计算机系统结构

在计算机工程中，计算机体系结构是计算机系统的概念设计和基本运行结构。它是对所有设计要求（特别是速度和互连）的技术图纸和功能描述，它是如何设计和实现计算机的各个部分--主要集中在中央处理单元（CPU）的内部运行方式和如何访问内存中的地址。

它可以被定义为选择和互连硬件组件以创建满足功能、性能和成本目标的计算机的科学和艺术。

计算机架构至少包括三大子类。

  1. 指令集架构，即ISA，是机器语言（或汇编语言）程序员所看到的计算系统的抽象模型，包括指令集、内存地址模式、处理器寄存器以及地址和数据格式。
  2. 微观架构又称计算机组织结构，是一个较低的层次，是对系统的详细描述，它足以完整地描述计算系统各部分的运行情况，以及它们之间如何相互连接和相互操作，以实现ISA。例如计算机的缓存大小，就是一个组织问题，一般与ISA无关。
  3. 系统设计，包括计算机系统中的所有其他硬件组件，如：

·         系统互连，如计算机总线和交换机。

·         内存控制器和层次结构。

·         直接访问内存等CPU卸载机制。

·         多处理等问题。

一旦ISA和微架构都被指定，实际的计算系统就需要设计成硬件。这个设计过程称为实现。实现通常是一个硬件工程设计过程。

实施可以进一步分解为三块，但不完全独立。

  • 逻辑实现。设计在微架构中定义的块，主要是在寄存器传输和门级。
  • 电路实现。基本元件(门、多路复用器、触发器等)以及一些较大的模块(ALU、高速缓存器等)的晶体管级设计，出于性能考虑，可在这一级甚至在较低的物理级别上实现。
  • 物理实现。物理电路被画出来，不同的电路元件被放置在芯片平面图或电路板上，连接它们的电线被布线。

对于CPU来说，整个实现过程通常称为CPU设计；也可以是相关的CPU设计家族，如RISC和CISC。

更多子定义

一些计算机体系结构的从业者使用更多的细分类。

  • 宏观架构。比微观架构更抽象的架构层，例如ISA。
  • 指令集架构（ISA）。如上定义。
  • UISA（微码指令集架构）。具有不同硬件级微架构的机器系列可能共享一个共同的微码架构，因此称为UISA。
  • 汇编ISA。智能汇编器可以将一组CPU通用的抽象汇编语言转换为不同CPU实现的略有不同的机器语言。
  • 程序员可见的宏观架构。更高层次的语言工具，如编译器，可以为使用它们的程序员定义一个确定的接口，抽象出底层ISA、UISA和微架构之间的差异；例如，C、C++或Java标准定义了三种不同的确定的编程接口。
  • 引脚结构。从硬件平台的角度来看，微处理器要提供的一系列功能。例如，期望处理器在执行指令时发出的信号。

计算机结构的例子

  • 由英特尔和AMD制造的x86。
  • 由Sun Microsystems等公司制造的SPARC。
  • 由苹果、IBM和摩托罗拉制造的PowerPC。

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问题和答案

问：什么是计算机架构？
答：计算机体系结构是指计算机系统的概念设计和基本运行结构。它涉及所有设计要求的技术图纸和功能描述，如速度和互连，以创建满足性能、成本和功能目标的计算机。

问：计算机结构的三个主要亚类是什么？
答：计算机体系结构的三个主要子类别是指令集结构（ISA）、微体系结构（也称为计算机组织）和系统设计。

问：ISA涉及什么？
答：指令集架构（ISA）涉及一个机器语言或汇编语言程序员所看到的计算系统的抽象模型。这包括指令集、内存地址模式、处理器寄存器以及地址和数据格式。

问：微架构涉及什么？
答：微架构涉及对系统的较低层次的详细描述，它足以完全描述计算系统所有部分的操作，以及它们如何相互连接和相互作用以实现ISA。

问：系统设计涉及什么？
答：系统设计涉及计算系统内的所有其他硬件组件，如计算机总线和交换机等系统互连；内存控制器；直接内存访问等CPU卸载机制；多处理问题等。

问：如何将实施分解成三块？
答：实现可分为逻辑实现，包括在寄存器传输或门级设计微架构中定义的块；电路实现，包括基本元素或较大块的晶体管级设计；物理实现，包括画出物理电路，在芯片平面图或电路板上放置不同的电路元件，铺设连接它们的导线。

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