計算機體系結(jié)構(gòu)是指那些對程序員可見的系統(tǒng)屬性怔软，還包括設計思想與體系結(jié)構(gòu)垦细。今天課課就來和大家分享這篇文章，全面概述了計算機體系結(jié)構(gòu)挡逼。要認真閱讀~
計算機體系結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）是程序員所看到的計算機的屬性括改，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。按照計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)，不同級程序員所看到的計算機具有不同的屬性嘱能。一般來說吝梅，低級機器的屬性對于高層機器程序員基本是透明的，通常所說的計算機體系結(jié)構(gòu)主要指機器語言級機器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)惹骂。經(jīng)典的關(guān)于“計算機體系結(jié)構(gòu)（computerarchitecture）”的定義是1964年C.M.Amdahl在介紹IBM360系統(tǒng)時提出的苏携，其具體描述為“計算機體系結(jié)構(gòu)是程序員所看到的計算機的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性”
計算機體系結(jié)構(gòu)-基本概念
計算機體系結(jié)構(gòu)
計算機體系結(jié)構(gòu)就是指適當?shù)亟M織在一起的一系列系統(tǒng)元素的集合对粪，這些系統(tǒng)元素互相配合右冻、相互協(xié)作，通過對信息的處理而完成預先定義的目標著拭。通常包含的系統(tǒng)元素有：計算機軟件纱扭、計算機硬件、人員儡遮、數(shù)據(jù)庫乳蛾、文檔和過程。其中鄙币，軟件是程序肃叶、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關(guān)文檔的集合，用于實現(xiàn)所需要的邏輯方法十嘿、過程或控制因惭；硬件是提供計算能力的電子設備和提供外部世界功能的電子機械設備(例如傳感器、馬達绩衷、水泵等)筛欢；人員是硬件和軟件的用戶和操作者；數(shù)據(jù)庫是通過軟件訪問的大型的唇聘、有組織的信息集合；文檔是描述系統(tǒng)使用方法的手冊柱搜、表格迟郎、圖形及其他描述性信息；過程是一系列步驟聪蘸，它們定義了每個系統(tǒng)元素的特定使用方法或系統(tǒng)駐留的過程性語境宪肖。
計算機體系結(jié)構(gòu)-8種屬性
計算機體系結(jié)模型
1?機內(nèi)數(shù)據(jù)表示：硬件能直接辨識和操作的數(shù)據(jù)類型和格式
2?尋址方式：最小可尋址單位慨仿、尋址方式的種類久脯、地址運算
3?寄存器組織：操作寄存器、變址寄存器镰吆、控制寄存器及專用寄存器的定義帘撰、數(shù)量和使用規(guī)則
4?指令系統(tǒng)：機器指令的操作類型、格式万皿、指令間排序和控制機構(gòu)
5?存儲系統(tǒng)：最小編址單位摧找、編址方式、主存容量牢硅、最大可編址空間
6?中斷機構(gòu)：中斷類型蹬耘、中斷級別，以及中斷響應方式等
7?輸入輸出結(jié)構(gòu)：輸入輸出的連接方式唤衫、處理機/存儲器與輸入輸出設備間的數(shù)據(jù)交換方式婆赠、數(shù)據(jù)交換過程的控制
8?信息保護：信息保護方式、硬件信息保護機制佳励。
計算機體系結(jié)構(gòu)-發(fā)展歷程
虛存-磁盤存儲器地址轉(zhuǎn)換
計算機系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了四個不同的發(fā)展階段
第一階段
