)法啟動(dòng)了。而目前手機(jī)中也采用ROM來(lái)燒入系統(tǒng)，而RAM作為內(nèi)存，使用Flash Memory作為機(jī)身存儲(chǔ)。

1.2.4 磁盤存儲(chǔ)

也就是我們最常見(jiàn)的硬盤。目前硬盤主流已經(jīng)是500G，1T。轉(zhuǎn)速也在7200轉(zhuǎn)左右。相對(duì)于8G的內(nèi)存，一個(gè)500G的硬盤可以說(shuō)是相當(dāng)?shù)谋阋?。但是?wèn)題在于他的速度非常的慢，從磁盤讀取數(shù)據(jù)需要幾個(gè)毫秒，而CPU時(shí)鐘周期是以納秒計(jì)算。磁盤讀取操作要比DRAM慢10萬(wàn)倍，比SRAM慢百萬(wàn)倍。

相對(duì)于CPU，內(nèi)部存儲(chǔ)的電子結(jié)構(gòu)，磁盤存儲(chǔ)是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)都通過(guò)電磁流來(lái)改變極性的方式被電磁流寫到磁盤上，而通過(guò)相反的方式讀回。一個(gè)硬盤由多個(gè)盤片組成，每個(gè)盤片被劃分為磁道，扇區(qū)和最小的單位簇。而每個(gè)盤面都有一個(gè)磁頭用來(lái)讀取和寫入數(shù)據(jù)。而硬盤的馬達(dá)裝置則控制了磁頭的運(yùn)動(dòng)。

1.2.5 虛擬硬盤（VHD）和固態(tài)硬盤（SSD）

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，緩慢的磁盤速度已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)速度的障礙了。大多數(shù)情況下，你的CPU夠快，內(nèi)存夠大，可是打開(kāi)一個(gè)程序或游戲時(shí)，加載的速度總還是很慢。（關(guān)于程序加載的過(guò)程后面的文章會(huì)講到）。原因就是磁盤讀寫速度太慢，所以一度出現(xiàn)了虛擬硬盤。就是把一部分內(nèi)存虛擬成硬盤，這樣一些緩存文件直接放到內(nèi)存中，這樣就加快了程序訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)的速度。但是他的問(wèn)題是易失的。當(dāng)然你可以保存到磁盤，但是加載和回寫的速度會(huì)隨著數(shù)據(jù)量加大而加大。所以這個(gè)適用于一些臨時(shí)數(shù)據(jù)的情況，比如瀏覽器緩存文件。

而固態(tài)硬盤是最近幾年出來(lái)的，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，價(jià)格也越來(lái)越便宜，越來(lái)越多的人采用SSD+HHD的方式來(lái)搭建系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的速度。其實(shí)SSD在上世紀(jì)80年代就有基于DRAM的產(chǎn)品，但是因?yàn)橐资院蛢r(jià)格而無(wú)法推廣開(kāi)來(lái)。而現(xiàn)在的SSD則是使用Flash Memory。目前市面上最常見(jiàn)的是SLC，MLC，TLC存儲(chǔ)介質(zhì)的固態(tài)硬盤。我們知道Flash都是與寫入次數(shù)限制的。而SLC》MLC》TLC。目前主流的SSD都是使用MLC，比如Intel 520，三星830系列。當(dāng)然目前三星也退出了基于TLC的固態(tài)硬盤，價(jià)格相對(duì)要便宜一些。

1.2.6 遠(yuǎn)程存儲(chǔ)

簡(jiǎn)單可以理解為是將數(shù)據(jù)指令存儲(chǔ)在其他機(jī)器上，比如分布式系統(tǒng)，WebService Server，HTTP Server以及現(xiàn)在炒的火熱的云端存儲(chǔ)。計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相互連接。比較起磁盤，遠(yuǎn)程存儲(chǔ)的速度是以秒來(lái)計(jì)算。

1.3 局部性

通過(guò)上面介紹我們對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器有了一個(gè)了解，并且知道了存儲(chǔ)器層次越高速度越快。那么為什么我們要對(duì)存儲(chǔ)器分層呢？ 分成是為了彌補(bǔ)CPU和存儲(chǔ)器直接速度的差距。這種方式之所有有效，是因?yàn)閼?yīng)用程序的一個(gè)特性：局部性。

