計算機體系結(jié)構(gòu)是指計算機系統(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)行機器的目的(即處理數(shù)據(jù))，通常避免參考實際的技術(shù)實現(xiàn)。

計算機體系結(jié)構(gòu)是組成計算機系統(tǒng)和驅(qū)動其功能的流程核心的引擎的組件的排列。它指定了編程語言和相關(guān)處理器設(shè)計的機器接口。

復(fù)雜指令集計算機 (CISC) 和精簡指令集計算機 (RISC) 是影響計算機處理器功能的兩種主要架構(gòu)方法。CISC處理器有一個處理單元、輔助存儲器和一組包含數(shù)百個獨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單，因為完成操作所需的代碼行更少。此方法使用較少的內(nèi)存，但可能需要更多的時間來執(zhí)行指令。

經(jīng)過重新評估，基于RISC架構(gòu)的高性能計算機誕生了。硬件設(shè)計得盡可能基本和快速，復(fù)雜的指令可以用更簡單的指令來執(zhí)行。

一、計算機體系結(jié)構(gòu)的組成部分

1.輸入單元及相關(guān)外圍設(shè)備

輸入單元向計算機系統(tǒng)提供外部數(shù)據(jù)源。因此，它將外部環(huán)境連接到計算機。它從輸入設(shè)備接收信息，將其翻譯為機器語言，然后將其插入計算機系統(tǒng)中。鍵盤、鼠標或其他輸入設(shè)備是最常用的，并且具有相應(yīng)的硬件驅(qū)動程序，使它們能夠與計算機體系結(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

輸出單元將計算機處理的結(jié)果傳送給用戶。大多數(shù)輸出??數(shù)據(jù)包括音樂、圖形或視頻。計算機體系結(jié)構(gòu)的輸出設(shè)備包括顯示器、打印單元、揚聲器、耳機等。例如，要播放 MP3 文件，系統(tǒng)會從光盤讀取數(shù)字數(shù)組并存入內(nèi)存。計算機體系結(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，芯片通過輸出單元和相關(guān)外設(shè)使其可供用戶使用。

3.存儲單元/內(nèi)存

存儲單元包含許多用于存儲數(shù)據(jù)的計算機部件。它通常分為主存儲和輔助存儲。主存儲單元計算機體系結(jié)構(gòu)的這個組件也稱為主存儲器，因為 CPU 可以直接訪問它。主存儲器用于在程序執(zhí)行期間存儲信息和指令。隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)是兩種存儲器：RAM直接向 CPU 提供必要的信息。它是間歇性存儲數(shù)據(jù)和指令的臨時存儲器。

ROM是一種包含預(yù)裝指令(包括固件)的存儲器類型。該內(nèi)存的內(nèi)容是持久的且無法修改。ROM 用于在初次啟動時引導(dǎo)機器。計算機現(xiàn)在不知道 ROM 之外的任何內(nèi)容。該芯片指示它如何設(shè)置計算機架構(gòu)、進行開機自檢(POST)，并最終定位硬盤驅(qū)動器以便啟動操作系統(tǒng)。

輔助存儲單元CPU 無法直接訪問輔助或外部存儲器。CPU在使用輔助存儲器數(shù)據(jù)之前，必須將其傳輸?shù)街鞔鎯ζ?。輔助存儲永久保留大量數(shù)據(jù)。示例包括硬盤驅(qū)動器 (HDD)、固態(tài)驅(qū)動器 (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)行匯編語言指令。CPU 與計算機架構(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)并將其加載到存儲器中，以便處理器可以執(zhí)行它。引導(dǎo)加載程序可在臺式機、工作站計算機和嵌入式設(shè)備上找到。它對于所有計算機體系結(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算機功能。它管理內(nèi)存使用情況并調(diào)節(jié)鍵盤、鼠標、顯示器和磁盤驅(qū)動器等設(shè)備。該操作系統(tǒng)還為用戶提供了一個界面，允許他們啟動應(yīng)用程序并訪問驅(qū)動器上的數(shù)據(jù)。通常，操作系統(tǒng)為程序提供一組工具，允許它們訪問屏幕、磁盤驅(qū)動器和計算機體系結(jié)構(gòu)的其他元素。

7.總線

總線是具有相關(guān)目的的信號線的有形集合;通用串行總線 (USB)就是一個很好的例子。總線使電脈沖能夠在計算機設(shè)計的各個組件之間流動，將信息從一個系統(tǒng)傳輸?shù)搅硪粋€系統(tǒng)?？偩€的大小是信息傳輸信號線的數(shù)量。例如，大小為 8 位的總線以并行形式傳輸 8 個數(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前程序的運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)并且目前已準備好執(zhí)行另一項任務(wù)的事實。每次按下按鍵并單擊鼠標按鈕時，系統(tǒng)都會生成一個中斷。

二、計算機體系結(jié)構(gòu)的類型

1.指令集架構(gòu)(ISA)

指令集架構(gòu)(ISA)是連接計算機軟件和硬件的橋梁。它代表了程序員對機器的看法。計算機只能理解二進制語言(0 和 1)，而人類卻能理解高級語言(if-else、while、condition 等)。因此，ISA 通過將高級語言翻譯成二進制語言，在用戶與計算機之間的通信中發(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)來實現(xiàn) ISA，而這些微體系結(jié)構(gòu)會隨著新技術(shù)的出現(xiàn)而改變。因此，可以在不改變 ISA 的情況下，對處理器進行物理設(shè)計，以執(zhí)行給定的指令集?？傊Ⅲw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-服務(wù)器(主機)系統(tǒng)中，多個客戶機(遠程處理器)可從一個集中式服務(wù)器請求和獲取服務(wù)?？蛻魴C允許用戶向服務(wù)器請求服務(wù)，并從服務(wù)器接收響應(yīng)。服務(wù)器接收并回復(fù)客戶端的請求。

服務(wù)器必須向客戶機提供標準化和透明的接口，這樣客戶機就不會察覺到用于提供服務(wù)的系統(tǒng)特征(軟件和硬件組件)。

客戶端通常位于臺式機或筆記本電腦上，而服務(wù)器通常位于網(wǎng)絡(luò)上其他功能更強大的硬件上。當客戶端和服務(wù)器經(jīng)常執(zhí)行預(yù)定任務(wù)時，這種計算架構(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))計算機系統(tǒng)可同時處理多個數(shù)據(jù)點。這為超級計算機和其他性能驚人的設(shè)備鋪平了道路。在這種設(shè)計中，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)是一種由單個物理處理器承載多個處理器邏輯的結(jié)構(gòu)。在多核架構(gòu)中，多個處理器內(nèi)核集成在一個芯片上。其目的是開發(fā)一種能夠同時執(zhí)行多項任務(wù)的系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的整體性能。

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