什么是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)?本文給你解答!

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的端到端結(jié)構(gòu)，它確定其組件如何相互交互以幫助執(zhí)行機(jī)器的目的(即處理數(shù)據(jù))，通常避免參考實(shí)際的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)其功能的流程核心的引擎的組件的排列。它指定了編程語(yǔ)言和相關(guān)處理器設(shè)計(jì)的機(jī)器接口。

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) 是影響計(jì)算機(jī)處理器功能的兩種主要架構(gòu)方法。CISC處理器有一個(gè)處理單元、輔助存儲(chǔ)器和一組包含數(shù)百個(gè)獨(dú)特命令的微小寄存器。這些處理器使用單條指令執(zhí)行任務(wù)，從而使程序員的工作更加簡(jiǎn)單，因?yàn)橥瓿刹僮魉璧拇a行更少。此方法使用較少的內(nèi)存，但可能需要更多的時(shí)間來(lái)執(zhí)行指令。

經(jīng)過(guò)重新評(píng)估，基于RISC架構(gòu)的高性能計(jì)算機(jī)誕生了。硬件設(shè)計(jì)得盡可能基本和快速，復(fù)雜的指令可以用更簡(jiǎn)單的指令來(lái)執(zhí)行。

一、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的組成部分

1.輸入單元及相關(guān)外圍設(shè)備

輸入單元向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供外部數(shù)據(jù)源。因此，它將外部環(huán)境連接到計(jì)算機(jī)。它從輸入設(shè)備接收信息，將其翻譯為機(jī)器語(yǔ)言，然后將其插入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。鍵盤、鼠標(biāo)或其他輸入設(shè)備是最常用的，并且具有相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序，使它們能夠與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的其余部分同步工作。

2.輸出單元及相關(guān)外圍設(shè)備

輸出單元將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果傳送給用戶。大多數(shù)輸出??數(shù)據(jù)包括音樂(lè)、圖形或視頻。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的輸出設(shè)備包括顯示器、打印單元、揚(yáng)聲器、耳機(jī)等。例如，要播放 MP3 文件，系統(tǒng)會(huì)從光盤讀取數(shù)字?jǐn)?shù)組并存入內(nèi)存。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)處理這些數(shù)字，將壓縮音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為未壓縮音頻數(shù)據(jù)，然后將所得的一組數(shù)字(未壓縮音頻文件)輸出到音頻芯片。然后，芯片通過(guò)輸出單元和相關(guān)外設(shè)使其可供用戶使用。

3.存儲(chǔ)單元/內(nèi)存

存儲(chǔ)單元包含許多用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)部件。它通常分為主存儲(chǔ)和輔助存儲(chǔ)。主存儲(chǔ)單元計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的這個(gè)組件也稱為主存儲(chǔ)器，因?yàn)?CPU 可以直接訪問(wèn)它。主存儲(chǔ)器用于在程序執(zhí)行期間存儲(chǔ)信息和指令。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)是兩種存儲(chǔ)器：RAM直接向 CPU 提供必要的信息。它是間歇性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令的臨時(shí)存儲(chǔ)器。

ROM是一種包含預(yù)裝指令(包括固件)的存儲(chǔ)器類型。該內(nèi)存的內(nèi)容是持久的且無(wú)法修改。ROM 用于在初次啟動(dòng)時(shí)引導(dǎo)機(jī)器。計(jì)算機(jī)現(xiàn)在不知道 ROM 之外的任何內(nèi)容。該芯片指示它如何設(shè)置計(jì)算機(jī)架構(gòu)、進(jìn)行開(kāi)機(jī)自檢(POST)，并最終定位硬盤驅(qū)動(dòng)器以便啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

輔助存儲(chǔ)單元CPU 無(wú)法直接訪問(wèn)輔助或外部存儲(chǔ)器。CPU在使用輔助存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)之前，必須將其傳輸?shù)街鞔鎯?chǔ)器。輔助存儲(chǔ)永久保留大量數(shù)據(jù)。示例包括硬盤驅(qū)動(dòng)器 (HDD)、固態(tài)驅(qū)動(dòng)器 (SSD)、光盤 (CD) 等。

4.中央處理器(CPU)

中央處理單元包括寄存器、算術(shù)邏輯單元(ALU)和控制電路，它們解釋和執(zhí)行匯編語(yǔ)言指令。CPU 與計(jì)算機(jī)架構(gòu)的所有其他部分交互，以理解數(shù)據(jù)并提供必要的輸出。以下是 CPU 子組件的簡(jiǎn)要概述：

5.引導(dǎo)加載程序

固件包含引導(dǎo)加載程序，這是由處理器執(zhí)行的特定程序，該程序從磁盤(或非易失性存儲(chǔ)器或網(wǎng)絡(luò)接口，視情況而定)檢索操作系統(tǒng)并將其加載到存儲(chǔ)器中，以便處理器可以執(zhí)行它。引導(dǎo)加載程序可在臺(tái)式機(jī)、工作站計(jì)算機(jī)和嵌入式設(shè)備上找到。它對(duì)于所有計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)都是必不可少的。