我們知道計(jì)算機(jī)的體系是存儲(chǔ)程序，順序執(zhí)行。所以在執(zhí)行一個(gè)程序的指令時(shí)，它后面的指令有很大的可能在下一個(gè)指令周期被執(zhí)行。而一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)被訪問(wèn)后，也可能在接下來(lái)的操作中再次被訪問(wèn)。這就是局部性的兩種形式：

時(shí)間局部性

空間局部性

對(duì)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)，硬件的各個(gè)層次我們都是用了局部性。

硬件：通過(guò)引入Cache存儲(chǔ)器來(lái)保存最近訪問(wèn)的指令數(shù)據(jù)來(lái)提高對(duì)主存的訪問(wèn)速度。

操作系統(tǒng)： 允許是用主存作為虛擬地址空間被引用塊的高速緩存以及從盤文件的塊的高速緩存。

應(yīng)用程序：將一些遠(yuǎn)程服務(wù)比如HTTP Server的HTML頁(yè)面緩存在本度的磁盤中。

以上2段代碼差別只有for循環(huán)的順序，但是局部性卻相差了很多。我們知道數(shù)組在內(nèi)存中是按照行的順序來(lái)存儲(chǔ)的。但是CODE1確實(shí)按列去訪問(wèn)，這可能就導(dǎo)致緩存不命中（需要的數(shù)據(jù)并不在Cache中，因?yàn)镃ache存儲(chǔ)的是連續(xù)的內(nèi)存數(shù)據(jù)，而CODE1訪問(wèn)的是不聯(lián)系的），也就降低了程序運(yùn)行的速度。

2 存儲(chǔ)器訪問(wèn)和總線

前面介紹了存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)技術(shù)和分層，也一直提到CPU從存儲(chǔ)器中獲取數(shù)據(jù)和指令，這一節(jié)就介紹一下CPU和存儲(chǔ)器之間是如何通信的。

2.1 總線

所謂總線是各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束。我們知道計(jì)算機(jī)有運(yùn)算器，控制器，存儲(chǔ)器，輸入輸出設(shè)備這五大組件，所以總線就是用來(lái)連接這些組件的導(dǎo)線。

按照計(jì)算機(jī)所傳輸?shù)男畔⒎N類，計(jì)算機(jī)的總線可以劃分為

數(shù)據(jù)總線： 數(shù)據(jù)總線DB是雙向三態(tài)形式的總線，即它既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器或輸入輸出接口等其它部件，也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，通常與微處理的字長(zhǎng)相一致。我們說(shuō)的32位，64位計(jì)算機(jī)指的就是數(shù)據(jù)總線。

地址總線： 地址總線AB是專門用來(lái)傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲(chǔ)器或I/O端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小。

控制總線：控制總線主要用來(lái)傳送控制信號(hào)和時(shí)序信號(hào)?？刂瓶偩€的傳送方向由具體控制信號(hào)而定，一般是雙向的，控制總線的位數(shù)要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際控制需要而定。其實(shí)數(shù)據(jù)總線和控制總線可以共用。

總線也可以按照CPU內(nèi)外來(lái)分類：

內(nèi)部總線：在CPU內(nèi)部，寄存器之間和算術(shù)邏輯部件ALU與控制部件之間傳輸數(shù)據(jù)所用的總線稱為片內(nèi)部總線。

外部總線：通常所說(shuō)的總線指片外部總線，是CPU與內(nèi)存RAM、ROM和輸入/輸出設(shè)備接口之間進(jìn)行通訊的通路，也稱系統(tǒng)總線。

2.2 控制芯片

前面我面介紹了總線的分類，在我們的簡(jiǎn)單模型中。CPU通過(guò)總線和存儲(chǔ)器之間直接進(jìn)行通信。實(shí)際上在現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)中，存在一個(gè)控制芯片的模塊。CPU需要和存儲(chǔ)器，I/O設(shè)備等進(jìn)行交互，會(huì)有多種不同功能的控制芯片，我們稱之為控制芯片組（Chipset）。

對(duì)于目前的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，控制芯片集成在主板上，典型的有南北橋結(jié)構(gòu)和單芯片結(jié)構(gòu)。與芯片相連接的總線可以分為前端總線（FSB）、存儲(chǔ)總線、IQ總線，擴(kuò)展總線等。

