計算機是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，從我們工作中使用的機器到我們依賴的智能手機和智能手表都是如此。所有計算機，無論大小，都依賴于一套規(guī)則，這套規(guī)則定義了軟件和硬件如何連接和交互，使它們能夠工作。這就是所謂的計算機架構(gòu)。本文將介紹計算機體系結(jié)構(gòu)。

計算機體系結(jié)構(gòu)是指組成計算機系統(tǒng)的組件的組織以及控制其運行的操作的含義。它決定了機器界面上的可見內(nèi)容，以及編程語言及其編譯器所關(guān)注的內(nèi)容。

一、計算機體系結(jié)構(gòu)的三大類

計算機體系結(jié)構(gòu)分為三類，它們共同構(gòu)成了計算機的工作原理。

1.系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計包括計算機的所有硬件部分，包括數(shù)據(jù)處理器、多處理器、內(nèi)存控制器和直接內(nèi)存訪問。它還包括圖形處理器(GPU)。這部分組成了物理計算機系統(tǒng)。

2.指令集架構(gòu)(ISA)

包括中央處理器(CPU)的功能和能力。內(nèi)置編程語言決定它能執(zhí)行或處理哪些程序。這部分是控制計算機的軟件，如 PC 上的 Windows 操作系統(tǒng)或蘋果 iPhone 上的 iOS 操作系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)格式和編程指令集。

3.微架構(gòu)

微體系結(jié)構(gòu)也稱為計算機的組織結(jié)構(gòu)，它定義了數(shù)據(jù)處理和存儲的要素，以及如何在 ISA 中實現(xiàn)這些要素。它是 ISA 在特定處理器中的硬件實現(xiàn)方式。

二、處理器演變

復(fù)雜指令集計算機(CISC)和精簡指令集計算機(RISC)是處理器架構(gòu)的兩種主要方法。

CISC 處理器有一個處理器、外部存儲器和一小組寄存器，其中包含數(shù)百條不同的指令。這些處理器只需一條指令即可完成一項任務(wù)，其優(yōu)點是由于完成一項任務(wù)所需的代碼行數(shù)較少，使程序員的工作更加輕松。這種方法使用的內(nèi)存較少，但指令的執(zhí)行時間較長。

RISC 架構(gòu)是后來的概念，它促成了高性能處理器的發(fā)展。硬件盡可能保持簡單和快速，復(fù)雜的指令可以用較簡單的指令來執(zhí)行。

微處理器是讀取和執(zhí)行機器語言指令的數(shù)字系統(tǒng)。指令以一種稱為匯編語言的符號格式表示。它們是在單個芯片上實現(xiàn)的處理器。目前廣泛使用的微處理器包括英特爾奔騰、IBM PowerPC 和 Sun SPARC 系列。幾乎所有現(xiàn)代處理器都是微處理器，它們通常是馮-諾依曼機器的標(biāo)準(zhǔn)配置。

三、馮-諾依曼體系結(jié)構(gòu)

1.簡介

數(shù)學(xué)家約翰-馮-諾依曼和他的同事于 1945 年提出了馮-諾依曼體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)該體系結(jié)構(gòu)，計算機由以下部分組成：帶有算術(shù)邏輯器件 (ALU) 和控制單元的處理器;可通過稱為總線的連接與處理器直接通信的存儲單元;外圍輸入/輸出設(shè)備的連接;以及用于存儲和備份數(shù)據(jù)的附加存儲器。

這種架構(gòu)的基本計算概念是將指令和數(shù)據(jù)加載到同一個存儲單元中，該存儲單元是計算機的主存儲器，由一組可尋址單元組成。然后，處理器可以通過稱為總線的特殊連接來訪問運行計算機程序所需的指令和數(shù)據(jù)--地址總線用于識別尋址單元，數(shù)據(jù)總線用于將內(nèi)容傳輸?shù)絾卧驈膯卧獋鬏敵鋈ァ?/p>

2.馮-諾依曼體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點

自馮-諾依曼體系結(jié)構(gòu)設(shè)計以來的 76 年間，計算機作為物理對象發(fā)生了巨大變化。 20 世紀(jì) 40 年代的超級計算機占據(jù)了整個房間，但功能非?；?，而現(xiàn)代智能手表雖然體積小，但功能卻強大得多。然而，計算機的核心幾乎沒有什么變化，從那時起到現(xiàn)在，幾乎每臺計算機都使用基本相同的馮-諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

馮-諾依曼體系結(jié)構(gòu)之所以如此成功，有幾個原因。它比較容易在硬件中實現(xiàn)，而且馮-諾依曼機器是確定性和內(nèi)省性的。它們可以用數(shù)學(xué)方法描述，計算過程中的每一步都是可以理解的。我們還可以依靠它們對一組輸入始終產(chǎn)生相同的結(jié)果。

馮-諾依曼機器最大的問題是難以編碼。這導(dǎo)致了計算機編程的發(fā)展，它將現(xiàn)實世界中的問題用馮-諾伊曼機來解釋。在編寫程序時，算法被簡化為馮-諾依曼機可以遵循的形式化指令。但問題是，并非所有算法和問題都能輕易簡化，因此它們?nèi)晕吹玫浇鉀Q。

四、哈佛架構(gòu)

另一種流行但不如馮-諾依曼體系結(jié)構(gòu)流行的計算機體系結(jié)構(gòu)是哈佛體系結(jié)構(gòu)。

哈佛架構(gòu)將指令和數(shù)據(jù)分別存儲在不同的存儲器中，處理器通過不同的總線訪問這些存儲器。處理器使用一組單獨的地址和數(shù)據(jù)總線連接 "指令存儲器"，并使用另一組地址和數(shù)據(jù)總線連接 "數(shù)據(jù)存儲器"。這種體系結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于嵌入式計算機系統(tǒng)，如數(shù)字信號處理(DSP)系統(tǒng)，許多微控制器也使用哈佛體系結(jié)構(gòu)。

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