漫谈计算机架构.md

前言

一说到计算机架构（Computer Architecture），大家可能会有疑问：计算机架构到底是个什么东西？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.

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通过ISA和Microarchitecture实现的。

我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，硬件的功能通过ISA提供出来，而软件通过ISA规定的指令使用硬件。目前常用的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满足各种指令集。而Microarchitecture是ISA的具体实现，而且对于同一个ISA，可以使用不同技术的微架构 ，比如单周期、多周期以及流水线。比如说x86 ISA有286，386，486，Pretium，Pretium Pro等实现。目前，微架构涉及以下部分：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

我们知道指令的执行过程包含以下几个步骤：取指（IF，instruction Fetch）、译码（ID，Instruction Decode）、执行（EXE，Execution）以及写回（WB，Write Back），在早期微架构中我们将这些步骤放在同一个周期内顺序完成，这样设计导致效率很低，当进行取值时，其余部件是空闲的。为了提高各个部件工作效率，流水线技术(Pipeline)就应运而生了。

既然流水线技术可以实现不间断取指、解码、执行、写回，那么我们是不是同时可以让几条流水线一起工作，这就是超标量技术。不过需要注意的是当前后两条指令存在依赖关系时，流水线需要停顿，例如：

x=1+2
y = x*3

并行

除了通过流水线技术来提高计算机运行速度之外， 还有没有其他并行技术？按照费林分类法可以将计算机分为：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）。

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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，通过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，但每个处理器都有自己的数据。也就是说同一份控制指令同时运行不同的数据，如下图所示，这样做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，它指的是不同时刻不同CPU执行的指令不同，并且数据也不同，如下图所示。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又可以根据内存结构，可以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，通过内存来进行通信，而消息驱动指的是处理器通过消息驱动来进行通信。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)，所有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），所有CPU共享所有的内存，但不同的CPU访问不同的内存速度是不一样的。

DM（Distributed Memory,分布式内存）：每个CPU都有自己的内存，CPU通过消息来通信，由于每个处理器都有自己的本地内存，因此，每个处理对本地内存操作都不会影响其他处理器。而且，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信相关的细节。

DM

存储器分层结构

无论是冯·诺依曼结构还是其他结构的处理器，最理想的情况下当然是有无限大的存储空间和 0 时延的存储系统了，不过这显然是无法做到的，因此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，但是速度也更慢，如下图所示。寄存器容量最小，但是速度最快。因此，想要设计一个良好的存储系统，需要对容量和速度做一个权衡。

写在最后

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