南北橋芯片結(jié)構(gòu)：

北橋芯片，它控制著CPU的類型，主板的總線頻率，內(nèi)存控制器，顯示核心等。它直接與CPU、內(nèi)存、顯卡、南橋相連，所以它數(shù)據(jù)量非常大；

前端總線：是將CPU連接到北橋芯片的總線。FSB的頻率是指CPU和北橋之間的數(shù)據(jù)交換速度。速度越快，數(shù)據(jù)帶寬越高，計(jì)算機(jī)性能越好；

內(nèi)存總線：是將內(nèi)存連接到北橋芯片的總線。用于和北橋之間的通信；

顯卡總線：是將顯卡連接到北橋芯片的總新。目前有AGP，PCI-E等接口。其實(shí)并沒(méi)有顯卡總線一說(shuō)，一般認(rèn)為屬于I/O總線；

南橋芯片，它主要負(fù)責(zé)外部接口和內(nèi)部CPU的聯(lián)系；

I/O總線：連接外部I/O設(shè)備連接到南橋的總線， 比如USB設(shè)備，ATA，SATA設(shè)備，以及一些擴(kuò)展接口；

擴(kuò)展總線：主要是主板上提供的一些PCI，ISA等插槽；

單芯片結(jié)構(gòu)： 單芯片組主要是是取消了北橋，因?yàn)楝F(xiàn)在CPU中內(nèi)置了內(nèi)存控制器，不需要再通過(guò)北橋來(lái)控制，這樣就能提高內(nèi)存控制器的頻率，減少延遲。而現(xiàn)在一些CPU還集成了顯示單元。也使得顯示芯片的頻率更高，延遲更低。

2.3 運(yùn)行頻率

數(shù)據(jù)帶寬 = （總線頻率*數(shù)據(jù)位寬）/ 8

2.3.1 外頻

外頻是建立在數(shù)字脈沖信號(hào)震動(dòng)速度基礎(chǔ)上的。它是CPU與系統(tǒng)總線以及其他外部設(shè)備共同運(yùn)行的速度。我們知道計(jì)算機(jī)中有一個(gè)時(shí)序發(fā)生器來(lái)保證各個(gè)部件協(xié)同工作，而這里說(shuō)的外頻率就是這個(gè)時(shí)序發(fā)生器的頻率。外頻也是系統(tǒng)總線的工作頻率。

2.3.2 頻率和控制芯片

在計(jì)算機(jī)剛開(kāi)始的時(shí)候，CPU和內(nèi)存還有I/O設(shè)置是直接通過(guò)總線連接的而沒(méi)有控制芯片。所有設(shè)備都同步的工作在同一個(gè)總線頻率下。

但是隨著CPU的發(fā)展，CPU速度越來(lái)越塊。但受限于I/O設(shè)備。于是就出現(xiàn)了芯片。他使得I/O總線不在直接和CPU的系統(tǒng)總線相連。這樣就有了2個(gè)不同頻率的總線，這個(gè)芯片實(shí)際起到了一個(gè)降頻的作用，也就相對(duì)于系統(tǒng)總線的分頻技術(shù)。

但CPU速度發(fā)展相當(dāng)快，CPU的速度已經(jīng)高于內(nèi)存運(yùn)行的速度，于是引入了倍頻的概念。CPU在不改變外頻和系統(tǒng)總線頻率的情況下運(yùn)行在更高的頻率。

發(fā)展到后來(lái)，就出現(xiàn)了北橋芯片，而CPU和北橋之前的總線稱為了FSB總線，而內(nèi)存與北橋之前稱為內(nèi)存總線。

2.3.2 分頻和倍頻

分頻：使得I/O設(shè)備可以和較高的外頻協(xié)同工作。比如AGP，PCI總線，運(yùn)行頻率在66MHZ和33MHZ，所以對(duì)于一個(gè)100MHZ的外頻來(lái)說(shuō)，采用2/3或1/3分頻的方式就能使得CPU和外設(shè)同步的工作了。否則設(shè)備可能無(wú)法正常工作。

倍頻： 為了提高CPU頻率又正常的和內(nèi)存進(jìn)行工作，所以產(chǎn)生了倍頻。所以對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)他實(shí)際的頻率是外頻*倍頻。