60年代中期以前休里，是計算機系統(tǒng)發(fā)展的早期時代。在這個時期通用硬件已經(jīng)相當普遍赃承，軟件卻是為每個具體應用而專門編寫的妙黍，大多數(shù)人認為軟件開發(fā)是無需預先計劃的事情。這時的軟件實際上就是規(guī)模較小的程序瞧剖，程序的編寫者和使用者往往是同一個(或同一組)人拭嫁。由于規(guī)模小，程序編寫起來相當容易抓于，也沒有什么系統(tǒng)化的方法做粤，對軟件開發(fā)工作更沒有進行任何管理。這種個體化的軟件環(huán)境捉撮，使得軟件設計往往只是在人們頭腦中隱含進行的一個模糊過程怕品，除了程序清單之外，根本沒有其他文檔資料保存下來巾遭。
第二階段
從60年代中期到70年代中期肉康，是計算機系統(tǒng)發(fā)展的第二代。在這10年中計算機技術(shù)有了很大進步灼舍。多道程序赃梧、多用戶系統(tǒng)引入了人機交互的新概念决瞳，開創(chuàng)了計算機應用的新境界，使硬件和軟件的配合上了一個新的層次。實時系統(tǒng)能夠從多個信息源收集压鉴、分析和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，從而使得進程控制能以毫秒而不是分鐘來進行。在線存儲技術(shù)的進步導致了第一代數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的出現(xiàn)。計算機系統(tǒng)發(fā)展的第二代的一個重要特征是出現(xiàn)了“軟件作坊”光督，廣泛使用產(chǎn)品軟件。但是塔粒，“軟件作坊”基本上仍然沿用早期形成的個體化軟件開發(fā)方法结借。隨著計算機應用的日益普及，軟件數(shù)量急劇膨脹卒茬。在程序運行時發(fā)現(xiàn)的錯誤必須設法改正船老；用戶有了新的需求時必須相應地修改程序；硬件或操作系統(tǒng)更新時圃酵，通常需要修改程序以適應新的環(huán)境柳畔。上述種種軟件維護工作，以令人吃驚的比例耗費資源郭赐。更嚴重的是薪韩，許多程序的個體化特性使得它們最終成為不可維護的“贫В“軟件危機”就這樣開始出現(xiàn)了俘陷。1968年北大西洋公約組織的計算機科學家在聯(lián)邦德國召開國際會議，討論軟件危機課題观谦，在這次會議上正式提出并使用了“軟件工程”這個名詞拉盾，一門新興的工程學科就此誕生了。
復雜計算機體系結(jié)構(gòu)圖
第三階段
計算機系統(tǒng)發(fā)展的第三代從20世紀70年代中期開始，并且跨越了整整10年挤巡。在這10年中計算機技術(shù)又有了很大進步剩彬。分布式系統(tǒng)極大地增加亍計算機系統(tǒng)的復雜性，局域網(wǎng)矿卑、廣域網(wǎng)喉恋、寬帶數(shù)字通信以及對“即時”數(shù)據(jù)訪問需求的增加，都對軟件開發(fā)者提出了更高的要求。但是轻黑，在這個時期軟件仍然主要在工業(yè)界和學術(shù)界應用糊肤，個人應用還很少。這個時期的主要特點是出現(xiàn)了微處理器氓鄙，而且微處理器獲得了廣泛應用馆揉。以微處理器為核心的“智能”產(chǎn)品隨處可見，當然抖拦，最重要的智能產(chǎn)品是個人計算機升酣。在不到10年的時間里，個人計算機已經(jīng)成為大眾化的商品态罪。
第四階段
在計算機系統(tǒng)發(fā)展的第四代已經(jīng)不再看重單臺計算機和程序噩茄，人們感受到的是硬件和軟件的綜合效果。由復雜操作系統(tǒng)控制的強大的桌面機及局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)复颈，與先進的應用軟件相配合绩聘，已經(jīng)成為當前的主流。計算機體系結(jié)構(gòu)已迅速地從集中的主機環(huán)境轉(zhuǎn)變成分布的客戶機／服務器(或瀏覽器／服務器)環(huán)境耗啦。世界范圍的信息網(wǎng)為人們進行廣泛交流和資源的充分共享提供了條件凿菩。軟件產(chǎn)業(yè)在世界經(jīng)濟中已經(jīng)占有舉足輕重的地位。隨著時代的前進芹彬，新的技術(shù)也不斷地涌現(xiàn)出來蓄髓。面向?qū)ο蠹夹g(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域迅速地取代了傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法。
