西安大略大大学计算机体系结构课程预习辅导

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本文深入探讨了计算机体系结构的含义，探索了它的四种类型。

一、什么是计算机体系结构?定义

计算机体系结构是一种规范，描述了计算机软件和硬件如何连接和交互以创建计算机网络。它决定了计算机的结构和功能，以及它兼容的技术 —— 从中央处理单元(CPU)到内存、输入 / 输出设备和存储单元。

理解计算机体系结构的含义对于计算机科学家和爱好者来说至关重要，因为它构成了设计创新和高效计算解决方案的基础。它还帮助程序员编写能够充分利用计算机能力的软件，使他们能够创建从网络应用程序到大型语言模型(LLM)的一切。

这些设计决策可能对计算机的处理速度、能源效率和整体系统性能等因素产生巨大影响。

计算机科学家在构建计算机时必须牢记与构建物理结构基础相同的原则。他们必须考虑的三个主要支柱是：

系统设计。这构成了计算机的结构，包括所有硬件部件，如 CPU、数据处理器、多处理器、内存控制器和直接内存访问。

指令集架构(ISA)。这是使计算机运行的任何软件，包括 CPU 的功能和能力、编程语言、数据格式、处理器寄存器类型和程序员使用的指令。

微体系结构。这定义了数据处理和存储元素或数据路径。这些包括存储设备和相关的计算机组织工具。

二、计算机体系结构的四种类型

尽管计算技术迅速发展，但计算机体系结构的基本原理仍然保持不变。计算机体系结构主要有四种类型：冯・诺依曼体系结构、哈佛体系结构、改进的哈佛体系结构以及 RISC 和 CISC 体系结构。

1.冯・诺依曼体系结构

以数学家和计算机科学家约翰・冯・诺依曼的名字命名，冯・诺依曼体系结构的特点是数据和指令共用一个单一的内存空间，它们被顺序地读取和执行。这意味着程序和数据存储在同一个内存中，允许对程序进行灵活和容易的修改。

但是指令也是一次一个地读取和执行，这就造成了一个瓶颈，即 CPU 不能同时读取指令和数据。这被称为冯・诺依曼瓶颈。为了解决这个问题，现代 CPU 采用了缓存和流水线等技术来提高效率。

尽管如此，冯・诺依曼体系结构在计算机设计中仍然高度相关和有影响力。冯・诺依曼的体系结构引入了存储程序计算机的概念，其中指令和数据都存储在同一个内存中，允许灵活的程序执行。

2.哈佛体系结构

与冯・诺依曼体系结构中指令和数据共享相同的内存和数据路径不同，哈佛体系结构是一种计算机体系结构，它具有单独的存储单元和指令和数据的专用路径。这允许同时访问指令和数据，有可能提高性能。

通过拥有单独的路径，CPU 可以同时获取指令和访问数据，而无需相互等待，从而导致更快的程序执行，特别是对于涉及大量数据移动的任务。

单独的内存单元可以针对其特定目的进行优化。例如，指令内存可能是只读的，而数据内存可能针对快速读 / 写操作进行优化。

尽管如此，实现单独的存储和路径可能比更简单的冯・诺依曼体系结构更复杂，并且拥有单独的内存单元可能会增加系统的总体成本。

3.改进的哈佛体系结构

改进的哈佛体系结构是一种混合类型的计算机体系结构，它结合了经典哈佛体系结构和更广泛使用的冯・诺依曼体系结构的特征。

像真正的哈佛体系结构一样，改进的哈佛体系结构为指令和数据使用单独的缓存。这些缓存比主内存快得多，因此经常访问的指令和数据可以快速检索。

然而，与纯哈佛体系结构中指令和数据具有完全独立的物理内存单元不同，改进的哈佛体系结构将指令和数据保存在同一个主内存中。

这种组合允许同时访问指令和数据，比具有单个缓存的标准冯・诺依曼体系结构提高了性能。与具有单独内存单元的真正哈佛体系结构相比，统一的内存简化了设计并降低了成本。

今天你在计算机中发现的许多处理器都使用了具有单独指令和数据缓存的改进哈佛体系结构

4.RISC 和 CISC 体系结构

RISC(精简指令集计算)和 CISC(复杂指令集计算)是计算机处理器的两种不同体系结构，它们决定了处理器如何处理指令。

RISC 处理器设计有一组基本的、定义明确的指令，这些指令通常是固定长度的，并且处理器易于快速解码和执行。RISC 的重点是设计硬件以高效执行简单指令，从而导致更快的时钟速度和潜在的更低功耗。RISC 处理器的例子包括智能手机和平板电脑中常见的 ARM 处理器，以及一些嵌入式系统中使用的 MIPS 处理器。

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