2.3.3 FSB頻率

前面我們現(xiàn)在已經(jīng)知道CPU和北橋芯片連接是通過(guò)FSB。而FSB頻率表示CPU和北橋芯片之間的工作速度。但是從前面我們就知道FSB的實(shí)際頻率是和外頻一樣的。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，Intel的QDR技術(shù)和AMD的HT技術(shù)，使得CPU在一個(gè)時(shí)鐘周期可以傳送4次數(shù)據(jù)，所以對(duì)于FSB淶說(shuō)雖然工作早外頻的頻率下，但是等效的頻率是外頻的4倍。所以我們說(shuō)的FSB頻率是等效頻率，而不是實(shí)際的工作頻率。隨著技術(shù)的發(fā)展，Intel芯片的FSB有800MHz，1600HMz等等。但隨著北橋芯片的消失，F(xiàn)SB的概率也慢慢遠(yuǎn)去。

2.3.4 內(nèi)存頻率

對(duì)于內(nèi)存頻率我們可以看到，一般包括了核心頻率，總線頻率和傳輸頻率：

核心頻率和外頻類似，是建立在脈沖震蕩信號(hào)上的。

總線頻率就是指內(nèi)存總線的工作頻率。也就是內(nèi)存和北橋芯片之間的工作頻率。

而傳輸頻率類似FSB，是指實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)的頻率。

對(duì)于SDR來(lái)說(shuō)，它的3個(gè)頻率是一致的。而DDR在一個(gè)時(shí)鐘周期可以傳送2次數(shù)據(jù)，所以它的傳輸頻率是核心和總線頻率的2倍。DDR2在DDR的基礎(chǔ)上，采用了4bit預(yù)讀，所以總線頻率是核心頻率的2倍，而DDR3采用了8bit預(yù)讀，總線頻率是核心頻率的4倍。

從下表我們就能看出。所以我們常說(shuō)的DDR3 1600，DDR2 800指的是內(nèi)存的傳輸頻率。相同的技術(shù)還有顯卡的AGP4X，8X，PCIE-8X，16X等技術(shù)。

而隨著FSB速度不斷加快，內(nèi)存的總線頻率組建成為了瓶頸，于是出現(xiàn)了DDR雙通道，雙通道是指芯片擁有2個(gè)內(nèi)存控制器，所以可以使得傳輸速率翻倍。

2.3.5 內(nèi)存總線工作方式

因?yàn)閮?nèi)存總線頻率不同，所以內(nèi)存和CPU之間存在同步和異步兩種工作方式。

同步方式：內(nèi)存總線頻率和CPU外頻相同。比如以前的PC133和P3處理器，他們以同步的方式工作在133MHZ下。而當(dāng)你超頻時(shí)就需要擁有更高總線頻率的內(nèi)存。當(dāng)然也需要北橋芯片的支持。

異步方式：內(nèi)存總線頻率和CPU外頻不同。睡著CPU外頻的提高，內(nèi)存也必須更新，所以出現(xiàn)了異步的方式。比如P4 CPU外頻為200MHz，而內(nèi)存卻可以使用DDR333來(lái)運(yùn)行。同時(shí)異步方式也在超頻時(shí)經(jīng)常使用。一般來(lái)說(shuō)會(huì)有一個(gè)內(nèi)存異步比率。在BIOS中會(huì)有相應(yīng)的選項(xiàng)。

從性能上來(lái)講，同步方式的延遲要好于異步方式，這也是為什么以前會(huì)說(shuō)P4 200外頻的CPU要使用DDR400才能發(fā)揮最大功效。但這也不是絕對(duì)的。比如我的I5處理器CPU外頻工作在100MHz，而我使用的DDR3-1600的總線頻率在200MHz，雖然不同步，但是擁有更高的傳輸速率。所以不能一概而論。

2.3.6 QPI和HT總線技術(shù)

從前面我們知道了FSB對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響很大，1600MHZ的FSB能提供的數(shù)據(jù)帶寬也只有12.8GB/s，所以隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在最新的計(jì)算機(jī)基本都采用了單芯片設(shè)計(jì)，北橋的功能被集成到了CPU內(nèi)部。于是我們前面說(shuō)的FSB也就不存在了。對(duì)于Intel和AMD這2大芯片廠商，分別有自己的技術(shù)來(lái)提高CPU和存儲(chǔ)器以及其他設(shè)備之間的傳輸速率，滿足更高的計(jì)算要求。