總結(jié)
軟件開發(fā)的“第四代技術(shù)”改變了軟件界開發(fā)計算機程序的方式舒帮。專家系統(tǒng)和人工智能軟件終于從實驗室中走出來進入了實際應用会喝，解決了大量實際問題。應用模糊邏輯的人工神經(jīng)網(wǎng)絡軟件玩郊，展現(xiàn)了模式識別與擬人信息處理的美好前景肢执。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與多媒體系統(tǒng)，使得與用戶的通信可以采用和以前完全不同的方法译红。遺傳算法使我們有可能開發(fā)出駐留在大型并行生物計算機上的軟件预茄。
計算機體系結(jié)構(gòu)-基本原理
計算機體系結(jié)構(gòu)
計算機體系結(jié)構(gòu)解決的是計算機系統(tǒng)在總體上想诅、功能上需要解決的問題召庞，它和計算機組成岛心、計算機實現(xiàn)是不同的概念。一種體系結(jié)構(gòu)可能有多種組成篮灼，一種組成也可能有多種物理實現(xiàn)忘古。
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括機器內(nèi)部數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設計等诅诱。其目標是合理地把各種部件髓堪、設備組成計算機，以實現(xiàn)特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逢艘，同時滿足所希望達到的性能價格比旦袋。一般而言，計算機組成研究的范圍包括：確定數(shù)據(jù)通路的寬度它改、確定各種操作對功能部件的共享程度疤孕、確定專用的功能部件、確定功能部件的并行度央拖、設計緩沖和排隊策略祭阀、設計控制機構(gòu)和確定采用何種可靠技術(shù)等。計算機組成的物理實現(xiàn)鲜戒。包括處理機专控、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度遏餐，器件伦腐、模塊、插件失都、底板的劃分與連接柏蘑，專用器件的設計，信號傳輸技術(shù)粹庞，電源咳焚、冷卻及裝配等技術(shù)以及相關(guān)的制造工藝和技術(shù)。
計算機體系結(jié)構(gòu)-分類
指令與數(shù)據(jù)模型
（1）Flynn分類法
1966年庞溜，Michael.J.Flynn提出根據(jù)指令流革半、數(shù)據(jù)流的多倍性（multiplicity）特征對計算機系統(tǒng)進行分類，定義如下流码。
?指令流：機器執(zhí)行的指令序列
?數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列又官，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果
?多倍性：在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)。
Flynn根據(jù)不同的指令流-數(shù)據(jù)流組織方式把計算機系統(tǒng)分為4類漫试。
1?單指令流單數(shù)據(jù)流（SingleInstructionStreamSingleDataStream六敬，SISD）
SISD其實就是傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的單處理器計算機，其指令部件每次只對一條指令進行譯碼商虐，并只對一個操作部件分配數(shù)據(jù)觉阅。
2?單指令流多數(shù)據(jù)流（SingleInstructionStreamMultipleDataStream，SIMD）
