软硬件融合技术内幕 (4) —— CPU外面有什么 (下)

在上期，我们了解了，16位处理器8086和80286的几个特点：

1. 数据总线位宽是16bit (2字节)，地址线和数据线复用；
2. 内存为SRAM；
3. 需要配合内存总线锁存器、并行口IO控制器8255、DMA控制器8237、中断控制器8259、定时器8253等，串口控制器8250等，才能构成一个完整的计算机系统。

8086和80286能够使用的内存最大数量分别为1MB和24MB。

方老师小时候曾经思考过一个问题：

假设某游戏的屏幕分辨率为640*480，颜色为256色，需要占用多大内存呢？

答案是：640*480*log2(256)/2 = 307200Byte，约300KB。

如果我们想展示一张1024*768，64K色的图片，需要的内存量为

1024*768*log2(64K) / 2 = 1.5MB。显然，这个数字超过了8086处理器能够使用的内存极限。即使在80286下，也会对系统资源造成很大的压力。

因此，我们如果期望计算机具有更强的处理多媒体信息的功能，需要计算机具备更强的寻址能力。

在这样的背景下，1985年，Intel对处理器进行了一次大的革新，设计出了80386。80386的内存位宽为32位，地址线宽度也是32位。这意味着，80386每次能够读写4字节内存，而可使用的内存地址空间理论上可达2的32次方(4GB)。

80386驱动了计算机系统的一系列变革：

首先是内存从SRAM进化到了DRAM。

在上期，我们提到，8086的内存为静态RAM(static RAM，SRAM)，其工作频率与CPU一致，接收到CPU地址总线上的地址，以及读写指令后，可以立即完成读写操作。这种内存的优点是速度快，但成本高。

如图，SRAM的每个bit需要6个MOSFET晶体管实现。可想而知，其成本，芯片面积和功耗都会比较高。

而DRAM (Dynamic RAM)的每个bit实现如下图：

图中，每个bit由一个MOSFET晶体管和一个电容构成，MOSFET管的栅极和漏极分别连接到行选择线和列选择线。

整个DRAM芯片是多个bit构成的一个矩阵：

图中可见，DRAM内部有很多行与列，行与列的选择实际上是对行地址和列地址的译码，CPU需要向内存发送行地址(Row Address)，列地址(Column Addesss)和读写命令后，才能读取/写入数据。由于DRAM的电路结构很简单，读取过后电容中的电荷会消失，因此读取完后需要对电荷重新充电。

上期中，我们提到过，8086处理器访问SRAM的时候，需要一个锁存器(如74HC373)对8086的前端总线信号进行锁存，把前端总线上的地址和数据转换为SRAM的地址和数据信号，如图所示：

类似地，80386也外挂了这样一颗芯片，它叫做内存控制器：

内存控制器可以将CPU在前端总线(Frong Side Bus，FSB)上发送的地址与数据进行锁存，并转换为行地址、列地址和数据，与DRAM进行交互访问。大家给它起了个容易记住的名字：北桥(Northen Bridge)。

有了北桥，CPU就可以外挂更多廉价的DRAM，从而可以运行Windows一类的图形化操作系统，使得更多人可以较为容易地使用计算机。

北桥芯片的另一个功能，是将CPU的前端总线转化为PCI总线。PCI总线是外设组件互连(Peripheral Component Interconnect)的缩写，可以支持32位地址和32位宽度的数据，其标准传输速率从最初的133MB/s一直演进到PCI-X的2.1GB/s。PCI总线上可以扩展各种外部设备，如下图所示：

那么，软盘、鼠标、键盘等低速IO设备接在哪里呢？

上期中讲到的8086 CPU需要一堆各种IO芯片作为辅助，才能够构成一个完整的计算机系统。这些IO芯片被集成到了一颗芯片里面，并挂在PCI总线上，它叫做IO Hub，俗称南桥。

当然，在现代(2010年以后)的计算机系统中，北桥被吸收进了CPU，CPU与南桥之间的接口也从PCI演进到了PCIe。

同时，其他外挂的RAM、SSD盘等也直接连在CPU上，如下图所示：

它实际上是这个家伙：

这种演进，也带来了对内存子系统的新的挑战。

请看下期。

本期留一个疑问：图片上的服务器是谁家的？