在光滑的屏幕和復(fù)雜的界面背后，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成了使我們的計(jì)算機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的基本組件和過(guò)程。點(diǎn)擊藍(lán)字可以直接與海馬課堂的計(jì)算機(jī)課程老師進(jìn)行咨詢輔導(dǎo)事宜哦！

本文深入探討了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的含義，探索了它的四種類型。

一、什么是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)?定義

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是一種規(guī)范，描述了計(jì)算機(jī)軟件和硬件如何連接和交互以創(chuàng)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。它決定了計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能，以及它兼容的技術(shù) —— 從中央處理單元(CPU)到內(nèi)存、輸入 / 輸出設(shè)備和存儲(chǔ)單元。

理解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的含義對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)家和愛好者來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼧?gòu)成了設(shè)計(jì)創(chuàng)新和高效計(jì)算解決方案的基礎(chǔ)。它還幫助程序員編寫能夠充分利用計(jì)算機(jī)能力的軟件，使他們能夠創(chuàng)建從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序到大型語(yǔ)言模型(LLM)的一切。

這些設(shè)計(jì)決策可能對(duì)計(jì)算機(jī)的處理速度、能源效率和整體系統(tǒng)性能等因素產(chǎn)生巨大影響。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家在構(gòu)建計(jì)算機(jī)時(shí)必須牢記與構(gòu)建物理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)相同的原則。他們必須考慮的三個(gè)主要支柱是：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，包括所有硬件部件，如 CPU、數(shù)據(jù)處理器、多處理器、內(nèi)存控制器和直接內(nèi)存訪問(wèn)。

指令集架構(gòu)(ISA)。這是使計(jì)算機(jī)運(yùn)行的任何軟件，包括 CPU 的功能和能力、編程語(yǔ)言、數(shù)據(jù)格式、處理器寄存器類型和程序員使用的指令。

微體系結(jié)構(gòu)。這定義了數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)元素或數(shù)據(jù)路徑。這些包括存儲(chǔ)設(shè)備和相關(guān)的計(jì)算機(jī)組織工具。

二、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的四種類型

盡管計(jì)算技術(shù)迅速發(fā)展，但計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本原理仍然保持不變。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要有四種類型：馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)、哈佛體系結(jié)構(gòu)、改進(jìn)的哈佛體系結(jié)構(gòu)以及 RISC 和 CISC 體系結(jié)構(gòu)。

1.馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)

以數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家約翰?馮?諾依曼的名字命名，馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)和指令共用一個(gè)單一的內(nèi)存空間，它們被順序地讀取和執(zhí)行。這意味著程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一個(gè)內(nèi)存中，允許對(duì)程序進(jìn)行靈活和容易的修改。

但是指令也是一次一個(gè)地讀取和執(zhí)行，這就造成了一個(gè)瓶頸，即 CPU 不能同時(shí)讀取指令和數(shù)據(jù)。這被稱為馮?諾依曼瓶頸。為了解決這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)代 CPU 采用了緩存和流水線等技術(shù)來(lái)提高效率。

盡管如此，馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中仍然高度相關(guān)和有影響力。馮?諾依曼的體系結(jié)構(gòu)引入了存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的概念，其中指令和數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在同一個(gè)內(nèi)存中，允許靈活的程序執(zhí)行。

2.哈佛體系結(jié)構(gòu)

與馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)中指令和數(shù)據(jù)共享相同的內(nèi)存和數(shù)據(jù)路徑不同，哈佛體系結(jié)構(gòu)是一種計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，它具有單獨(dú)的存儲(chǔ)單元和指令和數(shù)據(jù)的專用路徑。這允許同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)，有可能提高性能。

通過(guò)擁有單獨(dú)的路徑，CPU 可以同時(shí)獲取指令和訪問(wèn)數(shù)據(jù)，而無(wú)需相互等待，從而導(dǎo)致更快的程序執(zhí)行，特別是對(duì)于涉及大量數(shù)據(jù)移動(dòng)的任務(wù)。

單獨(dú)的內(nèi)存單元可以針對(duì)其特定目的進(jìn)行優(yōu)化。例如，指令內(nèi)存可能是只讀的，而數(shù)據(jù)內(nèi)存可能針對(duì)快速讀 / 寫操作進(jìn)行優(yōu)化。

盡管如此，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的存儲(chǔ)和路徑可能比更簡(jiǎn)單的馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，并且擁有單獨(dú)的內(nèi)存單元可能會(huì)增加系統(tǒng)的總體成本。

3.改進(jìn)的哈佛體系結(jié)構(gòu)

改進(jìn)的哈佛體系結(jié)構(gòu)是一種混合類型的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，它結(jié)合了經(jīng)典哈佛體系結(jié)構(gòu)和更廣泛使用的馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的特征。

像真正的哈佛體系結(jié)構(gòu)一樣，改進(jìn)的哈佛體系結(jié)構(gòu)為指令和數(shù)據(jù)使用單獨(dú)的緩存。這些緩存比主內(nèi)存快得多，因此經(jīng)常訪問(wèn)的指令和數(shù)據(jù)可以快速檢索。

然而，與純哈佛體系結(jié)構(gòu)中指令和數(shù)據(jù)具有完全獨(dú)立的物理內(nèi)存單元不同，改進(jìn)的哈佛體系結(jié)構(gòu)將指令和數(shù)據(jù)保存在同一個(gè)主內(nèi)存中。

這種組合允許同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)，比具有單個(gè)緩存的標(biāo)準(zhǔn)馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)提高了性能。與具有單獨(dú)內(nèi)存單元的真正哈佛體系結(jié)構(gòu)相比，統(tǒng)一的內(nèi)存簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并降低了成本。

今天你在計(jì)算機(jī)中發(fā)現(xiàn)的許多處理器都使用了具有單獨(dú)指令和數(shù)據(jù)緩存的改進(jìn)哈佛體系結(jié)構(gòu)

4.RISC 和 CISC 體系結(jié)構(gòu)

RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算)和 CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算)是計(jì)算機(jī)處理器的兩種不同體系結(jié)構(gòu)，它們決定了處理器如何處理指令。

RISC 處理器設(shè)計(jì)有一組基本的、定義明確的指令，這些指令通常是固定長(zhǎng)度的，并且處理器易于快速解碼和執(zhí)行。RISC 的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)硬件以高效執(zhí)行簡(jiǎn)單指令，從而導(dǎo)致更快的時(shí)鐘速度和潛在的更低功耗。RISC 處理器的例子包括智能手機(jī)和平板電腦中常見的 ARM 處理器，以及一些嵌入式系統(tǒng)中使用的 MIPS 處理器。

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