一文詳解存儲(chǔ)器訪問(wèn)和總線

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(mǎi)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(pán)，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(pán)以及上百G的固態(tài)硬盤(pán)，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(pán)。

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?？?。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(lèi)，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(xiě)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(xiě)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(xiě)入1。寫(xiě)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(xiě)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(pán)，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(pán)存儲(chǔ)

也就是我們最常見(jiàn)的硬盤(pán)。目前硬盤(pán)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(pán)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(pán)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(pán)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(pán)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(xiě)到磁盤(pán)上，而通過(guò)相反的方式讀回。一個(gè)硬盤(pán)由多個(gè)盤(pán)片組成，每個(gè)盤(pán)片被劃分為磁道，扇區(qū)和最小的單位簇。而每個(gè)盤(pán)面都有一個(gè)磁頭用來(lái)讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)。而硬盤(pán)的馬達(dá)裝置則控制了磁頭的運(yùn)動(dòng)。

1.2.5 虛擬硬盤(pán)（VHD）和固態(tài)硬盤(pán)（SSD）

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，緩慢的磁盤(pán)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(pán)讀寫(xiě)速度太慢，所以一度出現(xiàn)了虛擬硬盤(pán)。就是把一部分內(nèi)存虛擬成硬盤(pán)，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(pán)，但是加載和回寫(xiě)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(pán)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(pán)。我們知道Flash都是與寫(xiě)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(pán)，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(pán)，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(pán)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(pán)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(lèi)，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(zhuān)門(mén)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(lèi)：

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(lèi)，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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(xiě)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(pán)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(lèi)

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(pán)，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(pán)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(pán)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(zhuān)門(mén)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(zhuān)門(mén)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(lèi)，所以一般操作系統(tǒng)都定義了這兩類(lèi)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(xiě)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(pán)的讀寫(xiě)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(xiě)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?，?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(mǎi)/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(lèi)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。