1.6　深入学习计算机体系结构

1985年，Intel推出了80386 CPU芯片，1990年，Microsoft推出了Windows 3.0充分利用了386提供的编程模式，获得了巨大的成功。从那个时候开始，个人电脑（PC）得到越来越多的使用，它的核心部件，CPU、芯片组和内存，在摩尔定律的推动下，不断改进，给我们带来了性能越来越强，系统越来越简化的电脑。但实际上，计算机技术的发展，并不像电脑产品广告宣传中那样的一日千里。核心的计算机程序运行原理，计算机的体系结构，基本没有变。我们只需要掌握关键的系统架构变革，所有的计算机产品，在我们眼里，就简化了。这不但让我们可以轻松识别各种计算机产品所处的年代，针对性维护维修；也让我们可以轻松组合各类计算机配件，组装出一台电脑而不出错。今天，让我们来看看，电脑过去的发展历史，并展望一下未来电脑的模样。首先，我们要简单学习一下电脑的原理。

1.6.1　原理：和时间一起跳舞

刚刚接触电脑的用户一定会发出很多疑问：例如，电脑是如何工作的？为什么一通电就会自动做这些工作？各个部件是如何协调的？为了解答这些疑问，可以将比较形象地将电脑比喻为一个企业或工厂的管理者。

电脑一通电就像管理者早上去上班，简单清理一下办公室，然后拿起工作计划（系统程序）。然后按工作计划的安排，一项一项的执行工作。有些工作（应用程序）需要用到电话；有些工作需要用到打印机（系统资源）。他发出了打印命令后，打印机就开始工作；他也不等待打印的结束，拿起电话就叫了一个人进来谈工作，这个时候，打印还在继续。这就是表面上的多任务处理，实际上他是一项一项的执行的。我们一边打字，一边听音乐，表面上，电脑在同时运行Word和mp3播放程序，实际上，在某一个很细微的时间段，电脑要么执行Word程序，要么播放mp3音乐。

这个工作原理，和我们工作时候的情况也非常雷同。我们正在和来访的客人谈话，这个时候，有人敲门进来，说：请签个字。这种打断现在工作的情况，专业的计算机术语，叫中断。每个人都有很强的中断处理能力，签完字，转头对客人说，刚才我们谈到……这在计算机里面，也是有一个中断处理完毕，恢复当前任务的过程。

想象一个工厂，还有它的厂长，因为他发出的一条条指令，整个工厂按照这些最高指示，有条不紊地一车间生产轱辘，二车间生产车身，三车间装配。电脑系统也是一个大工厂，因为电脑核心CPU的一条条指令（程序），显卡显示器显示文字，声卡播放音乐，网卡从网上下载电影，也是有条不紊的运行着。

一个忙碌的工厂，有时候我们会有一种感觉，仿佛所有的工作都按一定的音乐节拍运行；而电脑中的电子器件，也是在一种音乐节拍的指挥下，一拍一拍完成自己的规定动作。这个音乐节拍，在计算机中的术语叫做：时钟频率。其实，所有的电子器件，远没有我们想象中聪明，它只会在系统给他的时钟频率下，一个节拍一个节拍运行，像一只青蛙，碰它一下，它才会跳这么一下。比如，我们认为最强的电子器件——电脑的核心：CPU，也只不过是在一定的时钟节拍下，按规律运行。我们可以想象：第一个节拍来了，它从内存中调入一条指令；又一个节拍来了，它翻译解释这条指令；第三个节拍来了，他执行这条指令……，CPU就这样一条一条的执行指令（程序），构成了它全部工作的内容。而给他指定指令（程序）的人类，才是真正最聪明的。CPU一个节拍一个节拍的工作，好像很笨很慢的样子，实际上，CPU时钟频率的参数是MHz，也就是说，一秒钟，提供一百万个节拍。现在的电脑，CPU的频率至少是1个GB。也就是说：每一秒钟，提供10亿个节拍。大家想想，每秒钟可以执行多少条指令，所以，这台电脑，同时运行三四个程序，我们根本感觉不到他是不同时间片执行不同的程序。所以说，在CPU执行指令的架构不变的情况下，它的主要技术参数就是时钟频率，越高，理论上每秒执行的指令数越多，CPU性能就越好。在做体操的时候，我们人按时间节奏每秒钟最多能完成十几个动作。和电脑比起来，我们真的是太慢了。人类的伟大之处或许就在这里，她总能发明一些可以超越自己的其他器件，弥补自己的不足。我们的大脑有想象力，也许，这就是我们和电脑的最大区别。