SIMD以并行處理機為代表秘车，結(jié)構(gòu)如圖典勇，并行處理機包括多個重復的處理單元PU1～PUn，由單一指令部件控制叮趴，按照同一指令流的要求為它們分配各自所需的不同的數(shù)據(jù)割笙。
3?多指令流單數(shù)據(jù)流（MultipleInstructionStreamSingleDataStream，MISD）
MISD的結(jié)構(gòu)眯亦，它具有n個處理單元伤溉，按n條不同指令的要求對同一數(shù)據(jù)流及其中間結(jié)果進行不同的處理。一個處理單元的輸出又作為另一個處理單元的輸入妻率。
4?多指令流多數(shù)據(jù)流（MultipleInstructionStreamMultipleDataStream乱顾，MIMD）
MIMD的結(jié)構(gòu)，它是指能實現(xiàn)作業(yè)宫静、任務走净、指令等各級全面并行的多機系統(tǒng)，多處理機就屬于MIMD孤里。
馮式分類法
（2）馮式分類法
1972年馮澤云提出用最大并行度來對計算機體系結(jié)構(gòu)進行分類。所謂最大并行度Pm是指計算機系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能夠處理的最大的二進制位數(shù)捌袜。設每一個時鐘周期△ti內(nèi)能處理的二進制位數(shù)為Pi说搅，則T個時鐘周期內(nèi)平均并行度為Pa=(∑Pi)／T(其中i為1，2虏等，…弄唧，T)。平均并行度取決于系統(tǒng)的運行程度博其，與應用程序無關(guān)套才，所以，系統(tǒng)在周期T內(nèi)的平均利用率為μ=Pa/Pm=(∑Pi)/(TPm)慕淡。用最大并行度對計算機體系結(jié)構(gòu)進行的分類背伴。用平面直角坐標系中的一點表示一個計算機系統(tǒng)，橫坐標表示字寬(N位)峰髓，即在一個字中同時處理的二進制位數(shù)傻寂；縱坐標表示位片寬度(M位)，即在一個位片中能同時處理的字數(shù)携兵，則最大并行度Pm=NM疾掰。
由此得出四種不同的計算機結(jié)構(gòu)：
①字串行、位串行(簡稱WSBS)徐紧。其中N＝1静檬，M＝1炭懊。
②字并行、位串行(簡稱WPBS)拂檩。其中N＝1侮腹，M>1。
③字串行稻励、位并行(簡稱WSBP)父阻。其中N>1，M＝1望抽。
④字并行加矛、位并行(簡稱WPBP)。其中N>1煤篙，M>1斟览。
計算機體系結(jié)構(gòu)-技術(shù)革新
可信終端體系結(jié)構(gòu)
計算機體系結(jié)構(gòu)以圖靈機理論為基礎(chǔ)味悄，屬于馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)。本質(zhì)上塌鸯，圖靈機理論和馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)是一維串行的侍瑟，而多核處理器則屬于分布式離散的并行結(jié)構(gòu)，需要解決二者的不匹配問題丙猬。
首先涨颜，串行的圖靈機模型和物理上分布實現(xiàn)的多核處理器的匹配問題。圖靈機模型意味著串行的編程模型茧球。串行程序很難利用物理上分布實現(xiàn)的多個處理器核獲得性能加速.與此同時,并行編程模型并沒有獲得很好的推廣庭瑰，僅僅局限在科學計算等有限的領(lǐng)域.研究者應該尋求合適的機制來實現(xiàn)串行的圖靈機模型和物理上分布實現(xiàn)的多核處理器的匹配問題或縮小二者之間的差距，解決“并行程序編程困難抢埋，串行程序加速小”的問題弹灭。