QPI： Intel的QuickPath Interconnect技術(shù)縮寫為QPI，譯為快速通道互聯(lián)。用來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片之間的直接互聯(lián)，而不是在通過(guò)FSB連接到北橋。早期20位寬的QPI連接其帶寬可達(dá)驚人的每秒25.6GB，遠(yuǎn)非FSB可比。而隨著技術(shù)發(fā)展，在高端安騰處理中峰值可以達(dá)到96GB/s。

HT：HyperTransport本質(zhì)是一種為主板上的集成電路互連而設(shè)計(jì)的端到端總線技術(shù)，目的是加快芯片間的數(shù)據(jù)傳輸速度。HyperTransport技術(shù)在AMD平臺(tái)上使用后，是指AMD CPU到主板芯片之間的連接總線（如果主板芯片組是南北橋架構(gòu)，則指CPU到北橋）即HT總線。HT3.1理論上可以達(dá)到51.2GB/s。

除此之外，但芯片中的QPI和HT傳輸不需要經(jīng)過(guò)北橋新片，在CPU內(nèi)存除了集成內(nèi)存控制器意外還可以集成PCI-E2.0的圖形核心，使得集成顯卡的核心頻率和數(shù)據(jù)吞吐量大幅提高。

如圖，Core I7處理器外頻只有133MHz， 使用QPI技術(shù)后總線頻率達(dá)到2.4GMhz，而使用DDR3-1600的內(nèi)存，內(nèi)存總線頻率在800MHz。

2.3.7 小結(jié)

這一結(jié)介紹了計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)以及CPU和各個(gè)設(shè)備之間的交互。我們可以看到除了CPU自身的速度之外，總線的速度也影響這計(jì)算機(jī)的整體性能。從發(fā)展的過(guò)程來(lái)看，總線也是一個(gè)分分合合的過(guò)程。從最初的一條總線，到后來(lái)的單獨(dú)出來(lái)的I/O總線，內(nèi)存總線，就是為了提高CPU的效率。而當(dāng)CPU和內(nèi)存速度都發(fā)展到一定階段后，又出現(xiàn)了DDR，雙通道等技術(shù)，在不提高核心頻率的情況下提高了傳輸率。于是又出現(xiàn)了CPU和內(nèi)存間直接總線通信降低延遲的情況。 （從2000年開(kāi)始接觸電腦DIY，一直到07年畢業(yè)，都對(duì)DIY很有興趣，但是隨著電腦越來(lái)越快，目前以及弄不太清楚了，復(fù)習(xí)這些知識(shí)也費(fèi)了我好多時(shí)間。）

3. I/O設(shè)備

前面主要介紹了系統(tǒng)總線和CPU與內(nèi)存之間的通信，最后一部分簡(jiǎn)單介紹一下CPU和I/O設(shè)備是如何通信的。對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)輸入輸出設(shè)備也是五大組件。我們知道相對(duì)于CPU，I/O設(shè)備的工作頻率要慢的很多。比如早期的PCI接口工作頻率只有33MHz，硬盤的IDE-ATA6的傳輸速率也只有133MB/s。而現(xiàn)在的 SATA3接口速率能達(dá)到600MB/s。

3.1 I/O設(shè)備原理

對(duì)于硬件工程師來(lái)說(shuō)，I/O設(shè)備是電子芯片、導(dǎo)線、電源、電子控制設(shè)備、電機(jī)等組成的物理設(shè)備。而對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)，關(guān)注的只是I/O設(shè)備的編程接口。

3.1.1 I/O設(shè)備分類

塊設(shè)備： 塊設(shè)備把信息存放在固定大小的塊中，每個(gè)塊都有自己的地址，獨(dú)立于其他塊，可尋址。例如磁盤，USB閃存，CD-ROM等。

符號(hào)設(shè)備：字符設(shè)備以字符為單位接收或發(fā)送一個(gè)字符流，字符設(shè)備不可以尋址。列入打印機(jī)、網(wǎng)卡、鼠標(biāo)鍵盤等。