1.6.2　x86指令集，难以撼动的PC兼容性标准

明白了计算机指令运行的时间原理，我们第二个需要知道的是今天我们电脑运行的指令，是一个兼容了30多年前指令的“古老”指令。

兼容性原理，很简单的解释，就是：从奥托到奥迪，不管是啥样的汽车，一定要兼容我们驾驶汽车的习惯。电脑中最简单的案例就是键盘了，QWERT字母的排列方式，从我们敲击键盘合理频率角度来看，未必是最科学的，也未必是对我们手腕健康最有利的，但是，一开始，键盘就这个样子了。你要是生产出一个不兼容的，更科学的键盘来看看，未必销售得动。

计算机系统也是这样，当年，IBM PC发明的时候，选中Intel 8086系列作为CPU，PC上众多的软件就开始使用了被称为“x86”系列的指令集，Intel自己发展出了80386，80486，Pentium系列CPU，AMD等公司开发了Althon等CPU，这些CPU，都要兼容这些软件的使用习惯，一定要100％兼容最初的x86指令集。

一定要兼容它，就产生了标准，x86指令集标准。也许这个标准不是最好的，但是，他已经成为一种标准事实，很难挑战。假设说，我们想挑战纸张的标准，使用一种更符合我们中国人手捧着阅读的纸型，但是，选用特殊的纸型，生产成本太高了，独家使用成本更高，很难得到普及，所以，人们总是尽量在标准纸型中选择自己需要的。一样的，成千上万的软件采用x86指令集，这些软件的价值，造就了x86指令集的价值。几十年来，很多公司、很多优秀的计算机科学专家，想挑战这个标准，他们提出了很多、更科学、更有效率的指令集，但是，都没有一个新的标准能像x86指令集这样被人们在PC上应用得这样广泛。

就是x86指令集的发明者Intel，也想挑战自己，推出了安腾系列CPU，采用所谓的并发模式，理论上，效率比Pentium、Core系列CPU高很多。可惜，依然处在应用的摸索阶段。所以在这个世界上，建立一种标准太重要了。小公司做技术，大公司做标准。大家都看好未来3G市场的前景，纷纷推出了3G标准，都号称自己是最好的，一旦谁的标准被国家采用，它的钱景一定不错。所以，我们就常常看到各种各样的标准之争，有时候，我们消费者就可能会成为这些争论的受害者。

兼容性最大限度的保护消费者的投资，比如，我们的VCD坏了，购买了一台新的DVD，如果DVD不兼容VCD，我们的光盘，就统统作废了。所以，DVD要获得成功，就必须兼容VCD。当然，DVD不兼容VCD，恐怕也未必有人购买。

所以我们常常要做的事情是，模仿与提高：提出自己的标准，兼容绝大多数已经非常流行的标准，在此基础上提升质量。

标准和我们的生活息息相关。读者可以环顾周围的各种标准产品，觉得真的是有点道理，这些标准，都未必是最好的解决方案，但是它够用了，它推广开了，它成了标准。存在的，都是合理的。

1.6.3　要致富，先修路：总线的作用

CPU运行的时候，从内存中读取数据，内存中的数据，有很多需要从硬盘中来……CPU，内存和硬盘，都连接在主板上。除了CPU，主板，内存构成的基本系统之外。电脑还有显卡、声卡、网卡、电视卡等各种设备。这些设备之间的通讯，就成了电脑设计者必须要考虑的一个问题。如果把这些设备想象成一个个城市，那他们之间的连接，就成了城市间的公路了。这种电脑内部部件之间通信和数据传输的连接公路，我们有一个专用名词，叫总线，总线有多种分类，如图1-28所示，用户简单理解其功能即可。

最开始，我们顺手设计了一条乡村公路，美其名曰：工业标准架构：ISA。开始的时候，这条公路上只能跑1个字节（1 Byte）的数据，后来才增加到2个字节（2 Byte，16 bit），可是，这条公路的设计速度，实在是太慢了，5MHz，也就是每秒传输数据2*5=10MB/s，这个数据，今天看来，实在是太可怜了。

随着计算机技术的发展，计算机操作系统从DOS进入Windows 3.1时代，要求电脑能显示2D的图案，可是ISA接口的显卡，根本完不成任务。假设，我们要求在当时640*480的屏幕上画16位色彩图，也就是今天大多数手机上的标准，就需要640*480*16*60/8/1024/1024，大约35MB/s。这条公路，必须重新建设。新的公路，名字叫PCI，今天，我们掀开任何一台电脑，看到主板上的白色插槽，就是所谓的PCI接口了。这条新的公路，4条车道（4Byte 32位），设计速度33.3MHz，也就是每秒吞吐量4*33.3=133MB，也就是我们今天所说的PCI总线带宽：133MB/s。

