漫谈计算机架构

前言

一说到计算机架构（Computer Architecture），你们可能会有疑问：计算机架构究竟是个什么东西？引用维基百科对计算机架构的定义：

computer architecture is a set of rules and methods that describe the functionality, organization, and implementation of computer systems.
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翻译成中文：计算机架构是描述计算机系统功能，组织和实现的一组规则和方法。而这组规则和方法是经过ISA和Microarchitecture实现的。

咱们知道计算机是由硬件和软件组成的，而它们之间的桥梁是ISA（Instruction Set Architecture，指令集架构），换句话说，硬件的功能经过ISA提供出来，而软件经过ISA规定的指令使用硬件。目前经常使用的ISA有x86和ARM，其中x86采用的是复杂指令集（CISC），被较多的应用于服务器端，而ARM(Advanced RISC Machine)采用的是精简指令集，目前被用于移动端。

微架构（Microarchitecture）是ISA在处理器的实现，描述处理器是怎样实现功能的，其本质就是一系列硬件实现以知足各类指令集。而Microarchitecture是ISA的具体实现，并且对于同一个ISA，可使用不一样技术的微架构 ，好比单周期、多周期以及流水线。好比说x86 ISA有286，386，486，Pretium，Pretium Pro等实现。目前，微架构涉及如下部分：流水线、并行、存储系统分层结构，下面将对这几部分进行详细介绍。

流水线

咱们知道指令的执行过程包含如下几个步骤：取指（IF，instruction Fetch）、译码（ID，Instruction Decode）、执行（EXE，Execution）以及写回（WB，Write Back），在早期微架构中咱们将这些步骤放在同一个周期内顺序完成，这样设计致使效率很低，当进行取值时，其他部件是空闲的。为了提升各个部件工做效率，流水线技术(Pipeline)就应运而生了。

既然流水线技术能够实现不间断取指、解码、执行、写回，那么咱们是否是同时可让几条流水线一块儿工做，这就是超标量技术。不过须要注意的是当先后两条指令存在依赖关系时，流水线须要停顿，例如：

x=1+2
y = x*3
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并行

除了经过流水线技术来提升计算机运行速度以外， 还有没有其余并行技术？按照费林分类法能够将计算机分为：SISD（Single Instruction Stream Single Data Stream,单指令单数据）、SIMD（Single Instruction Stream Mutiple Data Stream，单指令多数据）、MISD（Mutiple Instruction Stream Single Data Stream，多指令单数据）和MIMD（Mutiple Instruction Stream Mutiple Data Stream，多指令多数据）。

早期的冯·诺依曼结构采用的都是SISD，冯·诺依曼结构也称存储程序计算机，它有两个重要特性：1. 指令和数据被存储在内存中；2. 指令被顺序执行，在一个时刻只有一条指令在执行，经过PC（Program Counter）识别当前指令。

SIMD 就是单指令多数据的缩写，将一个指令广播到多个处理器上，但每一个处理器都有本身的数据。也就是说同一份控制指令同时运行不一样的数据，以下图所示，这样作的好处就是减轻的控制成本。目前，GPUs(Graphics Processor Units)采用的就是SIMD架构。

对于MISD这种架构，目前没有系统安装这个结构设计的，这里就不过多介绍了。

下面重点介绍下MIMD，它指的是不一样时刻不一样CPU执行的指令不一样，而且数据也不一样，以下图所示。目前超级计算机，网络并行计算机集群和“网格”，多处理器SMP计算机，多核PC都属于这一类。而MIMD又能够根据内存结构，能够分为共享内存和消息驱动。共享内存就是处理器之间共享内存，经过内存来进行通讯，而消息驱动指的是处理器经过消息驱动来进行通讯。目前共享内存有SMP、NUMA两种，消息驱动对应DM。

SMP全称Symmetric Multi Processors，对称多处理机，又称UMA(Unifor Memory Access，统一内存访问)，全部CPU都共享同一内存。目前Intel和AMD推出的多核CPU应该归为SMP这一类中。

NUMA（NonUniform Memory Access,非一致内存访问），全部CPU共享全部的内存，但不一样的CPU访问不一样的内存速度是不同的。

DM（Distributed Memory,分布式内存）：每一个CPU都有本身的内存，CPU经过消息来通讯，因为每一个处理器都有本身的本地内存，所以，每一个处理对本地内存操做都不会影响其余处理器。并且，内存数量可随着处理器的数量进行扩展。不过，它的缺点就是程序员负责许多与处理器之间数据通讯相关的细节。

存储器分层结构

不管是冯·诺依曼结构仍是其余结构的处理器，最理想的状况下固然是有无限大的存储空间和 0 时延的存储系统了，不过这显然是没法作到的，所以人们就提出了分层式的存储系统结构，从寄存器开始每往下一层容量就更大，可是速度也更慢，以下图所示。寄存器容量最小，可是速度最快。所以，想要设计一个良好的存储系统，须要对容量和速度作一个权衡。

写在最后

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