计算机体系结构

计算机体系结构 = Computer Architecture，从一个更高的层次对计算机的结构和特性等宏观特性进行研究。

按照计算机处理器的数量进行分类：

1️⃣单处理器系统

利用一个处理单元与其他外部设备结合

2️⃣并行处理与多处理系统

将两个以上的处理器互联，彼此进行通信协调

4️⃣分布式处理系统

CISC和RISC

指令集体系结构（Instruction Set Architecture，ISA），是指一个处理器支持的指令和指令的字节级编码。

不同的处理器族支持不同的指令集体系结构。

CISC 和 RISC 是指令集体系结构发展的两个途径。

1️⃣ CISC

CISC = Complex Instruction Set Computer, 复杂指令集计算机。基本思想是用更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能。

微处理器X86的体系结构属于CISC。

其主要的弊病如下：

指令集过于庞杂
微程序技术是CISC的重要支柱，每条复杂指令都要通过执行一段解释性微程序才能完成，需要多个CPU周期。
由于指令庞杂，使得高级语言编译程序选择目标指令的范围很大，难以优化编译使之生成真正高效的目标代码。
强调完善的中断控制，导致动作繁多，设计复杂，研制周期长。
给芯片设计带来很多困难，芯片种类增多，出错几率大，成品率低下。

2️⃣ RISC

RISC = Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机。基本思想是通过减少指令总数和精简指令功能，降低硬件设计复杂度，使指令能单周期执行。

ARM处理器属于RISC。

RISC的关键技术：

重叠寄存器窗口技术（overlapping register windows）
优化编译技术
超流水线及超标量技术
硬布线逻辑和微程序相结合技术

RISC-V（发音同“risk-five”）是一种免费开源指令集架构(ISA)

流水线技术

⚡是指将一个较复杂的处理过程分为m个复杂程序相当，处理时间大致相等的子过程，每个子过程由一个独立的功能部件来完成。

处理对象在各个子过程组成的线路上连续流程，同一时间，m个部件同时进行不同的操纵，完成不同对象的处理。

指令控制方式有顺序方式、重叠方式、流水方式三种。

💯 考点及例题：

::: warning

P17 通常可以将计算机系统中执行一条指令的过程分为取指令，分析和执行指令3步。若取指令时间为4Δt，分析时间为3Δt。

执行时间为2Δt，按顺序方式从头到尾执行完600条指令所需时间为___Δt;

若按执行第i条、分析第i+1条、读取第i+2条重叠的流水线方式执行指令，则从头到尾执行完600条指令所需时间为____△t。

⚡ 解析：

顺序执行需要： 9* 600 = 5400 Δt

流水线需要：第一条9 Δt，其余 4 Δt，总计需要 9 + 599 * 4 = 2405 Δt

:::

RISC 中采用的流水线技术有三种：超流水线、超标量、以及超长指令字。

阵列处理机、并行处理机和多处理机

并行性包括同时性和并发性两个侧面。

⚡ 同时性：是指两个或两个以上的事件在同一时刻发生。

⚡ 并发性：是指两个或两个以上的事件在同一时间间隔内连续发生。

并行处理分为：存储器并行、处理器操纵步骤并行（流水线处理机）、处理器操纵并行（阵列处理机）和指令、任务、作业多处理机。

阵列处理机

将重复设置的多个处理单元（PU）按一定当时连接成阵列，在单个控制部件控制下，对分配给自己的数据进行处理，并行地完成一条指令的操作。

并行处理机

SIMD 和 MIMD 是电信的并行计算机，SIMD 欧共享存储器和分布式存储器两种形式。

它利用并行原理,重复设置多个处理部件,同时并行处理向量各元素来获得高速度。

多处理机

即有多台处理机组成的系统，每台处理机有属于自己的控制部件，可以执行独立的程序，共享一个主存储器和所有的外部设备。