3.1.2 設(shè)備控制器

I/O設(shè)備一般由機(jī)械部件和電子部件兩部分組成。電子設(shè)備一般稱為設(shè)備控制器，在計(jì)算機(jī)上一般以芯片的形式出現(xiàn)，比如我們前面介紹的南橋芯片。不同的控制器可以控制不同的設(shè)備。所以南橋芯片中包含了多種設(shè)備的控制器，比如硬盤控制器，USB控制器，網(wǎng)卡、聲卡控制器等等。而通過(guò)總線以及卡槽提供和設(shè)備本身的連接。比如PCI，PCI-E，SATA，USB等。

3.1.3 驅(qū)動(dòng)程序

對(duì)于不同的設(shè)備控制器，進(jìn)行的操作控制也是不同的。所以需要專門的軟件對(duì)他進(jìn)行控制。這個(gè)軟件的作用就是用來(lái)專門和設(shè)備控制器對(duì)話，這種軟件稱為驅(qū)動(dòng)程序。一般來(lái)說(shuō)驅(qū)動(dòng)程序由硬件設(shè)別廠商提供。所以我們有時(shí)會(huì)碰到一些設(shè)備因?yàn)闆](méi)有安裝驅(qū)動(dòng)程序而無(wú)法使用的情況。 而目前的OS總都包含了大量的通用驅(qū)動(dòng)程序，使得我們?cè)诎惭b完系統(tǒng)后不需要在額外的安裝驅(qū)動(dòng)。但是通用的驅(qū)動(dòng)只能使用設(shè)備的基本功能。

驅(qū)動(dòng)程序因?yàn)槭欠遣僮飨到y(tǒng)廠商開(kāi)發(fā)，并且需要被安裝到操作系統(tǒng)并調(diào)用，所以需要有一個(gè)統(tǒng)一的模型來(lái)開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。否則操作系統(tǒng)是無(wú)法操作各式各樣的設(shè)備的。前面我們知道設(shè)備非為兩大類，所以一般操作系統(tǒng)都定義了這兩類設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。

3.1.4 內(nèi)存映射I/O

每個(gè)控制器都有幾個(gè)寄存器和CPU進(jìn)行通信。通過(guò)寫入這些寄存器，可以命令設(shè)備發(fā)送或接受數(shù)據(jù)，開(kāi)啟或關(guān)閉。而通過(guò)讀這些寄存器就能知道設(shè)備的狀態(tài)。因?yàn)榧拇嫫鲾?shù)量和大小是有限的，所以設(shè)備一般會(huì)有一個(gè)RAM的緩沖區(qū)，來(lái)存放一些數(shù)據(jù)。比如硬盤的讀寫緩存，顯卡的顯存等。一方面提供數(shù)據(jù)存放，一方面也是提高I/O操作的速度。

現(xiàn)在的問(wèn)題是CPU如何和這些設(shè)備的寄存器或數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行通信呢？存在兩個(gè)可選方案：

為每個(gè)控制器分配一個(gè)I/O端口號(hào)，所有的控制器可以形成一個(gè)I/O端口空間。存放在內(nèi)存中。一般程序不能訪問(wèn)，而OS通過(guò)特殊的指令和端口號(hào)來(lái)從設(shè)備讀取或是寫入數(shù)據(jù)。早期計(jì)算機(jī)基本都是這種方式。

將所有控制器的寄存器映射到內(nèi)存空間，于是每個(gè)設(shè)備的寄存器都有一個(gè)唯一的地址。這種稱為內(nèi)存映射I/O。

另一種方式是兩種的結(jié)合，寄存器擁有I/O端口，而數(shù)據(jù)緩沖區(qū)則映射到內(nèi)存空間。Pentinum就是使用這種方式，所以在IBM-PC兼容機(jī)中，內(nèi)存的0-640K是I/O端口地址，640K-1M的地址是保留給設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的。（關(guān)于內(nèi)存分布后面文章會(huì)介紹）

對(duì)于我們程序員來(lái)說(shuō)這兩種方案有所不同

對(duì)于第一種方式需要使用匯編語(yǔ)言來(lái)操作，而第2種方式則可以使用C語(yǔ)言來(lái)編程，因?yàn)樗恍枰厥獾闹噶羁刂疲瑢?duì)待I/O設(shè)備和其他普通數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式是相同的。

