計(jì)算機(jī)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(jī)器到我們依賴的智能手機(jī)和智能手表都是如此。所有計(jì)算機(jī)，無(wú)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(jì)算機(jī)架構(gòu)。本文將介紹計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。

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

一、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的三大類

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分為三類，它們共同構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的工作原理。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括計(jì)算機(jī)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(wèn)。它還包括圖形處理器(GPU)。這部分組成了物理計(jì)算機(jī)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(yǔ)言決定它能執(zhí)行或處理哪些程序。這部分是控制計(jì)算機(jī)的軟件，如 PC 上的 Windows 操作系統(tǒng)或蘋(píng)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(jì)算機(jī)的組織結(jié)構(gòu)，它定義了數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的要素，以及如何在 ISA 中實(shí)現(xiàn)這些要素。它是 ISA 在特定處理器中的硬件實(shí)現(xiàn)方式。

二、處理器演變

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

CISC 處理器有一個(gè)處理器、外部存儲(chǔ)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(xiàng)任務(wù)，其優(yōu)點(diǎn)是由于完成一項(xiàng)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(shí)間較長(zhǎng)。

RISC 架構(gòu)是后來(lái)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(jiǎn)單和快速，復(fù)雜的指令可以用較簡(jiǎn)單的指令來(lái)執(zhí)行。

微處理器是讀取和執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言指令的數(shù)字系統(tǒng)。指令以一種稱為匯編語(yǔ)言的符號(hào)格式表示。它們是在單個(gè)芯片上實(shí)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(jī)器的標(biāo)準(zhǔn)配置。

三、馮-諾依曼體系結(jié)構(gòu)

1.簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)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(guò)稱為總線的連接與處理器直接通信的存儲(chǔ)單元;外圍輸入/輸出設(shè)備的連接;以及用于存儲(chǔ)和備份數(shù)據(jù)的附加存儲(chǔ)器。

這種架構(gòu)的基本計(jì)算概念是將指令和數(shù)據(jù)加載到同一個(gè)存儲(chǔ)單元中，該存儲(chǔ)單元是計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器，由一組可尋址單元組成。然后，處理器可以通過(guò)稱為總線的特殊連接來(lái)訪問(wèn)運(yùn)行計(jì)算機(jī)程序所需的指令和數(shù)據(jù)--地址總線用于識(shí)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(diǎn)

自馮-諾依曼體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以來(lái)的 76 年間，計(jì)算機(jī)作為物理對(duì)象發(fā)生了巨大變化。 20 世紀(jì) 40 年代的超級(jí)計(jì)算機(jī)占據(jù)了整個(gè)房間，但功能非?；?，而現(xiàn)代智能手表雖然體積小，但功能卻強(qiáng)大得多。然而，計(jì)算機(jī)的核心幾乎沒(méi)有什么變化，從那時(shí)起到現(xiàn)在，幾乎每臺(tái)計(jì)算機(jī)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(gè)原因。它比較容易在硬件中實(shí)現(xiàn)，而且馮-諾依曼機(jī)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(jì)算過(guò)程中的每一步都是可以理解的。我們還可以依靠它們對(duì)一組輸入始終產(chǎn)生相同的結(jié)果。

馮-諾依曼機(jī)器最大的問(wèn)題是難以編碼。這導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)編程的發(fā)展，它將現(xiàn)實(shí)世界中的問(wèn)題用馮-諾伊曼機(jī)來(lái)解釋。在編寫(xiě)程序時(shí)，算法被簡(jiǎn)化為馮-諾依曼機(jī)可以遵循的形式化指令。但問(wèn)題是，并非所有算法和問(wèn)題都能輕易簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)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(chǔ)在不同的存儲(chǔ)器中，處理器通過(guò)不同的總線訪問(wèn)這些存儲(chǔ)器。處理器使用一組單獨(dú)的地址和數(shù)據(jù)總線連接 "指令存儲(chǔ)器"，并使用另一組地址和數(shù)據(jù)總線連接 "數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器"。這種體系結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如數(shù)字信號(hào)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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