6.操作系統(tǒng)(OS)

操作系統(tǒng)控制著固件之上的計(jì)算機(jī)功能。它管理內(nèi)存使用情況并調(diào)節(jié)鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器和磁盤驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備。該操作系統(tǒng)還為用戶提供了一個(gè)界面，允許他們啟動(dòng)應(yīng)用程序并訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)器上的數(shù)據(jù)。通常，操作系統(tǒng)為程序提供一組工具，允許它們?cè)L問(wèn)屏幕、磁盤驅(qū)動(dòng)器和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的其他元素。

7.總線

總線是具有相關(guān)目的的信號(hào)線的有形集合;通用串行總線 (USB)就是一個(gè)很好的例子。總線使電脈沖能夠在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的各個(gè)組件之間流動(dòng)，將信息從一個(gè)系統(tǒng)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)系統(tǒng)。總線的大小是信息傳輸信號(hào)線的數(shù)量。例如，大小為 8 位的總線以并行形式傳輸 8 個(gè)數(shù)據(jù)位。

8.中斷結(jié)構(gòu)

中斷，在某些處理器中也稱為陷阱或異常，是一種將處理器從當(dāng)前程序的運(yùn)行中重定向到可以處理事件的方法。此類事件可能是外圍設(shè)備發(fā)生故障，或者只是 I/O 設(shè)備已完成其先前的任務(wù)并且目前已準(zhǔn)備好執(zhí)行另一項(xiàng)任務(wù)的事實(shí)。每次按下按鍵并單擊鼠標(biāo)按鈕時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)生成一個(gè)中斷。

二、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的類型

1.指令集架構(gòu)(ISA)

指令集架構(gòu)(ISA)是連接計(jì)算機(jī)軟件和硬件的橋梁。它代表了程序員對(duì)機(jī)器的看法。計(jì)算機(jī)只能理解二進(jìn)制語(yǔ)言(0 和 1)，而人類卻能理解高級(jí)語(yǔ)言(if-else、while、condition 等)。因此，ISA 通過(guò)將高級(jí)語(yǔ)言翻譯成二進(jìn)制語(yǔ)言，在用戶與計(jì)算機(jī)之間的通信中發(fā)揮著重要作用。

2.微體系結(jié)構(gòu)

與 ISA 不同，微體系結(jié)構(gòu)側(cè)重于在較低層次執(zhí)行指令。后者受微處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

微體系結(jié)構(gòu)是一種指令集體系結(jié)構(gòu)包含處理器的技術(shù)。技術(shù)專家和硬件科學(xué)家使用不同的微體系結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn) ISA，而這些微體系結(jié)構(gòu)會(huì)隨著新技術(shù)的出現(xiàn)而改變。因此，可以在不改變 ISA 的情況下，對(duì)處理器進(jìn)行物理設(shè)計(jì)，以執(zhí)行給定的指令集。總之微體系結(jié)構(gòu)是微處理器電氣元件和數(shù)據(jù)路徑的特定邏輯安排。它有助于優(yōu)化指令的執(zhí)行。

3.客戶-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)

在客戶機(jī)-服務(wù)器(主機(jī))系統(tǒng)中，多個(gè)客戶機(jī)(遠(yuǎn)程處理器)可從一個(gè)集中式服務(wù)器請(qǐng)求和獲取服務(wù)。客戶機(jī)允許用戶向服務(wù)器請(qǐng)求服務(wù)，并從服務(wù)器接收響應(yīng)。服務(wù)器接收并回復(fù)客戶端的請(qǐng)求。

服務(wù)器必須向客戶機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)化和透明的接口，這樣客戶機(jī)就不會(huì)察覺(jué)到用于提供服務(wù)的系統(tǒng)特征(軟件和硬件組件)。

客戶端通常位于臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦上，而服務(wù)器通常位于網(wǎng)絡(luò)上其他功能更強(qiáng)大的硬件上。當(dāng)客戶端和服務(wù)器經(jīng)常執(zhí)行預(yù)定任務(wù)時(shí)，這種計(jì)算架構(gòu)的效率最高。

4.SIMD(單指令多數(shù)據(jù))架構(gòu)

SIMD(單指令多數(shù)據(jù))計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。這為超級(jí)計(jì)算機(jī)和其他性能驚人的設(shè)備鋪平了道路。在這種設(shè)計(jì)中，所有處理器從控制器接收相同的指令，但處理不同的數(shù)據(jù)包。共享內(nèi)存單元需要大量模塊，這些模塊可同時(shí)與所有處理器通信。

5.多核架構(gòu)

多核架構(gòu)是一種由單個(gè)物理處理器承載多個(gè)處理器邏輯的結(jié)構(gòu)。在多核架構(gòu)中，多個(gè)處理器內(nèi)核集成在一個(gè)芯片上。其目的是開(kāi)發(fā)一種能夠同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)的系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的整體性能。

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