在支持多線程并行應用方面，未來多核處理器應該從如下兩個方向加以考慮揪垄。第一是引入新的能夠更好的能夠表示并行性的編程模型穷吮。由于新的編程模型支持編程者明確表示程序的并行性，因此可以極大的提升性能饥努。比如Cell處理器提供不同的編程模型用于支持不同的應用捡鱼。其難點在于如何有效推廣該編程模型以及如何解決兼容性的問題。第二類方向是提供更好的硬件支持以減少并行編程的復雜性酷愧。并行程序往往需要利用鎖機制實現(xiàn)對臨界資源的同步驾诈、互斥操作缠诅，編程者必須慎重確定加鎖的位置，因為保守的加鎖策略限制了程序的性能乍迄，而精確的加鎖策略大大增加了編程的復雜度滴铅。一些研究在此方面做了有效的探索。比如就乓，SpeculativeLockElision機制允許在沒有沖突的情況下忽略程序執(zhí)行的鎖操作，因而在降低編程復雜度的同時兼顧了并行程序執(zhí)行的性能拱烁。這樣的機制使得編程者集中精力考慮程序的正確性問題生蚁，而無須過多地考慮程序的執(zhí)行性能。更激進的戏自，TransactionalCoherenceandConsistency(TCC)機制以多個訪存操作（Transaction）為單位考慮數(shù)據(jù)一致性問題邦投，進一步簡化了并行編程的復雜度。
主流的商業(yè)多核處理器主要針對并行應用擅笔，如何利用多核加速串行程序仍然是一個值得關(guān)注的問題志衣。其關(guān)鍵技術(shù)在于利用軟件或硬件自動地從串新程序中派生出能夠在多核處理器上并行執(zhí)行的代碼或線程。多核加速串行程序主要有三種方法猛们，包括并行編譯器念脯、推測多線程以及基于線程的預取機制等。在傳統(tǒng)并行編譯中弯淘，編譯器需要花費很大的精力來保證擬劃分線程之間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系绿店。編譯時存在大量模糊依賴，尤其是在允許使用指針（如C程序）的情況下庐橙，編譯器不得不采用保守策略來保證程序執(zhí)行的正確性假勿。這大大限制了串行程序可以挖掘的并發(fā)程度，也決定了并行編譯器只能在狹窄范圍使用态鳖。為解決這些問題转培，人們提出推測多線程以及基于線程的預取機制等。然而浆竭，從這種概念提出到現(xiàn)在為止浸须，這個方向的研究大部分局限于學術(shù)界，僅有個別商業(yè)化處理器應用了這種技術(shù)兆蕉，并且僅僅局限于特殊的應用領(lǐng)域羽戒。我們認為動態(tài)優(yōu)化技術(shù)和推測多線程（包括基于線程的預取機制）的結(jié)合是未來的可能發(fā)展趨勢。
馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的一維地址空間和多核處理器的多維訪存層次的匹配問題虎韵。本質(zhì)上易稠，馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)采用了一維地址空間。由于不均勻的數(shù)據(jù)訪問延遲和同一數(shù)據(jù)在多個處理器核上的不同拷貝導致了數(shù)據(jù)一致性問題包蓝。該領(lǐng)域的研究分為兩大類：一類研究主要是引入新的訪存層次驶社。新的訪存層次可能采用一維分布式實現(xiàn)方式企量。典型的例子是增加分布式統(tǒng)一編址的寄存器網(wǎng)絡。全局統(tǒng)一編址的特性避免了數(shù)據(jù)一致性地考慮亡电。同時届巩，相比于傳統(tǒng)的大容量cache訪問，寄存器又能提供更快的訪問速度份乒。TRIPS和RAW都有實現(xiàn)了類似得寄存器網(wǎng)絡恕汇。令另外，新的訪存層次也可以是私有的形式或辖。比如每個處理器和都有自己私有的訪存空間瘾英。其好處是更好的劃分了數(shù)據(jù)存儲空間，已洗局部私有數(shù)據(jù)沒有必要考慮數(shù)據(jù)一致性問題颂暇。比如Cell處理器為每個SPE核設置了私有的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)缺谴。另一類研究主要涉及研制新的cache一致性協(xié)議。其重要趨勢是放松正確性和性能的關(guān)系耳鸯。比如推測Cache協(xié)議在數(shù)據(jù)一致性未得到確認之前就推測執(zhí)行相關(guān)指令湿蛔，從而減少了長遲訪存操作對流水線的影響。此外县爬，TokenCoherence和TCC也采用了類似的思想阳啥。
