1.2 CPU、存储器与输入/输出

一台完整的微型计算机是一个团队：CPU 负责变换与协调，存储器负责保存，输入负责观察，输出负责行动或报告。任何一个成员都不能取代其他所有成员。

图中的箭头表示一次传送中的角色，并不是所有物理连接都永远单向。键盘通常提供数据，显示器通常接收结果，而存储器既要提供信息，也要接收信息。

CPU：执行与协调

CPU 按照指令工作。它内部包含完成运算的电路、称为寄存器的小型高速存储位置，以及组织各步骤的控制逻辑。

目前可以先使用一个简单模型：

• CPU 读取一条指令；
• 取得指令所需的数据；
• 执行某种操作；
• 保存或输出结果。

CPU 不会凭空知道温度、按下的按键或程序内容。这些值必须通过输入或存储器到达 CPU。

存储器：在有地址的位置保存比特

存储器可以看成一组带编号的位置。标识位置的编号叫作地址。每个位置保存一个比特模式，而这个模式的含义取决于系统如何使用它。

同一个存储系统可以保存：

• 指令：告诉 CPU 应执行什么操作；
• 数据：表示数字、字符、传感器读数、图像或中间结果。

观察下面三个位置：

比特本身不会贴着“指令”或“温度”的标签。所在位置、当前指令以及程序规则共同赋予它含义。

以后会反复遇到两类存储器概念：

• 易失性存储器在断电后失去内容；
• 非易失性存储器不需要持续供电也能保留内容。

现在只需抓住更基本的思想：存储器让系统能够在信息产生的瞬间之后继续使用它。

输入和输出连接物理世界与数字世界

输入设备把外部事件转换为计算机可以使用的信息；输出设备把计算结果转换为可观察的动作。

有些外设同时承担两种角色。触摸屏既显示像素也感知触摸；网络接口既接收也发送消息。应当判断当前这一次传送的方向，而不是只看设备名称。

实验 1——亲自安排每次传送

先选择任务，再逐次安排数据传送。实验会按顺序检查路线，因此能够指出依赖关系从哪一步开始出错。

请完成全部三个任务。注意，“保存”要求发生 CPU 到存储器的传送；仅仅显示一个值则不一定需要保存它。

示例：显示已保存的目标值

假设恒温器需要显示已经保存的目标温度。

1. CPU 请求目标温度地址中的值。 2. 存储器把保存的比特发送给 CPU。 3. CPU 解释或格式化这个数字。 4. CPU 把显示数据发送给输出设备。

因此，最关键的信息路径是：

存储器 → CPU → 输出

如果用户用按键修改目标值，完整过程可能是：

输入 → CPU → 存储器
             └→ 输出

CPU 位于路径中，是因为它要应用程序规则。只有在需要读取或长期保留数值时，存储器才必须出现在路径中。

系统会因依赖缺失而失败

从部件与依赖关系出发，故障更容易定位。

一个现象很少能唯一确定物理原因。诊断应先找出仍然正常的功能，因为每个成功行为都会确认若干依赖仍然有效。

例如，如果复位后还能显示已保存的欢迎信息，那么至少一部分 CPU 执行、存储器读取和输出功能正在工作。这个证据可以缩小排查范围。

实验 2——通过改变系统来诊断

在维修诊所中，你可以断开或重新连接部件，实时依赖表会预测症状。请用最小的修复恢复全部必要依赖。

不要一开始就把所有部件全部打开。先预测一个部件，测试它，并把症状的变化当作证据。

检查点

面对任何简单微型计算机，你现在都应能回答四个问题：

1. 什么信息从哪个输入进入？ 2. 存储器必须保留哪些指令与数据？ 3. CPU 必须完成什么变换或决策？ 4. 什么结果从哪个输出离开？

这些角色解释了各部件贡献的内容。下一节将沿着存储程序的指令周期，解释 CPU 在什么时刻读取和执行指令。