到了Windows 98时代，133MB/s的速度，对3D显卡来说，又不够用了。于是，我们给显卡设计了一个区别于PCI总线的专用通道，名字叫AGP，自己一个人享用266MB/s带宽。后来，3D显卡要求，越来越高，AGP通道的速度，也越来越快，我们意外的发现，原来，这种点对点的高速公路设计，可以让数据传输速度这样快。

时间到了2005年，这个时候，我们开始用上了千兆网卡，也就是，1000 Mb/s的速度，要求125MB/s的带宽，要知道，PCI这条公路上，除了网卡之外，还有声卡这样的设备，难道，不让人家跑啊。咋办？在PCI总线出来过后，我们已经积累了很多的公路设计和建设经验，摩尔定律的推动，也让芯片中有了更多的晶体管供我们使用，可以设计出更精巧的系统来。大家看看高速公路，采用隔离的手段，只许单向通行，通行的速度大大提高了。新一代的PCI-E总线，也采用了差不多的原理。即使只用一条通道，我们的设计速度，就可以达到250MB/s，当然，高速公路肯定是双向的，我们一条高速公路PCI-E X1就可以达到500MB/s的速度。依此类推，2条道的高速公路，PCI-E X2可以达到1GB/s的速度；PCI-E X4，2GB/s；PCI-E X8，4GB/s；PCI-E X16，8GB/s。

这么快的速度，30多年前，设计ISA的工程师恐怕很难想象得到，甚至10多年前的PCI设计者，也未必能够想到。今天的我们，能不能推想未来的总线速度呢？

这要和电脑的应用要求说起，比如，就一般常规的办公加上网的应用，PCI+AGP足够了。但还是有很多专业的用户，他们需要在电脑上，得到电影般的视觉享受，进行大数据量的工业设计，就需要PCI-E X16的高速度。同时，这个速度，可以满足将来我们在客厅安装高清多媒体电脑，享受数字化生活带来乐趣的要求。

1.6.4　CPU从单核到多核

计算机由CPU、主板芯片组和内存芯片等几块芯片构成性能核心，在一定的“频率节拍”下协同工作。在PC发明后的30多年里，科学家和工程师提升计算机性能只做了两件事情：一个是不断提升单块芯片的运行速度，另一个是不断开发出新的连接总线，提高各个芯片间的数据交换速度。

电脑产品，之所以给人变化很快，眼花缭乱的感觉，主要就是这个电脑的核心：CPU不断升级所致，实际上，虽然不断升级，其实还是兼容最先的工作模式，虽然支持CPU的芯片组也不断变化，不过是连接芯片间的高速公路发生了变化。我们只需要了解这种变化趋势，从386开始，到几代Pentium，到现在的Core i7……所有的CPU，就一目了然了。电脑CPU从386时代开始进入32位编程模式时代。之后，一直根据摩尔定律，不断集成更多器件，不断提升运行速度。

486=386+387+L1 Cache——486的设计上并没有多大提高，只是在386的基础上，集成了数学协处理器80387的功能，第一次在CPU内部集成了L1 Cache一级缓存。相对于386时代将这两个器件放在主板上，集成在CPU中后，CPU运行速度大大提高了。

Pentium，也就是人们俗称的586，引入所谓超标量技术，只是执行x86指令速度变快了。这次小小的变革还是比较成功的。以前总要几个指令周期才能执行完一条指令，现在只需要一个时钟周期，就可以执行完大多数指令了。

Pentium II=Pentium+L2Cache+MMX指令集——为了提高效率，Pentium II一方面引进了MMX指令集，另外一方面，把二级缓存和CPU核心做在了一块电路板上。摩尔定律没有停下它的脚步，后来生产工艺的进步，在Pentium III时代，采用Socket 370接口的Pentium III甚至把二级缓存直接集成在了CPU内部。当然，采用了预取指令技术，也是提高指令运行效率的办法之一。为了让CPU的频率过1GHz，后期Pentium III还采用了10级流水线的架构。后来Intel上瘾了，在Pentium 4时代，甚至有31级流水线结构的CPU。

从这个变革路线上可以看出，基本上都只是利用摩尔定律产生出来的更多晶体管，想办法提高指令运行速度。CPU架构上，并没有多大变革。当然，具体来说，Pentium Pro开始，Pentium II，……都用的是P6架构，Pentium II=Pentium+L2Cache+MMX指令集。只是一种简单说法。

