什么是计算机体系结构?本文给你解答!

计算机体系结构是指计算机系统的端到端结构，它确定其组件如何相互交互以帮助执行机器的目的(即处理数据)，通常避免参考实际的技术实现。

计算机体系结构是组成计算机系统和驱动其功能的流程核心的引擎的组件的排列。它指定了编程语言和相关处理器设计的机器接口。

复杂指令集计算机 (CISC) 和精简指令集计算机 (RISC) 是影响计算机处理器功能的两种主要架构方法。CISC处理器有一个处理单元、辅助存储器和一组包含数百个独特命令的微小寄存器。这些处理器使用单条指令执行任务，从而使程序员的工作更加简单，因为完成操作所需的代码行更少。此方法使用较少的内存，但可能需要更多的时间来执行指令。

经过重新评估，基于RISC架构的高性能计算机诞生了。硬件设计得尽可能基本和快速，复杂的指令可以用更简单的指令来执行。

一、计算机体系结构的组成部分

1.输入单元及相关外围设备

输入单元向计算机系统提供外部数据源。因此，它将外部环境连接到计算机。它从输入设备接收信息，将其翻译为机器语言，然后将其插入计算机系统中。键盘、鼠标或其他输入设备是最常用的，并且具有相应的硬件驱动程序，使它们能够与计算机体系结构的其余部分同步工作。

2.输出单元及相关外围设备

输出单元将计算机处理的结果传送给用户。大多数输出​​数据包括音乐、图形或视频。计算机体系结构的输出设备包括显示器、打印单元、扬声器、耳机等。例如，要播放 MP3 文件，系统会从光盘读取数字数组并存入内存。计算机体系结构处理这些数字，将压缩音频数据转换为未压缩音频数据，然后将所得的一组数字(未压缩音频文件)输出到音频芯片。然后，芯片通过输出单元和相关外设使其可供用户使用。

3.存储单元/内存

存储单元包含许多用于存储数据的计算机部件。它通常分为主存储和辅助存储。主存储单元计算机体系结构的这个组件也称为主存储器，因为 CPU 可以直接访问它。主存储器用于在程序执行期间存储信息和指令。随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)是两种存储器：RAM直接向 CPU 提供必要的信息。它是间歇性存储数据和指令的临时存储器。

ROM是一种包含预装指令(包括固件)的存储器类型。该内存的内容是持久的且无法修改。ROM 用于在初次启动时引导机器。计算机现在不知道 ROM 之外的任何内容。该芯片指示它如何设置计算机架构、进行开机自检(POST)，并最终定位硬盘驱动器以便启动操作系统。

辅助存储单元CPU 无法直接访问辅助或外部存储器。CPU在使用辅助存储器数据之前，必须将其传输到主存储器。辅助存储永久保留大量数据。示例包括硬盘驱动器 (HDD)、固态驱动器 (SSD)、光盘 (CD) 等。

4.中央处理器(CPU)

中央处理单元包括寄存器、算术逻辑单元(ALU)和控制电路，它们解释和执行汇编语言指令。CPU 与计算机架构的所有其他部分交互，以理解数据并提供必要的输出。以下是 CPU 子组件的简要概述：

5.引导加载程序

固件包含引导加载程序，这是由处理器执行的特定程序，该程序从磁盘(或非易失性存储器或网络接口，视情况而定)检索操作系统并将其加载到存储器中，以便处理器可以执行它。引导加载程序可在台式机、工作站计算机和嵌入式设备上找到。它对于所有计算机体系结构都是必不可少的。

6.操作系统(OS)

操作系统控制着固件之上的计算机功能。它管理内存使用情况并调节键盘、鼠标、显示器和磁盘驱动器等设备。该操作系统还为用户提供了一个界面，允许他们启动应用程序并访问驱动器上的数据。通常，操作系统为程序提供一组工具，允许它们访问屏幕、磁盘驱动器和计算机体系结构的其他元素。

7.总线

总线是具有相关目的的信号线的有形集合;通用串行总线 (USB)就是一个很好的例子。总线使电脉冲能够在计算机设计的各个组件之间流动，将信息从一个系统传输到另一个系统。总线的大小是信息传输信号线的数量。例如，大小为 8 位的总线以并行形式传输 8 个数据位。

8.中断结构

中断，在某些处理器中也称为陷阱或异常，是一种将处理器从当前程序的运行中重定向到可以处理事件的方法。此类事件可能是外围设备发生故障，或者只是 I/O 设备已完成其先前的任务并且目前已准备好执行另一项任务的事实。每次按下按键并单击鼠标按钮时，系统都会生成一个中断。

二、计算机体系结构的类型

1.指令集架构(ISA)

指令集架构(ISA)是连接计算机软件和硬件的桥梁。它代表了程序员对机器的看法。计算机只能理解二进制语言(0 和 1)，而人类却能理解高级语言(if-else、while、condition 等)。因此，ISA 通过将高级语言翻译成二进制语言，在用户与计算机之间的通信中发挥着重要作用。

2.微体系结构

与 ISA 不同，微体系结构侧重于在较低层次执行指令。后者受微处理器结构设计的影响。

微体系结构是一种指令集体系结构包含处理器的技术。技术专家和硬件科学家使用不同的微体系结构来实现 ISA，而这些微体系结构会随着新技术的出现而改变。因此，可以在不改变 ISA 的情况下，对处理器进行物理设计，以执行给定的指令集。总之微体系结构是微处理器电气元件和数据路径的特定逻辑安排。它有助于优化指令的执行。

3.客户-服务器体系结构

在客户机-服务器(主机)系统中，多个客户机(远程处理器)可从一个集中式服务器请求和获取服务。客户机允许用户向服务器请求服务，并从服务器接收响应。服务器接收并回复客户端的请求。

服务器必须向客户机提供标准化和透明的接口，这样客户机就不会察觉到用于提供服务的系统特征(软件和硬件组件)。

客户端通常位于台式机或笔记本电脑上，而服务器通常位于网络上其他功能更强大的硬件上。当客户端和服务器经常执行预定任务时，这种计算架构的效率最高。

4.SIMD(单指令多数据)架构

SIMD(单指令多数据)计算机系统可同时处理多个数据点。这为超级计算机和其他性能惊人的设备铺平了道路。在这种设计中，所有处理器从控制器接收相同的指令，但处理不同的数据包。共享内存单元需要大量模块，这些模块可同时与所有处理器通信。

5.多核架构

多核架构是一种由单个物理处理器承载多个处理器逻辑的结构。在多核架构中，多个处理器内核集成在一个芯片上。其目的是开发一种能够同时执行多项任务的系统，从而提高系统的整体性能。

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