计算机体系结构

2. 计算机架构

经典计算机体系结构概念的实质是确定计算机系统中的硬件和软件接口. 界面上方是软件的功能，界面下方是硬件和固件的功能.

广义（现代）计算机体系结构概念，不仅包括经典计算机体系结构的概念类别（指令集结构）高性能计算机体系结构有哪些，而且还包括计算机组成和计算机实现的内容.

计算机体系结构是程序员可以看到的计算机的属性，即概念结构和功能特性. 根据计算机的多层结构，不同级别的程序员会看到具有不同属性的不同计算机. 通常，低级机器的属性对高级机器程序员基本上是透明的. 计算机体系结构主要是指机器语言级别的系统结构.

通常，计算机体系结构的属性如下:

（1）机内数据表示: 硬件可以直接识别和操作的数据类型和格式.

（2）寻址模式: 最小的可寻址单元，寻址模式的类型和地址计算.

（3）寄存器组织: 操作寄存器，索引寄存器，控制寄存器和特殊寄存器的定义，数量和使用规则.

（4）指令系统: 机器指令的操作类型，格式，命令和控制机制.

（5）存储系统: 最小的寻址单元，寻址方法，主存储容量和最大可寻址空间.

（6）中断机制: 中断类型，中断级别和中断响应模式

（7）I / O结构: I / O连接方法，处理器/内存与I / O设备之间的数据交换方法以及数据交换过程的控制.

（8）信息保护: 信息保护方法，硬件信息保护机制

计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部数据流和控制流的组成和逻辑设计. 目标是在满足所需性价比的同时，将各种组件和设备合理地组合到计算机中，以实现特定的系统结构.

计算机实现是指计算机组件的物理实现.

计算机体系结构解决了整个计算机系统需要解决的问题. 它不同于计算机组成和计算机实现. 一个体系结构可能具有多个组件，一个组件可能具有多个物理实现.

计算机体系结构的分类:

（0）根据处理器数量进行宏分类

1. 单一处理系统

2. 并行处理和多处理系统

3. 分布式处理系统

（1）弗林分类

根据指令流和数据流的乘数特性对计算机系统进行分类.

多倍性: 系统性能瓶颈组件上同一执行阶段同时执行的指令或数据的最大数量.

分为4类:

SISD: 单指令流，单数据流，具有顺序执行功能的传统单处理器计算机. 指令部分一次仅解码一条指令高性能计算机体系结构有哪些，并且仅将数据分配给一个操作部分. SISD机器是传统的串行计算机. 它的硬件不支持任何形式的并行计算，并且所有指令都是串行执行的. 并且在一定的时钟周期内，CPU只能处理一个数据流. 因此，这种机器称为单指令流单数据流机器. 早期的计算机都是SISD机器，例如Von Iyman体系结构，例如IBM PC，早期的巨型计算机和许多8位家用计算机.

SIMD: 单指令流多数据流机器，SIMD使用一个指令流来处理多个数据流. 这样的机器在数字信号处理，图像处理和多媒体信息处理领域中非常有效. 由英特尔处理器实现的MMXTM，SSE（流式SIMD扩展），SSE2和SSE3扩展指令集可以在一个时钟周期内处理多个数据单元. 换句话说，我们现在使用的单核计算机基本上属于SIMD机器.

MISD: 多指令流单数据流机器. MISD使用多个指令流来处理单个数据流. 鉴于实际情况，使用多个指令流处理多个数据流是一种更为有效的方法，因此MISD只是作为一种理论模型而已，尚未投入实际应用.

MIMD: 多指令流和多数据流机器. MIMD机器可以同时执行多个指令流. 这些指令流在不同的数据流上运行. 最新的多核计算平台属于MIMD. 例如，英特尔和AMD的双核处理器属于MIMD.

（2）冯氏分类

1972年，冯泽云提议使用最大并行度对计算机体系结构进行分类. 所谓的最大并行度Pm是指计算机系统可以在单位时间内处理的最大二进制位数. 假设在每个时钟周期△ti中可以处理的二进制位数为Pi，则在T个时钟周期中的平均并行度为Pa =（∑Pi）/ T（其中i为1、2，...， T）. 平均并行度取决于系统的运行度，与应用程序无关. 因此，时段T中系统的平均利用率为μ= Pa / Pm =（∑Pi）/（T * Pm）. 具有最大并行度的计算机体系结构分类. 平面直角坐标系中的一个点代表一个计算机系统，横坐标代表单词宽度（N位），即一个单词中同时处理的二进制数字的数量；纵坐标表示位片的宽度（M位），即以位表示芯片中可同时处理的字数，最大并行度Pm = N * M.

有四种不同的计算机结构:

①字序列和位序列（缩写为WSBS）. N = 1，M = 1.

②字并行，位串行（缩写为WPBS）. 其中N = 1，M> 1.

③字串行和位并行（缩写为WSBP）. 其中N> 1，M = 1.

④字并行和位并行（缩写为WPBP）. N> 1，M> 1.

（3）计算机体系结构研究面临的挑战

当前，计算机体系结构研究面临着新的挑战:

●多核处理器体系结构带来的高效软件开发和优化问题；

●由纳米级VLSI引起的芯片可靠性；

●高性能计算系统和嵌入式系统中的功耗控制问题；

●满足虚拟计算需求的架构虚拟化问题；

同时，随着新材料和新工艺的迅猛发展，计算机技术不断变化，基于新型纳米功能器件，量子器件或DNA分子的新概念计算正处于探索阶段.

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