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本文深入探討了計算機體系結構的含義，探索了它的四種類型。

一、什么是計算機體系結構?定義

計算機體系結構是一種規(guī)范，描述了計算機軟件和硬件如何連接和交互以創(chuàng)建計算機網絡。它決定了計算機的結構和功能，以及它兼容的技術 —— 從中央處理單元(CPU)到內存、輸入 / 輸出設備和存儲單元。

理解計算機體系結構的含義對于計算機科學家和愛好者來說至關重要，因為它構成了設計創(chuàng)新和高效計算解決方案的基礎。它還幫助程序員編寫能夠充分利用計算機能力的軟件，使他們能夠創(chuàng)建從網絡應用程序到大型語言模型(LLM)的一切。

這些設計決策可能對計算機的處理速度、能源效率和整體系統(tǒng)性能等因素產生巨大影響。

計算機科學家在構建計算機時必須牢記與構建物理結構基礎相同的原則。他們必須考慮的三個主要支柱是：

系統(tǒng)設計。這構成了計算機的結構，包括所有硬件部件，如 CPU、數(shù)據處理器、多處理器、內存控制器和直接內存訪問。

指令集架構(ISA)。這是使計算機運行的任何軟件，包括 CPU 的功能和能力、編程語言、數(shù)據格式、處理器寄存器類型和程序員使用的指令。

微體系結構。這定義了數(shù)據處理和存儲元素或數(shù)據路徑。這些包括存儲設備和相關的計算機組織工具。

二、計算機體系結構的四種類型

盡管計算技術迅速發(fā)展，但計算機體系結構的基本原理仍然保持不變。計算機體系結構主要有四種類型：馮?諾依曼體系結構、哈佛體系結構、改進的哈佛體系結構以及 RISC 和 CISC 體系結構。

1.馮?諾依曼體系結構

以數(shù)學家和計算機科學家約翰?馮?諾依曼的名字命名，馮?諾依曼體系結構的特點是數(shù)據和指令共用一個單一的內存空間，它們被順序地讀取和執(zhí)行。這意味著程序和數(shù)據存儲在同一個內存中，允許對程序進行靈活和容易的修改。

但是指令也是一次一個地讀取和執(zhí)行，這就造成了一個瓶頸，即 CPU 不能同時讀取指令和數(shù)據。這被稱為馮?諾依曼瓶頸。為了解決這個問題，現(xiàn)代 CPU 采用了緩存和流水線等技術來提高效率。

盡管如此，馮?諾依曼體系結構在計算機設計中仍然高度相關和有影響力。馮?諾依曼的體系結構引入了存儲程序計算機的概念，其中指令和數(shù)據都存儲在同一個內存中，允許靈活的程序執(zhí)行。

2.哈佛體系結構

與馮?諾依曼體系結構中指令和數(shù)據共享相同的內存和數(shù)據路徑不同，哈佛體系結構是一種計算機體系結構，它具有單獨的存儲單元和指令和數(shù)據的專用路徑。這允許同時訪問指令和數(shù)據，有可能提高性能。

通過擁有單獨的路徑，CPU 可以同時獲取指令和訪問數(shù)據，而無需相互等待，從而導致更快的程序執(zhí)行，特別是對于涉及大量數(shù)據移動的任務。

單獨的內存單元可以針對其特定目的進行優(yōu)化。例如，指令內存可能是只讀的，而數(shù)據內存可能針對快速讀 / 寫操作進行優(yōu)化。

盡管如此，實現(xiàn)單獨的存儲和路徑可能比更簡單的馮?諾依曼體系結構更復雜，并且擁有單獨的內存單元可能會增加系統(tǒng)的總體成本。

3.改進的哈佛體系結構

改進的哈佛體系結構是一種混合類型的計算機體系結構，它結合了經典哈佛體系結構和更廣泛使用的馮?諾依曼體系結構的特征。

像真正的哈佛體系結構一樣，改進的哈佛體系結構為指令和數(shù)據使用單獨的緩存。這些緩存比主內存快得多，因此經常訪問的指令和數(shù)據可以快速檢索。

然而，與純哈佛體系結構中指令和數(shù)據具有完全獨立的物理內存單元不同，改進的哈佛體系結構將指令和數(shù)據保存在同一個主內存中。

這種組合允許同時訪問指令和數(shù)據，比具有單個緩存的標準馮?諾依曼體系結構提高了性能。與具有單獨內存單元的真正哈佛體系結構相比，統(tǒng)一的內存簡化了設計并降低了成本。

今天你在計算機中發(fā)現(xiàn)的許多處理器都使用了具有單獨指令和數(shù)據緩存的改進哈佛體系結構

4.RISC 和 CISC 體系結構

RISC(精簡指令集計算)和 CISC(復雜指令集計算)是計算機處理器的兩種不同體系結構，它們決定了處理器如何處理指令。

RISC 處理器設計有一組基本的、定義明確的指令，這些指令通常是固定長度的，并且處理器易于快速解碼和執(zhí)行。RISC 的重點是設計硬件以高效執(zhí)行簡單指令，從而導致更快的時鐘速度和潛在的更低功耗。RISC 處理器的例子包括智能手機和平板電腦中常見的 ARM 處理器，以及一些嵌入式系統(tǒng)中使用的 MIPS 處理器。

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