到今天CPU厂商推出双核心以及多核心CPU，这是一次比较大的变革。

386相对286而言，32位编程模式，是早期一个比较大的变革。这之后，工程师只是拼命提升单个CPU的性能，并达到了4GHz以上这样的速度，但计算机早就进入了多任务时代，再快的CPU也只能一条一条运行指令，一个应用程序运行的时候，其他应用程序就只有等待。只不过速度快，分时间片运行，我们不大感觉得出来。但如果CPU内部采用双内核协调运行，就可以两个应用程序同时运行了，提高了多任务的运行性能。这种简单的办法，把两个CPU内核融合在一个CPU芯片里面，通过一定的协调机制，虽然不能达到理论上的性能提升一倍，但CPU运行效率却是大大提高了。在单核心CPU时代，主板必须具有两个或多个CPU插槽（图1-29），这对主板的制作工艺是不小的挑战，同时也会增加主板的制作成本。

多核心CPU是指在一个CPU中集成两个或多个CPU核心（图1-30），多核CPU比单核CPU的性能有很大的提升，和双CPU一样，双核心功效的发挥只是操作系统来协调，普通应用程序的开发和运行模式没有变化，这可以让所有的应用程序顺利升级到多核心时代，没有额外升级成本而提高了系统的性能。相对而言，这是一个了不起的创新和改进。就像当年486 DX2这种CPU一样，Intel通过倍频技术，让芯片组运行在低频率上，而让CPU运行在高频率上，来提升系统的运行效率。获得巨大成功，现在的CPU频率都比外部总线FSB快几倍，就是这样开始的。这一次，同样的故事差不多出现了。

虽然，因为没有出现新的并行编程模式，我们不觉得这次可以称为多大的编程变革。不过，我们还是可以期待通过芯片组优化，Windows系统优化的多核系统给我们带来更高的性能。当然，我们更可以期待未来出现并行编程模式的新系统架构CPU，让CPU性能再次得到飞跃。

伴随电脑核心性能提升，核心数目的变化，CPU的接口也在不断变化，而连接CPU和其他电脑配件芯片组，也在不断变迁，提升性能。

1.6.5　计算机架构整体变化不大

芯片组在电脑（PC）系统中的重要地位无需质疑。芯片组，内存和CPU一起构成电脑基本系统，决定了电脑的性能和基本功能。回顾这些年来的芯片组的发展历程，我们也能从其中看出一些电脑发展的规律来。这对我们对比电脑性能，选购合适电脑，预测未来电脑应该具备的功能均有帮助。

1.芯片组架构差不多十年才有点变化

回顾，对比搭配Pentium时代的TX，BX芯片组到810/815……845，865，到915/925，……还有最近几年的P35，P45，P55的变化，我们可以发现，在BX时代系统架构稳定后，系统整体的架构变化并不是很大，只有两次小小的变革。

传统的芯片组一般由架构图上南北两块芯片组成，所以也分别被称为南桥北桥芯片。i80440BX是Intel的经典产品，一度确立了Intel公司在芯片组领域的超级大国地位，如图1-31所示，其架构如下：

发展到8X5芯片组架构体系的时候，有了一点变化，最典型的就是，PCI总线再也不是连接南北桥的总线了。因为PCI总线133MB/s的带宽实在是不堪重负，南北桥之间有了自己的直接通道。在右图中北桥MCH和南桥ICH（I/O Control HUB）之间有了自己的专用通道，而PCI总线，地位退居二线。为了提高硬盘，网络等设备的速度，它们都和PCI总线一样，直接接入I/O控制中心的南桥中了。

另外一次架构的变化，发生在8X5芯片组，过渡到9X5芯片组时代，特点是为了支持下一代总线架构：PCI-E。如图1-32所示，MCH北桥和显卡的连接总线，由AGP变成了PCI-E x16。这个结构特点，直到前几年推出的P35和P45，甚至7系列芯片组（P7X系列的简称）都没有打破。只不过CPU自然融合了MCH北桥芯片。

和8X5系列芯片组对比，在稳定的总体架构下，北桥PCI-E x16代替了AGP成为高档显卡的新接口。同样，PIC-E x1接口，出现在了南桥上。PCI接口，虽然还在，但是逐渐地走向了末路。不过，因为PCI接口历史悠久，支持设备众多，而且，对于低速设备完全够用了。我们相信，PCI接口会长期存在，不会像ISA总线一样，被很快淘汰。说了这么久的系统架构，我们来看一个系统实物。如图1-33所示，这是任意从市场上选购回来的Intel芯片组主板的实物照片，上北下南，覆盖了两个散热器的芯片，分别是芯片组的南桥和北桥芯片。而北桥芯片右边的CPU插座，拉开就可以安装一个的双核心Core i系列CPU。这三块重要的芯片，决定了一台电脑的基本性能。所以，聪明的电脑专家，就通过组合主板和CPU的搭配，来针对不同的需求，组装不同的电脑。