對(duì)于I/O映射方式，不需要特殊的保護(hù)機(jī)制來(lái)組織對(duì)I/O的訪問(wèn)，因?yàn)镺S已經(jīng)完成了這部分工作，不會(huì)把這一段內(nèi)存地址分配給其他程序。

對(duì)于內(nèi)存可用的指令，也能使用在設(shè)備的寄存器上。

任何技術(shù)有有點(diǎn)就會(huì)有缺點(diǎn)，I/O內(nèi)存映射也一樣：

前面提到過(guò)Cache可以對(duì)內(nèi)存進(jìn)行緩存，但是如果對(duì)I/O映射的地址空間進(jìn)行緩存就會(huì)有問(wèn)題。所以必須有機(jī)制來(lái)禁用I/O映射空間緩存，這就增大了OS的復(fù)雜性。

另一個(gè)問(wèn)題是，因?yàn)榘l(fā)送指令后需要判斷是內(nèi)存還是I/O操作，所以它們需要能夠檢查全部的內(nèi)存空間。以前CPU，內(nèi)存和I/O設(shè)備在同一個(gè)總線上，所以檢查很方便。但是后來(lái)為了提高CPU和內(nèi)存效率，CPU和內(nèi)存之間有一條高速的總線（比如QPI）。這樣I/O設(shè)備就無(wú)法查看內(nèi)存地址，因?yàn)閮?nèi)存地址總線旁落到了內(nèi)存和CPU的高速總線上，所以需要一個(gè)額外的芯片來(lái)處理（北橋芯片，內(nèi)存控制器的作用），增大了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

3.2 CPU和I/O設(shè)備數(shù)據(jù)交換方式

前面已經(jīng)知道CPU通過(guò)內(nèi)存映射的方式和I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)，但是對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)，無(wú)論是從內(nèi)存還是I/O設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，都需要把地址放到地址總線上，然后在向控制總線傳遞一個(gè)READ信號(hào)，還要用一條信號(hào)線來(lái)表示是從內(nèi)存還是I/O讀取數(shù)據(jù)。因?yàn)镮/O映射的內(nèi)存區(qū)域是特定的，所以不存在無(wú)法區(qū)分是內(nèi)存還是I/O操作。目前一共有3種方式進(jìn)行操作：

程序控制I/O： CPU在向I/O設(shè)備發(fā)出指令后，通過(guò)程序查詢方式檢查I/O設(shè)備是否完成工作，如果完成就讀取數(shù)據(jù)，這種方式缺點(diǎn)是CPU在I/O設(shè)備工作時(shí)被占用。

中斷驅(qū)動(dòng)I/O： CPU是稀缺資源，所以為了提高利用率，減少I/O等待。在I/O設(shè)備工作時(shí)CPU不再等待，而是進(jìn)行其他的操作，當(dāng)I/O設(shè)備完成后，通過(guò)一個(gè)硬件中斷信號(hào)通知CPU。CPU在來(lái)處理接下來(lái)的工作，比如讀取數(shù)據(jù)存放到內(nèi)存。但是每次只能請(qǐng)求一個(gè)字節(jié)，效率很低。

DMA： Direct Memory Access利用一種特性的芯片存在于CPU和I/O設(shè)備之間。CPU需要操作I/O設(shè)備時(shí)只需要發(fā)送消息給DMA芯片，后面的事情全部?jī)?nèi)又DMA來(lái)完成，當(dāng)把所需要數(shù)據(jù)放入內(nèi)存后在通知CPU進(jìn)行操作，整個(gè)過(guò)程DMA直接和內(nèi)存總線打交道，而CPU也只需要和DMA芯片和內(nèi)存交互，大大提高了速度。

總結(jié)

這一篇文章介紹了計(jì)算機(jī)組件中的存儲(chǔ)器的分類和工作原理，以及I/O設(shè)別的工作方式。通過(guò)總線將各個(gè)部件連接起來(lái)。我們可以看到計(jì)算機(jī)的發(fā)展不光是CPU，存儲(chǔ)器以及I/O設(shè)備的發(fā)展，總線也是起了非常關(guān)鍵的作用。通過(guò)前2章的介紹，應(yīng)該對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的工作原理有了大概的了解。后面開(kāi)始將主要偏向計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)軟件的工作方式。當(dāng)然這些也是和一些硬件的特性分不開(kāi)的。