伦敦大学学院计算机体系结构的三大类

计算机是我们日常生活中不可或缺的一部分，从我们工作中使用的机器到我们依赖的智能手机和智能手表都是如此。所有计算机，无论大小，都依赖于一套规则，这套规则定义了软件和硬件如何连接和交互，使它们能够工作。这就是所谓的计算机架构。本文将介绍计算机体系结构。

计算机体系结构是指组成计算机系统的组件的组织以及控制其运行的操作的含义。它决定了机器界面上的可见内容，以及编程语言及其编译器所关注的内容。

一、计算机体系结构的三大类

计算机体系结构分为三类，它们共同构成了计算机的工作原理。

1.系统设计

系统设计包括计算机的所有硬件部分，包括数据处理器、多处理器、内存控制器和直接内存访问。它还包括图形处理器(GPU)。这部分组成了物理计算机系统。

2.指令集架构(ISA)

包括中央处理器(CPU)的功能和能力。内置编程语言决定它能执行或处理哪些程序。这部分是控制计算机的软件，如 PC 上的 Windows 操作系统或苹果 iPhone 上的 iOS 操作系统，包括数据格式和编程指令集。

3.微架构

微体系结构也称为计算机的组织结构，它定义了数据处理和存储的要素，以及如何在 ISA 中实现这些要素。它是 ISA 在特定处理器中的硬件实现方式。

二、处理器演变

复杂指令集计算机(CISC)和精简指令集计算机(RISC)是处理器架构的两种主要方法。

CISC 处理器有一个处理器、外部存储器和一小组寄存器，其中包含数百条不同的指令。这些处理器只需一条指令即可完成一项任务，其优点是由于完成一项任务所需的代码行数较少，使程序员的工作更加轻松。这种方法使用的内存较少，但指令的执行时间较长。

RISC 架构是后来的概念，它促成了高性能处理器的发展。硬件尽可能保持简单和快速，复杂的指令可以用较简单的指令来执行。

微处理器是读取和执行机器语言指令的数字系统。指令以一种称为汇编语言的符号格式表示。它们是在单个芯片上实现的处理器。目前广泛使用的微处理器包括英特尔奔腾、IBM PowerPC 和 Sun SPARC 系列。几乎所有现代处理器都是微处理器，它们通常是冯-诺依曼机器的标准配置。

三、冯-诺依曼体系结构

1.简介

数学家约翰-冯-诺依曼和他的同事于 1945 年提出了冯-诺依曼体系结构，根据该体系结构，计算机由以下部分组成：带有算术逻辑器件 (ALU) 和控制单元的处理器;可通过称为总线的连接与处理器直接通信的存储单元;外围输入/输出设备的连接;以及用于存储和备份数据的附加存储器。

这种架构的基本计算概念是将指令和数据加载到同一个存储单元中，该存储单元是计算机的主存储器，由一组可寻址单元组成。然后，处理器可以通过称为总线的特殊连接来访问运行计算机程序所需的指令和数据--地址总线用于识别寻址单元，数据总线用于将内容传输到单元或从单元传输出去。

2.冯-诺依曼体系结构的优缺点

自冯-诺依曼体系结构设计以来的 76 年间，计算机作为物理对象发生了巨大变化。 20 世纪 40 年代的超级计算机占据了整个房间，但功能非常基本，而现代智能手表虽然体积小，但功能却强大得多。然而，计算机的核心几乎没有什么变化，从那时起到现在，几乎每台计算机都使用基本相同的冯-诺依曼体系结构。

冯-诺依曼体系结构之所以如此成功，有几个原因。它比较容易在硬件中实现，而且冯-诺依曼机器是确定性和内省性的。它们可以用数学方法描述，计算过程中的每一步都是可以理解的。我们还可以依靠它们对一组输入始终产生相同的结果。

冯-诺依曼机器最大的问题是难以编码。这导致了计算机编程的发展，它将现实世界中的问题用冯-诺伊曼机来解释。在编写程序时，算法被简化为冯-诺依曼机可以遵循的形式化指令。但问题是，并非所有算法和问题都能轻易简化，因此它们仍未得到解决。

四、哈佛架构

另一种流行但不如冯-诺依曼体系结构流行的计算机体系结构是哈佛体系结构。

哈佛架构将指令和数据分别存储在不同的存储器中，处理器通过不同的总线访问这些存储器。处理器使用一组单独的地址和数据总线连接 "指令存储器"，并使用另一组地址和数据总线连接 "数据存储器"。这种体系结构广泛应用于嵌入式计算机系统，如数字信号处理(DSP)系统，许多微控制器也使用哈佛体系结构。

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