直到Intel前几年推出的最新架构P4X系列芯片组，也没有打破目前主流的CPU，MCH，ICH的三芯片架构。但聪明的读者，可能也会发现，在系统架构图中，CPU和北桥芯片，只有一个接口，他们两个可以很轻松的整合到一起，构成2芯片系统结构，进而简化系统，获得更好的系统性能。这确实是目前的发展趋势，并且在2012年发布的P7X系列芯片组中已经实现了。我们后面会讲到。

不能说，这些年就没有涌现一些新的技术，在整体架构不变的情况下，下列技术还是带给了我们惊喜。

（1）SATA：不管我们如何努力，连接硬盘和光驱的PATA接口都达不到更高的速度，当我们改用串行技术SATA接口之后，速度得到了极大的提高。除了速度上的创新之外，连线更少的SATA使得电脑机箱内更简洁。对我们来说，安装更方便。很多电脑爱好者早就烦了机箱内绕来绕去的硬盘和光盘线缆。对电脑管理人员和发烧友来说，可以更简单的RAID，也是非常令人开心的事情。

（2）PCI-E：前面已经提到了，速度更快的PCI-E总线逐步代替有点老态的PCI总线也是大势所趋。它提供的高带宽，使得显卡有了更大的发展空间。

另外，USB，IEEE1394接口不断提升速度，逐步取代串并口这些低速设备。总的来说，新技术促进系统变革，系统变革给新技术的应用留下空间。在摩尔定律的推动下，我们的电脑向着速度更快、集成更多、系统更简化的方向发展。

2.芯片组推动计算机速度更快

这是大家所熟知的计算机整体架构，包括CPU和芯片组的发展趋势。

（1）不断支持频率更高的CPU出现。

（2）更高的FSB频率提升CPU效率。

（3）更快的南北桥接口。

（4）更快的内存接口，从PC100走向了DDR II 800，DDR III……

（5）从10/100M网卡走向了千兆网卡。

（6）ATA33/66到SATA 2.0的高速度。

3.集成更多

系统主板会越来越多的集成基本设备，比较典型的现在有：

（1）声卡。AC’97到现在的高保真标准，这让独立的声卡产品，只存在于专业领域。

（2）显卡。目前绝大多数芯片组的北桥，已经集成了功能够用的显卡芯片（GPU）。从目前的趋势看，估计五六年后，独立显卡也会退守到工作站级别的专业电脑中。

（3）网卡。如今千兆网卡也集成在主板上了。独立的网卡，只用来升级个别老的电脑。

4.系统更简化

新技术的出现，不但是提升系统的性能，更是优化系统，让系统更简单。

（1）SATA。40线IDE的接口被4线的SATA取代。电脑内部的连线更简洁了。电脑的安装升级也更简单了。

（2）PCI-E，同样采用串行技术，除了速度更快，连接设备可以更多之外，接头数目减少，外接板卡可以设计得更简单。

（3）BTX。采用BTX机箱的设备的位置更加固定，散热设计更科学，更简单。关键是，机箱可以小型化。符合人们的审美需求。

5.芯片组单芯片架构成为主流

CPU，芯片组的北桥（MCH），芯片组的南桥（ICH），构成了计算机的最简体系。三芯片的架构已经存在了大概十年之久，不过，这一切现在开始改变。

大家观察芯片组北桥和CPU的连接只有一个接口，这使得他们之间的融合变得简化，AMD的产品，早就走出了这一步，Intel从P5X系列芯片组开始（图1-34），CPU也将把北桥整合在一起。让我们来把握这一未来趋势。

（1）CPU，GPU和MCH融合是大势所趋：摩尔定律，在未来10年内都不会停下它的脚步。为此，我们可以预测，CPU会融合北桥芯片，这个道理相当的简单，CPU现在2亿个晶体管以上，而北桥芯片6千万个晶体管，南桥6百万个晶体管。只要采用新的工艺，CPU的晶体管数字将翻倍，多余出来的晶体管传统模式只有再增加CPU核心，对目前的大多数应用来说，实际上毫无意义。双核心性能足够了，多出来的晶体管，用来整合GPU和MCH北桥芯片，芯片数目少了，降低成本，有利竞争显得更有意义。对我们消费者来说，电脑就会更便宜，更多人可以享受电脑带来的好处。读者可能会说，那为啥不干脆把南桥芯片业整合了好了，反正它晶体管数字这么少，实际上，南桥决定了和低速I/O设备的连接，不整合进去，系统搭配更加灵活。不同的CPU和不同的南桥组合，决定了不同的电脑配置，相当灵活，不是吗？同时，还有生产安排上的好处。比如，当计算机CPU制造工艺从45nm转为32nm的时候，45nm生产线，也不能就此闲置不用啊，还可以生产南桥芯片，毕竟南桥芯片，要求没有这么高。这样，可以最大限度地利用了生产线，可以十分经济的生产电脑配件。