計算機系統(tǒng)發(fā)展的第三代從20世紀70年代中期開始，并且跨越了整整10年财喳。在這10年中計算機技術(shù)又有了很大進步苫纤。分布式系統(tǒng)極大地增加亍計算機系統(tǒng)的復雜性，局域網(wǎng)纲缓、廣域網(wǎng)卷拘、寬帶數(shù)字通信以及對"即時"數(shù)據(jù)訪問需求的增加，都對軟件開發(fā)者提出了更高的要求祝高。但是栗弟，在這個時期軟件仍然主要在工業(yè)界和學術(shù)界應用，個人應用還很少工闺。這個時期的主要特點是出現(xiàn)了微處理器乍赫，而且微處理器獲得了廣泛應用。以微處理器為核心的"智能"產(chǎn)品隨處可見陆蟆，當然雷厂，最重要的智能產(chǎn)品是個人計算機。在不到10年的時間里叠殷，個人計算機已經(jīng)成為大眾化的商品改鲫。
網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)中涉及到了：協(xié)議像棘、實體稽亏、接口
計算機網(wǎng)絡中實現(xiàn)通信就必須依靠網(wǎng)絡通過協(xié)議。在20世紀70年代缕题，各大計算機生產(chǎn)商的產(chǎn)品都擁有自己的網(wǎng)絡通信協(xié)議截歉。但是不同的廠家生產(chǎn)的計算機系統(tǒng)就難以連接，為了實現(xiàn)不同廠商生產(chǎn)的計算機系統(tǒng)之間以及不同網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)通信烟零，國際標準話組織ISO（開放系統(tǒng)互連參考模型）即OSI/RM也稱為ISO/OSI瘪松，該系統(tǒng)稱為開放系統(tǒng)。
外部體系結(jié)構(gòu)
程序的多樣性和單一的體系結(jié)構(gòu)的匹配問題锨阿。未來的應用展現(xiàn)出多樣性的特點凉逛。一方面，處理器的評估不僅僅局限于性能群井，也包括可靠性，安全性等其他指標毫胜。另一方面书斜，即便考慮僅僅追求性能的提高，不同的應用程序也蘊含了不同層次的并行性酵使。應用的多樣性驅(qū)使未來的處理器具有可配置荐吉、靈活的體系結(jié)構(gòu)。TRIPS在這方面作了富有成效的探索口渔，比如其處理器核和片上存儲系統(tǒng)均有可配置的能力样屠，從而使得TRIPS能夠同時挖掘指令級并行性、數(shù)據(jù)級并行性及指令級并行性缺脉。
多核和Cell等新型處理結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)不僅是處理器架構(gòu)歷史上具有里程碑式的事件痪欲，對傳統(tǒng)以來的計算模式和計算機體系架構(gòu)也是一種顛覆
2005年，一系列具有深遠影響的計算機體系結(jié)構(gòu)被曝光攻礼，有可能為未來十年的計算機體系結(jié)構(gòu)奠定根本性的基礎(chǔ)业踢，至少為處理器乃至整個計算機體系結(jié)構(gòu)做出了象征性指引。隨著計算密度的提高礁扮，處理器和計算機性能的衡量標準和方式在發(fā)生變化知举，從應用的角度講太伊，講究移動和偏向性能兩者已經(jīng)找到了最令人滿意的結(jié)合點，并且有可能引爆手持設備的急劇膨脹僚焦。盡管現(xiàn)在手持設備也相對普及，在計算能力、可擴展性以及能耗上屡江，完全起步到一臺手持設備應該具備的作用；另一方面惩嘉，講究性能的服務器端和桌面端，開始考慮減少電力消耗趕上節(jié)約型社會的大潮流踢故。
Cell本身適應這種變化文黎，同樣也是它自己創(chuàng)造了這種變化。因而從它開始就強調(diào)了不一樣的設計風格殿较，除了能夠很好地進行多倍擴展外耸峭，處理器內(nèi)部的SPU(SynergisticProcessorUnit協(xié)同處理單元)具有很好的擴展性，因而可以同時面對通用和專用的處理淋纲，實現(xiàn)處理資源的靈活重構(gòu)劳闹。也就意味著，通過適當?shù)能浖刂魄⑺玻珻ell能應付多種類型的處理任務本涕，同時還能夠精簡設計的復雜。
