什么是計算機體系結構?本文給你解答!

計算機體系結構是指計算機系統的端到端結構，它確定其組件如何相互交互以幫助執行機器的目的(即處理數據)，通常避免參考實際的技術實現。

計算機體系結構是組成計算機系統和驅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處理器設計的機器接口。

復雜指令集計算機 (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方法。CISC處理器有一個處理單元、輔助存儲器和一組包含數百個獨特命令的微小寄存器。這些處理器使用單條指令執行任務，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存，但可能需要更多的時間來執行指令。

經過重新評估，基于RISC架構的高性能計算機誕生了。硬件設計得盡可能基本和快速，復雜的指令可以用更簡單的指令來執行。

一、計算機體系結構的組成部分

1.輸入單元及相關外圍設備

輸入單元向計算機系統提供外部數據源。因此，它將外部環境連接到計算機。它從輸入設備接收信息，將其翻譯為機器語言，然后將其插入計算機系統中。鍵盤、鼠標或其他輸入設備是最常用的，并且具有相應的硬件驅動程序，使它們能夠與計算機體系結構的其余部分同步工作。

2.輸出單元及相關外圍設備

輸出單元將計算機處理的結果傳送給用戶。大多數輸出??數據包括音樂、圖形或視頻。計算機體系結構的輸出設備包括顯示器、打印單元、揚聲器、耳機等。例如，要播放 MP3 文件，系統會從光盤讀取數字數組并存入內存。計算機體系結構處理這些數字，將壓縮音頻數據轉換為未壓縮音頻數據，然后將所得的一組數字(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外設使其可供用戶使用。

3.存儲單元/內存

存儲單元包含許多用于存儲數據的計算機部件。它通常分為主存儲和輔助存儲。主存儲單元計算機體系結構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。它是間歇性存儲數據和指令的臨時存儲器。

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

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據之前，必須將其傳輸到主存儲器。輔助存儲永久保留大量數據。示例包括硬盤驅動器 (HDD)、固態驅動器 (SSD)、光盤 (CD) 等。

4.中央處理器(CPU)

中央處理單元包括寄存器、算術邏輯單元(ALU)和控制電路，它們解釋和執行匯編語言指令。CPU 與計算機架構的所有其他部分交互，以理解數據并提供必要的輸出。以下是 CPU 子組件的簡要概述：

5.引導加載程序

固件包含引導加載程序，這是由處理器執行的特定程序，該程序從磁盤(或非易失性存儲器或網絡接口，視情況而定)檢索操作系統并將其加載到存儲器中，以便處理器可以執行它。引導加載程序可在臺式機、工作站計算機和嵌入式設備上找到。它對于所有計算機體系結構都是必不可少的。

6.操作系統(OS)

操作系統控制著固件之上的計算機功能。它管理內存使用情況并調節鍵盤、鼠標、顯示器和磁盤驅動器等設備。該操作系統還為用戶提供了一個界面，允許他們啟動應用程序并訪問驅動器上的數據。通常，操作系統為程序提供一組工具，允許它們訪問屏幕、磁盤驅動器和計算機體系結構的其他元素。

7.總線

總線是具有相關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?？偩€使電脈沖能夠在計算機設計的各個組件之間流動，將信息從一個系統傳輸到另一個系統。總線的大小是信息傳輸信號線的數量。例如，大小為 8 位的總線以并行形式傳輸 8 個數據位。

8.中斷結構

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備發生故障，或者只是 I/O 設備已完成其先前的任務并且目前已準備好執行另一項任務的事實。每次按下按鍵并單擊鼠標按鈕時，系統都會生成一個中斷。

二、計算機體系結構的類型

1.指令集架構(ISA)

指令集架構(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揮著重要作用。

2.微體系結構

與 ISA 不同，微體系結構側重于在較低層次執行指令。后者受微處理器結構設計的影響。

微體系結構是一種指令集體系結構包含處理器的技術。技術專家和硬件科學家使用不同的微體系結構來實現 ISA，而這些微體系結構會隨著新技術的出現而改變。因此，可以在不改變 ISA 的情況下，對處理器進行物理設計，以執行給定的指令集?？傊Ⅲw系結構是微處理器電氣元件和數據路徑的特定邏輯安排。它有助于優化指令的執行。

3.客戶-服務器體系結構

在客戶機-服務器(主機)系統中，多個客戶機(遠程處理器)可從一個集中式服務器請求和獲取服務?？蛻魴C允許用戶向服務器請求服務，并從服務器接收響應。服務器接收并回復客戶端的請求。

服務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的系統特征(軟件和硬件組件)。

客戶端通常位于臺式機或筆記本電腦上，而服務器通常位于網絡上其他功能更強大的硬件上。當客戶端和服務器經常執行預定任務時，這種計算架構的效率最高。

4.SIMD(單指令多數據)架構

SIMD(單指令多數據)計算機系統可同時處理多個數據點。這為超級計算機和其他性能驚人的設備鋪平了道路。在這種設計中，所有處理器從控制器接收相同的指令，但處理不同的數據包。共享內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

多核架構是一種由單個物理處理器承載多個處理器邏輯的結構。在多核架構中，多個處理器內核集成在一個芯片上。其目的是開發一種能夠同時執行多項任務的系統，從而提高系統的整體性能。

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