Chapter 2 - 微型计算机组成结构

Created by : Mr Dk.

2019 / 07 / 18 09:55

Nanjing, Jiangsu, China

任何一个系统都可被认为由四部分组成：

输入
输出
处理中心 - 加工输入，得到输出
能源部分 - 为整个系统提供能源供给

对于计算机系统来说，由于输入和输出的大部分通道都是共享使用的：

输入/输出 (I/O)
处理中心
能源

2.1 微型计算机组成原理

CPU 通过 地址线、数据线、控制线 组成的本地总线 (内部总线) 与系统其它部分进行通信

地址线提供内存或 I/O 设备的地址
数据线负责数据传输
控制线负责指挥具体的读 / 写操作

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现代 PC 主板由两个超大规模芯片组成 chipset：

北桥 (Northbridge) 芯片 - Intel: MCH (Memory Controller Hub)
- 拥有很高的传输速率
- 连接 CPU、内存、AGP 视频接口
南桥 (Southbridge) 芯片 - Intel: ICH (I/O Controller Hub)
- 管理中、低速的硬件
- PCI 总线、硬盘接口、USB 接口等

2.2 I/O 端口寻址和访问控制方式

2.2.1 I/O 端口和寻址

CPU 需要访问 I/O 接口控制器或控制卡上的数据和状态信息，首先需要制定它们的地址，即 I/O 端口地址 / 端口。通常 I/O 控制器包含：

数据端口
命令端口
状态端口

端口地址的设置方法：

统一编址
- 将 I/O 控制器的端口地址归入存储器寻址地址空间范围内
- 使用内存访问指令可以访问 I/O
独立编址
- 将 I/O 控制器和控制卡的寻址空间单独作为一个独立的地址空间对待
- 使用专用的 I/O 指令来访问端口

2.2.2 接口访问控制

循环查询方式
- CPU 在程序中循环查询设备控制器中的状态，判断是否可以进行数据交换
- 不需要硬件支持、简单
- 耗费 CPU 的时间
中断处理控制方式
- 需要中断控制器的支持
- I/O 设备向 CPU 提出中断请求
直接存储器访问 (DMA, Direct Memory Access) 方式
- 用于 I/O 设备与系统内存之间进行批量数据传送
- 由专门的 DMA 控制器控制，不需要 CPU 插手
- 无需软件介入

2.3 主存储器、BIOS 和 CMOS 存储器

2.3.1 主存储器

早期 8088/8086 CPU 只有 20 根地址线，因此内存寻址范围最高为 1 MB。Intel 32-bit CPU 可寻址 4GB 的地址，并通过 CPU 上的新特性，可以寻址 64GB 的物理内存。但为了与原来的 PC 在软件上兼容，1 MB 以下的物理内存使用分配依旧与最早期的使用方式一致。

2.3.2 基本输入/输出程序 BIOS

8088/8086 (20 bit 地址线) 启动方式

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20 根地址线只能寻址 0x00000 - 0xFFFFF 共 1MB 的地址空间，其中，ROM (BIOS) 和 RAM 统一编址：

RAM 占据低端地址 768KB
- 其中基本内存为 0x00000 - 0x9FFFF 共 640KB
- 显示内存缓冲区为 0xA0000 - 0xBFFFF 共 128KB
ROM 占据从 0xC0000 - 0xFFFFF 开始的高端地址 256KB
- 其中，系统 BIOS 占用最后的 64 KB 或更多 (0xF0000 - 0xFFFFF)

CPU 复位时，CS 寄存器设为 0xFFFF，IP 寄存器设为 0x0000 - 地址指向 0xFFFF0，即 ROM BIOS 中的最后 16B 处、此处放置了一条 JMP 指令，指向 BIOS 程序的真正入口地址。此时，CPU 控制权被 BIOS 获得：

BIOS 首先执行系统自检 POST (Power-On-Self-Test)
并在 RAM 最低端建立中断向量表等 OS 需要使用的配置表
初始化硬件 - 首先初始化显卡，并将后续硬件信息显示在 (显示缓冲区)
按照 CMOS 设定的启动顺序，依次寻找主引导记录
将主引导记录加载到 0x7C00 的位置 - 512B
检测 MBR 最后两个字节是否为 0x55 和 0xAA，如果是，则可以启动
跳转到引导程序的入口，将控制权交由引导程序

80386 (32 bit 地址线) 启动方式

32 位地址线可以寻址 0x00000000 - 0xFFFFFFFF 共 4G 的地址空间。

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ROM (Flash Memory) 被编址在了 4G 内存的最高端
- Flash Memory 的大小可以为 256KB - 2MB
32-bit CPU 复位后，通过硬件机制，使其访问的第一条指令位于 0xFFFFFFF0，即最后 16B 处
同样，这里也有一条 JMP 指令，跳转到 BIOS 真正的入口
在完成硬件自检和初始化操作后，BIOS 会将与原先兼容的 64 KB 系统 BIOS 拷贝到内存低端 1M 的最后 64KB 处，并跳转到该处，使 CPU 真正运行在实地址模式下
BIOS 寻找引导程序并加载至 0x7C00 处

个人理解，首先，ROM 和 RAM 的编址应当是连续的，如果再将 1M 地址空间中的高 256KB 分配给ROM，RAM 的地址将不再连续。所以永远将 ROM 编址在内存最高端，为了兼容，因此 BIOS 需要将兼容的一段 BIOS 复制到 RAM 中对应原先 ROM 的地址处。因此，这一段 RAM 称为 BIOS Shadow。然后跳转到 BIOS Shadow 的程序入口，这样，启动的过程就与原先兼容。总之：
ROM 永远编址在内存最高端
CPU 复位后访问的第一条指令总位于内存最高端的最后 16B 处
不管 BIOS 中有多少新特性，Flash ROM 总体大小有多大，最终 BIOS 总需要将兼容程序拷贝到 1M 空间最后 64KB，并跳转过去，使 CPU 在实地址模式下启动

2.3.3 CMOS 存储器

Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体，存储容量很小： 64 / 128B。存放：

实时时钟信息
系统硬件配置信息

CMOS 的地址空间在基本内存地址空间之外，需要使用 I/O 指令访问。

2.4 控制器和控制卡

控制器指集成在计算机主板上的控制部件
控制卡指通过扩展插槽进入计算机的控制卡部件，扩展插槽与系统总线连接，接口标准包含：
- ISA, Industry Standard Architecture 总线
- EISA, Extended ISA 总线
- PCI, Peripheral Component Interconnect 总线
- AGP, Accelerated Graphics Port 总线

控制卡可以随着集成度的提高而被集成到主板上，因此控制器和控制卡没有实质上的区别。