计算机漫游2-Computer Systems笔记之主板

Hello.c源程序被编译系统翻译成了计算机能看懂的可执行目标文件hello之后就一直存放在磁盘中。今天，主人又在“口令发号中心”shell中发布了名为”./hello“的任务，为了搞清楚运行hello时发生了什么，我们得先了解下计算机中的硬件组织

主板【motherboard】

拆开计算机可以看到一块板子上有许多插槽、引脚、线路之类的，这个板子叫”主板“（英文名叫”Motherboard“）顾名思义，主板相当于一种城市，CPU、内存、显卡等各个组件都在主板这座城市里安家，并过着紧凑而又有条不紊的生活。主板上每个组件都有自己的家，也就是他们都有一个独属于他们的门牌号（专业术语是“I/O地址”），平时互相传输消息时就会非常阔气地包一辆Bus（总线）专车。但Bus专车数量太有限了，常常需要排很久的队，以前没有专车控制中心（总线控制器）的时候，组件们都把要传数据的消息发给CPU，CPU每时每刻都要处理上千条消息，实在太累了，而且治安也不好，经常发生插队（抢占）行为，因此主人就专门建了一个”专车控制中心”（总线控制器），组件们都将申请包车（获取总线控制权）的请求发到专车控制中心，大大减轻了CPU的工作量，CPU可乐呵了。

主板（摘自computerhope网站）

主板的构成中最重要的莫过于“芯片组”了，芯片组一般又分为两个桥接器来控制各组件的通信，分别是：北桥（Northbridge）负责连接速度较快的CPU、内存和显卡等;南桥（Southbridge）负责速度较慢的周边接口，包括硬盘、USB、网卡等。

主板南北桥

芯片组总是操着世界和平的心干着最精细的活，它专门负责各个组件之间的通信（因为总线专车就是芯片组的一个组成部件），还负责给各组件分配电源，那是相当地忙碌啊，常常干一会儿就浑身发烫（尤其是北桥这个家伙，因为负责CPU与内存之间的沟通，常常散发高热量）因此，主人就在主板上外接一些小风扇或者是散热片帮助主板散热。

问：计算机组件这么多，芯片组要怎么知道如何负责通信啊？

芯片组：这得多亏了我的好伙计“总线（Bus）”，简直是新一代劳模！以前没有总线的时候，例如CPU想要跟某个I/O设备通信，那就在CPU与这个I/O设备间接一根线，但是你都看到了主板上有这么多组件呢，要是每两个组件间接一根线，那得多少根线啊，把城市线路弄得错综复杂不说，最麻烦的是要是来了个新人，还得规划线路布局……想着脑袋就疼，现在有了总线这个好家伙，大家都把自己挂在这一条“总线”上，当CPU想找谁了，就在上面吼一声。

总线【bus】

芯片组：通信其实就是传输数据，看到上图中的箭头了吗，就是我的好伙计“总线”了，它是用来传输数据的主要通道。如果说主板是一座城市，那么总线就像是城市里的公共汽车（bus），能按照固定行车路线，公交车携带的是乘客，总线则是携带信息字节在各个组件间传递。我们都知道一辆公交车容纳乘客的数量是规定好了的，总线也是一样，通常总线被人们规定一次只能传输一定长度的字节块，也就是我们常说的“字（word）”（字中的字节数，即字长，是一个基本的系统参数，在各个系统中又不尽相同）。我们假设字长为4个字节（32位），并且总线每次只传送一个字，但是很多时候我们传送的数据远远大于一个字，因此，总线下头又有许多小弟，而所有小弟传输的数据量（总线可同时传输的数据量）就成为”宽度（width）“，以比特（bit）为单位，总线宽度越大，传输性能就越好。

除此之外，我们都晓得公交车也是分很多种类的，比如跑长途的、普通的公交车，有的时候还可以包一辆公交车呢！总线也是一样的，在我们芯片组上的每条总线都被赋予一个特定功能，现在计算机一般有五类总线：数据总线、地址总线、控制总线、扩展总线、局部总线。

数据总线（Data Bus）：这是专门为CPU和主存（RAM之间通信配备的一个伙计，因为他俩可以说是咱主板城的VVIP！干的活超级辛苦，而且从开机就没闲下来过，这个伙计平时就在CPU和主存间来回传送需要处理或是需要储存的数据；

地址总线（Address Bus）：这个伙计用来指定在主存之中存储的数据的地址——往往CPU大哥吼上一声，被喊道的组件就得把CPU大哥要的数据先放到地址总线上，由这个伙计送到主存中，接着就是数据总线伙计干的事儿了；

控制总线（Control Bus）：这个伙计将CPU大哥发出的信号/命令，传送到周边设备，告知这些设备要干活了；

扩展总线（Expansion Bus）：连接扩展槽和计算机；

局部总线（Local Bus）：取代更高速数据传输的扩展总线。

其中数据总线、地址总线、控制总线，也称“系统总线”，使我们经常说的“总线”。

嗯，让我把电话转接给总线，他会告诉你们更详细的内容。

……

总线：嘿，你好。首先，我先给你们介绍下我们这一行的行话吧，传送消息一方叫做“主模块”，接收消息的一方叫做“从模块”，除了偶尔的特殊情况，数据的传送都是在主模块与一个从模块之间进行，嗯，还有一个行业规定一定要记住“总线上同一时刻仅有一个主模块占用”！我们的工作有点像快递员的工作。

“总线控制器”是咱们快递员的头头，我们都由它管着，比如有几个主模块想要传送消息，必须先向头头“总线控制器”申请总线控制权，头头用一种算法判断出优先权，选出一个主模块同时给这个主模块限制了使用我们的时间（不能让其他主模块老等着嘛，都是客户呢！），接着呢，得到控制权的主模块得进行寻址（目的地址）通知被访问的从模块进行消息传输。得到从模块的确认后立即进入消息传送过程。消息传送根据读或写方式确定消息流向，“读”时为从模块到主模块“，”写“时由主模块到从模块。一次消息传送可以是传递一个数据，也可以是多个数据，我们还要在数据传送完成后或者在多个数据传送中进行错误检测（发错快递了啊，快递有损啊），一旦发现错误就得做出相应处理。大概就是下面这张图描绘的过程。

消息传输步骤