（2）未来升级用CPU卡：当北桥和CPU融合之后，新的CPU加上内存条，看起来就很像现在的GPU加上显存芯片，也就是显卡。将来可能有这种可能，出现一种CPU卡，当我们觉得电脑性能不够的时候，就去购买一块这样的系统卡片，同时给我们的电脑升级CPU和内存。这样，我们的电脑就不用整体淘汰，浪费资源，产生电子垃圾。

（3）新架构带来新一轮电脑价格的下降：摩尔定律有这样的一个特点，集成之后，两块芯片的价格就变成一块芯片了。所以，电脑减少了北桥这块大约30美金的芯片，价格还会进一步的下降。如果功能强大的GPU进一步整合进去。普通电脑的价格还会下降。

Intel发布的最新100系列芯片组，依然保持了上面所描述的趋势：（1）单芯片；（2）让系统的速度更快了，支持DMI3.0；（3）集成了更多的PCI-E总线通道，也支持了更多的接口类型，比如USB3.1。以后的电脑，可以直接连接新型接口的手机和显示器了。

1.6.6　SSD电子硬盘解决电脑性能瓶颈

硬盘容量越来越大，个头依然；650MB，4.5GB，25GB……250GB，500GB，1TB……光盘容量也在不断发展。不过，电子技术的发展，却让我们看到一种更加精巧的存储方式，正在逐步占领100GB以下存储市场，估计未来会占领全部1000GB以下市场，磁体硬盘进入服务器中作为专业数据工具用。

在电子存储技术里面，我们习惯了ROM和RAM的区别，一个掉电数据在，一个数据丢失。我们还习惯了寄存器、缓存、RAM这样的三级存储体系，从没有想过会出现电子硬盘。但这一切，很快就会成为现实。

还是从软盘说起吧，当我们感觉到1.44MB的存储空间不够之后，100MB级别的ZIP等软驱替代技术开始出现，不过没有等他们普及，另外一种叫做U盘的存储技术代替了软盘。成为标准的移动存储设备。但是闪存的出现，改变了我们的习惯。当小小的，64MB的U盘，拿在手里，虽然没有拥有3英寸软盘的惊喜，但是，一场存储的变革开始了。

今天，大多数的数码相机里面，会有一块16GB的高速SD卡，购买时候的价格不过是100元。而iPod由微硬盘更换为闪存之后，这是电子存储消灭软驱，又向硬盘发起的攻击。今天我们可以购买到16GB闪存，明天是32GB，后天就是64GB，你可以设想，当你的数码相机里面，放置的是16GB的SD卡的时候，你用数码相机当DV拍的需求就出来了，而这个时候，需求会刺激SD卡向32GB，64GB挺进。而价格，还可能保持100元左右。

我们可以设想，如果继续发展下去，我们当然会采用闪存来做硬盘，因为用闪存做成的电子硬盘，读写速度比用机械设备的磁硬盘更快，性能上表现更加强大。

过去电子硬盘，我们不敢想，但是现在不一样了。依靠摩尔定律，让电子硬盘中可以容纳的数据越来越多。另外一个是，聪明的工程师为我们开发出了新的技术，原来一个存储单元，只能存储1位数据，现在，我看到的资料，已经可以存储4位了。也就是说，按照摩尔定律，18个月后，我们本来应该获得两倍于今天的电子硬盘，但因为单个存储单元的技术提升，我们可以获得8倍于今天的电子硬盘。而价格，还要下降一半。也就是说，单位存储的价格，每18个月下降1/16。

所以，我们可以非常乐观的等待电子硬盘，逐步地淘汰小容量硬盘，大约几年后，TB级别的电子硬盘也会出现。静静地等待新技术带给我们好处吧。

而电子硬盘为啥这样来势汹汹？这由他的技术特点决定了的。

第一，磁硬盘毕竟是磁设备，读写数据时候需要通过磁头去读取旋转的磁盘上的数据，虽然有的高达万转每秒，但机械式速度比不过纯电子设备的速度。要知道，CPU，芯片组和内存速度越来越快，硬盘就是老牛拉破车，这么多年，也就5400转每秒提升到7200转每秒，和CPU十多年来，200MHz发展到2000MHz，也就是2GHz，差距太大，硬盘成了电脑运行的性能瓶颈，而改用电子硬盘，电脑的整体性能，可以立刻上一个台阶。

