计算机体系结构知识笔记

计算机体系结构结构：计算机的概念结构、功能和性能特性，它从一个更高的层次对计算机的结构特征等宏观特征进行研究。

1、计算机体系结构分类

              

2、CISC和RISC

指令体系结构（ISA）：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体系结构。所以程序员编写的程序可以在一种机器上运行，就有可能在另一种机器上无法运行。

2.1 CISC  复杂指令计算机

基本思想是用更复杂的新指令代替原先由软件子程序完成的功能，从而实现软件的硬化。微处理器X86就属于CISC型。

CISC 缺点：

1、指令过于复杂

2、每条复杂指令都要通过一段解释性微程序才能完成，这个需要多个CPU周期，从而降低了机器的处理速度

3、 由于指令系统过于庞大，难以优化编译生成真正高效的目标代码

4、 CISC强调完善中断控制，设计复杂，研制周期长。

5、CISC给芯片设计带来很多困难，使芯片种类增多，出错率大成本高。

2.2 RISC 精简指令计算机

通过减少指令总数和简化指令功能、降低硬件的设计复杂度、使指令能单周期运行，并通过优化编译，提高指令的执行速度，采用硬线控制逻辑，优化编译程序。ARM处理器属于RISC型。

3、流水线技术

3.1 定义

流水线技术是将一个比较复杂的处理过程分为n个复杂程度相当、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，处理对象在各子过程连成的线路上流动，在同一时间，n个部件同时进行不同的操作，完成不同的任务。

3.2 指令的控制方式

顺序方式：各机器指令之间顺序串行地执行。优点：控制简单。缺点：速度慢、各部件利用率低。

重叠方式：在解释第K条指令之前，就开始执行第k+1 条指令。优点：速度有些提高，控制不是很复杂。缺点：会出现冲突、转移和相关等问题，在设计的时候要考虑。

流水方式：模仿工业生成过程的流水线方式而产生的一种指令控制方式。

流水的种类

              

3.3 流水的相关处理

RISC 中采用的流水技术有：超流水线、超标量、超长指令字。

超流水线：是RISC一种并行处理技术。通过细化流水、增加级数和提高主频，使得每个机器周期内完成一个甚至两个浮点操作。实质是时间换空间。

超标量技术：是RISC一种并行处理技术。通过内装多条流水线来同时执行多个处理。实质是空间换时间。

超长指令字VLIW：同时执行多条指令。

3.4 吞吐率和流水建立时间

吞吐量值单位时间内流水线处理机流出的结果数。，对指令而言就是单位时间内执行的指令数。

p=1/max{t1,t2 ...}

4、阵列处理机、并行处理机和多处理机

并行处理包含以下几类

1、存储器操作并行

2、处理器操作步骤并行（流水线处理机）

3、处理器操作并行（阵列处理机）

4、指令、任务、作业并行（多处理机、分布处理系统、计算机网络）