1.6 计算机体系结构

计算机体系结构定义了计算机系统的设计思路和功能。微型计算机的组件被设计为可以彼此交互，并且这种交互在整个系统的运行中起着重要的作用。

1.6.1 微型计算机的组成

标准微型计算机由CPU、总线、存储器、并行输入/输出（Input/Output，I/O）接口、串行I/O接口、可编程中断和直接存储器访问（Direct Memory Access，DMA）等部分组成，图1-16为微型计算机的组成。

图1-16 微型计算机的组成

CPU是计算机的“大脑”，负责接收各输入设备的数据，将数据处理成信息并传送至存储器和输出设备。CPU主要由算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU）、寄存器和控制单元构成。

ALU的功能是执行算术运算，如加法、减法、乘法、除法以及与、或、非等逻辑运算，ALU示意如图1-17所示。

图1-17 ALU示意

控制单元的功能是控制I/O设备，产生控制信号给计算机的其他组件，如读/写信号、执行指令等。信息从内存传输到寄存器，然后寄存器将信息传递给ALU进行算术或逻辑运算。

微处理器与CPU的功能一样。如果将ALU、寄存器和控制单元封装在一个IC中，则该单元被称为微处理器，否则该单元被称为CPU。在本书中不对两者进行区别。

1.6.2 CPU架构

目前，CPU主要有两种架构：复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）和精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。

CISC以Intel公司、AMD公司的X86 CPU为代表。80×86 CPU也称作CISC，包含了早期Intel公司CPU的指令。CISC的主要特点有：①大量的指令；②多种寻址模式；③可变长度的指令；④大多数指令可以操纵内存中的操作数；⑤控制单元微程序（微码）。

RISC以Acorn公司的ARM、IBM公司的IBM Power为代表，其设计的初衷是针对CISC CPU复杂的弊端，选择一些可以在单个CPU周期完成的指令，以降低CPU的复杂度，将复杂性交给编译器。因为指令很简单，所以RISC的一个优点是可以非常快地执行它们的指令。另外，与CISC芯片相比，RISC芯片需要的晶体管更少。RISC的主要特点有：① 所有指令的长度都相同（可以轻松解码）；② 大多数指令可在一个机器时钟周期内执行；③ 控制单元为硬连线；④ 很少的寻址模式；⑤ 大量的寄存器。

CISC和RISC的主要区别见表1-14。具体地，CISC和RISC有以下区别。

表1-14 CISC和RISC的主要区别

① 指令系统：RISC设计者把主要精力放在经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色，对不常用的功能，常通过组合指令来完成，因此，在RISC上实现特殊功能时，效率可能较低，需要利用流水线技术和超标量技术来改进和弥补；CISC的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能,因此，处理特殊任务效率较高。

② 存储器操作：RISC对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC的存储器操作指令多，操作直接。

③ 程序：RISC汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序设计相对容易，效率较高。

④ 中断：RISC在指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC只能在一条指令执行结束后响应中断。

⑤ CPU：RISC架构的CPU包含较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC架构的CPU包含丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。

⑥ 设计周期：RISC微处理器结构简单、布局紧凑、设计周期短，且易于采用最新技术；CISC微处理器结构复杂、设计周期长。

⑦ 用户使用：RISC微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。

⑧ 应用范围：由于RISC指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC更适合专用机；而CISC则更适合通用机。

1.6.3 计算机总线

计算机总线是计算机各部件之间传递信息的基本通道，一般由多条连线组成，传输同一类信息。微型计算机最常见的总线是地址总线、数据总线和控制总线。

1.地址总线

地址总线用于传输地址的信息。地址通常由CPU提供，所以地址总线一般为单向传输。地址总线通过2ⁿ定义存储器IC中可寻址位置的数量，其中n为地址总线的数量。如果地址总线由3条线组成，则有2³=8个可寻址的存储单元，如图1-18所示。地址总线的数量直接决定了CPU可以访问的最大存储单元数。

图1-18 具有3条地址线和4条数据线的存储器

2.数据总线

数据总线用于传递数据信息。此处的“数据”为广义数据，既可以是一般意义上的数据（如送往打印机的打印数据），也可以是指令代码（如将磁盘上的程序加载到内存），还可以是状态或控制信息（如外部设备送往CPU的状态信息）。数据总线可双向传输，CPU既可以向其他部件发送数据，也可以接收来自其他部件的数据。

3.控制总线

控制总线用于传送控制信号。如CPU向内存或I/O接口电路发出的读/写信号、I/O接口电路向CPU发送的用于同步工作的联络信号等。部分控制信号如下。

读信号：从存储器或I/O设备读取信息。

写信号：用于将数据写入存储器。

中断：表示一个中断请求。

总线请求：用于设备向计算机请求使用总线。

总线允许：授予请求设备使用计算机总线的权限。

I/O读/写：用于读取或写入I/O设备。

1.6.4 CPU结构

Architecture表示架构、结构，这个词用于CPU的时候有两层意思：CPU架构，指大的层面，分为两类——CISC和RISC；CPU结构，层面较小，指CPU接受和处理信号的方式及其内部元件的组织方式。目前，CPU结构主要有两种类型：冯·诺依曼结构和哈佛结构。

冯·诺依曼结构又称为普林斯顿（Princetion）体系结构，如图1-19所示。1945年，冯·诺依曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制原理，后来，在这种概念和原理的基础上设计的电子计算机系统统称为“冯·诺依曼结构”计算机。

图1-19 冯·诺依曼结构

在冯·诺依曼结构中，指令和数据共享同一总线。在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤：指令获取、指令译码和指令执行，这种结构使信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高。冯·诺依曼结构是现代计算机的基础，现在大多数计算机仍是冯·诺依曼结构计算机。

哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，如图1-20所示。CPU首先从程序指令存储器读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再从相应的数据存储器读取数据，并进行下一步操作。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。

图1-20 哈佛结构

哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。由于程序指令和数据指令是分开组织和存储的，所以执行指令时可以预先读取下一条指令。但哈佛结构复杂，对外围设备的连接与处理要求高，十分不适合外围存储器的扩展。所以，早期通用CPU难以采用这种结构。目前，使用哈佛结构的CPU有很多，除了Microchip公司的PIC系列芯片，还有Motorola公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11等。

两种结构的最大区别是程序空间和数据空间是否为一体。早期的微处理器大多采用冯·诺依曼结构，典型代表是Intel公司的X86微处理器，取指令和取操作数都在同一总线上，通过分时服务的方式进行。缺点是在高速运行时，不能同时取指令和取操作数，从而形成了传输过程的瓶颈。哈佛结构由于芯片内部程序空间和数据空间分开，允许同时取指令和取操作数，从而大大提高了运算能力，典型应用以DSP和ARM为代表。

在结合两者特点的基础上出现了改进型哈佛结构，如图1-21所示，其结构特点为：① 使用两个独立的存储器（程序存储器和数据存储器），分别存储指令和数据，每个存储器都不允许指令和数据并存；② 具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储器，公用数据总线则被用来完成程序存储器或数据存储器与CPU之间的数据传输；③ 两条总线由程序存储器和数据存储器分时复用。

图1-21 改进型哈佛结构

改进型哈佛结构应用范围很广。虽然51单片机的程序指令存储和数据存储是分开的，但总线是分时复用的，所以属于改进型哈佛结构。现代的处理器虽然从外部总线上看为冯·诺依曼结构，但是由于内部缓存的存在，已经类似改进型哈佛结构。