第二，硬盘毕竟是机电设备，功耗超过电子硬盘。硬盘的旋转，做功很大，特别是对耗电量敏感的笔记本电脑来说，采用电子硬盘，可以延长笔记本电脑使用时间。所以，电子硬盘应该最先会在笔记本电脑领域大量采用。

第三，电子硬盘没有机械设备，更不怕碰撞，数据安全性也超过机械式的磁硬盘。这也是使用笔记本电脑的关键之选。

第四，电子硬盘可以轻松做到小巧。SD卡这么小，就能拥有64GB的容量，这让电脑类设备可以做得更小，所以，智能手机，平板电脑，都无一例外的，采用了电子存储，而不是硬盘。想拥有更小巧的笔记本电脑，还得采用电子硬盘。

第五，电子硬盘更抗微尘。磁硬盘磁头是精密仪器，最怕微尘进入破坏，而电子硬盘这基本不用担心，所以，电子硬盘，寿命更长，数据安全性也要强不少。

综合上面的介绍，可以相信，在未来10年，除了芯片架构变化大之外，最大的变化，就是硬盘面临被淘汰的危险，即使不被淘汰，也只会退守一些比较专业的需要大容量存储的领域。

1.6.7　背后的功臣：摩尔定律

为什么我们的手机会越来越轻巧？为什么我们的电脑会越来越便宜？为什么电脑的功能会越来越强大？……刚入门的电脑爱好者，总有这样的一些疑问。而这些问题的答案，都指向了一个技术和商业上的奇妙定律：摩尔定律。

摩尔定律的基本含义是：集成电路芯片制造工艺，每18到24个月提升一次，也就是CPU等芯片集成度提高一倍，性能提高一倍，价格下降一半。这个规律，第一个观察到的是Intel创始人之一的摩尔先生。故被称为摩尔定律。集成度提高的趋势，如图1-35所示。

这个定律，首先在上个世纪60年代发表，在后来芯片业的发展过程，逐步验证了这个定律的准确性，基本上集成电路，也就是芯片，一直按这个规律指数变化。

为什么会出现这样的规律，这个芯片业的制造特点相关。在集成电路的制造中，有一个叫制造工艺的参数，简单的理解，就是决定芯片中晶体管大小的参数，被称为线宽。180nm线宽的，我们称为180nm工艺。

芯片行业有这样一个特点，采用新的工艺，芯片的面积就会缩小，同样一个晶圆上可以切割得芯片就会增长，就会提升产量，带来更大的利润。所以，厂商们总是在第一时间尽力研发最新的生产工艺。180nm，130nm，90nm，65nm，45nm……，不断提升产量。而产量提升后，因为竞争的关系，为了占据更大的市场，价格也相应的下降。

摩尔定律包含了两个意思：一块芯片里面18个月后可以包含更多晶体管，具备更多功能；或者说，18个月后，现在的芯片，可以变得更小。因此，从整个晶圆上可以切割下来的芯片可以更多，芯片的价格更便宜。

首先，我们要理解晶体管在这个芯片时代的地位。它就是芯片时代的细胞，或者说原子和分子。很多个细胞呢，构成了一些功能组织，这就是芯片。而构成芯片最小单位的晶体管。居然是可以变化的。它，因为微电子技术工艺的变化，会越来越小。虽然越来越小，可是它的基本功能不变化，于是她构成的基本组织，芯片就越来越小。

这个特性，决定了摩尔定律。

简单的理解摩尔定律，就是我们的手机为啥变得这样小，功能越来越强大。假设18年前，有个天才的工程师设计出来了现在一款手机的全部功能。可是呢，因为当时的技术缘故，我们不能一块芯片实现，只好用10来块芯片实现，于是，我们就每个人，手里提一台现在笔记本大小的手机，在路上和人们通话。虽然10块芯片才实现现在一块芯片的功能，但是，价格却是10块芯片的价格，普通人还不能买得起。10年后，因为摩尔定律的发展，现在一块芯片，就实现了所有的这些功能，价格下降到我们每个人都能拥有一个手机。

电脑配件基本上按照摩尔定律的规律在降低价格。最典型的是CPU和内存。因为这两个产品，是完全的集成电路芯片产品。Intel或者AMD每采用一种新的工艺，CPU的产量就会上升，单颗CPU的成本就会下降，为了占据更大的市场份额，卖出更多的CPU，价格下降，是最有力的武器。

