第1章

The Essentials of Computer Organization and Architecture，Fourth Edition

绪　　论

1.1　引言

有许多人把计算机革命看作一种自然力量，Negroponte博士是其中的一个。这种力量潜在地把人类带入了数字社会，使我们可以攻克已经逃避了几个世纪的问题，以及在解决问题时出现的所有新问题。计算机已经把我们从单调的常规任务中解放出来，释放出了我们的创造潜力，所以我们能建造更大和更好的计算机。

当观察计算机带来的科学和社会的深刻变革时，我们很容易感到由于计算机的复杂性带来的压力。这种复杂性是由一些非常简单的基础性概念构成的。这些简单的概念已经把我们带到了今天，并且它们是未来计算机的基础。将来这些概念是否能继续存在，不得而知。但是今天，它们是所有计算机科学的基础。

计算机科学家通常更关心编写复杂的程序算法，而不是设计计算机硬件。当然，如果想让算法有用，还是要让计算机运行这些算法的。一些算法非常复杂，以至于在今天的计算机系统上运行它们要花费很长的时间。这些算法被认为是不可计算的算法。当然，以目前的创新速度来看，一些今天不可能的事情，明天将是可能的事情。但是，无论计算机变得多大或者多快，人们还是会想出超出计算机合理极限的问题。

若想理解一个算法为什么是不可行的，或者理解一个可行的算法为什么运行得太慢，你必须能够从计算机的观点来看这个程序。在试图优化正在运行的程序之前，你必须理解是什么让计算机系统做出这样的反应的。不先理解计算机系统就试图优化它，就像不懂汽车却试图修理汽车一样，只能是碰运气了。

优化程序和维护系统或许是学习计算机如何工作的最重要动机。实际上，还有许多其他原因。例如，如果你想编写一个编译器，那么你必须理解在硬件环境中编译器所发挥的作用。最好的编译器会利用特别的硬件特性（比如流水线）来获得更高的速度和效率。

如果你需要对一个大的、复杂的真实系统建模，那么你需要知道如何处理浮点算法，以及实际上它是如何工作的。如果你希望设计外围设备或者驱动外围设备的软件，那么你必须知道计算机如何处理输入/输出（I/O）的每一个细节。如果你的工作包含嵌入式系统，那么你需要知道这些系统通常都是资源受限的。对时间、空间、价格折中以及I/O架构的理解，对你的职业来说是必不可少的。

所有计算机专业人士都应该熟悉基准测试的概念，能够解释和说明基准测试系统的结果。在研究工作中涉及硬件系统、网络或算法的人会发现基准测试技术对他们的日常工作很重要。负责购买硬件的技术经理也使用基准测试技术，以便用给定的经费买到最好的系统。记住，性能基准测试方法可能会***纵以使结果有利于特定系统。

前面的例子解释了这样的思想，即计算机硬件与程序和软件部件的许多方面存在着基本的联系。因此，不管我们的专业领域是什么（比如计算机科学家），都需要理解硬件和软件的相互作用。我们必须熟悉如何使各种电路和部件相配合以创建出计算机系统。通过学习计算机组织（computer organization,或计算机组成）可以了解如何创建计算机系统。计算机组织处理控制信号（如何控制计算机）、信号方法和存储类型等问题。计算机组织包括计算机系统的所有物理方面，它能帮助我们回答计算机如何工作的问题。

另一方面，计算机体系结构（computer architecture，或计算机系统结构）集中于计算机体系结构和行为的研究，是从程序员的角度看到的系统实现的逻辑和抽象。计算机体系结构包括许多元素，比如指令集和指令格式、操作码、数据类型、寄存器的数值和类型、寻址方式、主存访问方法和各种I/O机制。系统的体系结构直接反映了程序的逻辑执行。学习计算机体系结构可以帮助我们解决如何设计计算机的问题。

给定机器的计算机体系结构是硬件部件与指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）的集合。ISA是机器上运行的软件与执行软件的硬件之间共同认可的接口，ISA允许你与机器对话。

计算机组织与计算机体系结构之间的区别并不明显。对于如何准确地区分哪些概念属于计算机组织和哪些概念属于计算机体系结构，计算机科学领域的人们和计算机工程领域的人们持有不同的观点。事实上，不论是计算机组织还是计算机体系结构都不是孤立的，它们相互关联、相互依赖。只有在理解了两者之后，我们才能够真正理解它们中的每一个。对计算机组成和体系结构的理解必然能够引导我们更深入地理解计算机，以及更深入地理解被认为是计算机科学核心和灵魂的计算。