读者可以在网上收集整理一下这几年CPU的报价，基本上是按18个月到24个月价格下降一半这样的趋势在走，摩尔定律有效。内存条一样按照这个规律在价格变化，如果大家不相信，可以从现在开始观测每个月@GB内存条的价格，24个月后再分析。

最神奇的是硬盘这个磁介质电脑配件，居然也有类同的规律：容量越来越大，价格反而越来越便宜。再加上主板等电脑配件的主要成本也由板卡上芯片的价格决定。整体来讲，电脑的性能是不断提升，价格是越来越便宜。而越来越便宜的电脑，越来越多的人购买，越来越多的人接入到互联网络，享受高科技带来的各种便利。

电脑之外，和电脑特性差不多的手机，mp3/mp4，数码相机……也同样也根据摩尔定律的特性在发展。摩尔定律对电子存储产品最有效。原因是内存，闪存这些电子存储设备，内部逻辑结构单一，相同大小的芯片下存储多少字节数据由芯片工艺说了算。而越先进的工艺，越能稳定生产更多存储器，越能降低成本，让价格下降。而数码产品中，电子存储器件在整体成本中是很大的一块，特别是mp3。同时，其他集成电路芯片也受摩尔定律的影响，其他不受摩尔定律影响的设备，因为数码产品的价格下降，引起更多的购买，引发更大的生产规模，工业经济的特点+市场竞争的结果，其他配件也相应的下调价格。最后的结局就是，我们常常看到很多数码产品，半年，甚至一个月的时间，价格差距非常的大。背后，就有这几只看不见的手在推动。

不过，这样的规律，还能持续多久呢？答案是至少10年，就目前来说，22nm的晶体管光刻工艺已经研发出来，正要大面积使用，但在未来的10年里面，11nm，6nm工艺发展之后，因为微观物理效应将阻碍后续的发展。不过科学家和工程师已经在开发替代技术，10年后，我们再来讨论未来也不迟，毕竟，这是一个科幻不断被实现的时代。

1.6.8　掌握计算机体系结构知识的作用

学习计算机基本体系结构知识，除了可以使我们计算机组装维护人员和电脑爱好者在组装搭配电脑配件的时候，不但知其然还知其所以然，更可以在比较高的层次上理解电脑配件的关系，并把这些知识，应用于装机维护电脑的过程中。

（1）可以轻松认识各种计算机接口，理解他们的之间的关系

拿到任何一张芯片组功能结构图，我们就知道，采用这类芯片组的主板，支持哪种接口的CPU，支持哪种内存，可以插接哪些显卡，能够提供多少个USB接口……这使得我们在安装搭配计算机硬件设备的时候，不会闹笑话，不会出现张冠李戴的低级错误。当然也就更不会出现搭配不当，烧毁配件的情况。而没有掌握计算机体系结构知识的普通电脑爱好者，只能死记硬背各种配件的搭配关系，一旦记错，可能就带来很大的损失。而我们只需要理解体系结构的变化规律，自己就可以推导配件的搭配关系，再辅以一张系统结构图，更加一目了然，很难犯这种低级错误。

（2）判断计算机性能缺陷，升级优化电脑

比如，芯片组本来支持DDR 2800内存条，但电脑购买之初，DDR 2800内存条价格昂贵，只好购买了DDR 2533内存条。但速度不是很搭配系统CPU的最大内存读写速度要求，等到内存价格到了下降到合适的时候，就可以使用DDR 2800内存条更换之，如果理解双通道原理，还会自然采用双通道技术提升电脑性能。一个懂计算机体系原理的技术人员，自然可以在电脑中查到系统所采用的芯片组。比如在图1-36中的“设备管理器”对话框中看到系统采用的芯片组，从而判断系统支持哪些设备，可以自然找到对应的设备，升级，更换电脑。

（3）在高速变化的技术世界中立于不败之地

计算机各个配件，推陈出新的速度很快，一旦我们理解了计算机体系的变化规律，我们掌握了计算机各个配件，速度更快，性能更强，功能更多，价格更便宜，连接更简化的规律。一张张系统结构图，把各个级别的配件搭配关系说得清清楚楚，起到了抽丝剥茧的作用，你会突然豁然开朗，觉得计算机配件升级变化其实是有规律可循的。就不会在所谓高科技的高速变化中感觉很迷茫，反而觉得这很简单，需要学习和记忆的东西也不多。当然，没有一定的硬件基础和一定的抽象能力，计算机体系结构的原理和变化也不是特别好理解。希望我们的读者结合本章知识，不断在实践中学习，多看各种主板说明书，多学习各种芯片组知识，到时候可以再回头来看本章内容，体会会更加深刻。