计算机系统体系结构

1. 什么是计算机体系结构

计算机体系结构描述了程序员视角中的计算机，它是一个抽象的计算机模型，定义了计算机的指令集、寄存器、数据类型等。体系结构与计算机的实际硬件实现（计算机组成）是分开的，它关注的是如何高效地执行程序，而不考虑硬件的具体实现细节。

术语解释

• 指令集体系结构（ISA）：描述了程序员看到的计算机的抽象视图，定义了汇编语言和编程模型。
• 微体系结构：描述了一种指令集体系结构的具体实现方式，关注计算机的内部设计。
• 系统体系结构：关注包括处理器、存储器、总线和外设在内的整个系统。

计算机系统体系结构所涉及的内容

• 中央处理单元（CPU）：执行程序的部件。
• 存储器系统：保存程序和数据，包括Cache、主存、辅存等。
• 输入输出子系统：使CPU与外部设备（如显示器、打印机）通信。

简单通用计算机结构

• 存储器层次：包括Cache、主存、辅存等，用于提高数据访问速度。
• 总线：连接计算机各功能单元，允许数据交换。
• 寄存器：CPU内部的高速存储单元，用于存放数据。

计算机指令

• 基本指令：如MOV（移动）、LOAD（加载）、STORE（存储）、ADD（加法）、TEST（测试）、BEQ（等于时跳转）等。

程序执行过程

• 指令执行：CPU从存储器读取指令，执行后可能需要读取数据，最后可能写回结果。
• 指令格式：包括操作码和操作数地址，操作数可以是寄存器或存储器地址。

在上图中，从存储器中读出一条Z=X+Y的指令，将其发送给解释单元，解释单元产生控制信号，驱动这条指令的执行。假定这个程序的功能是从存储器读出两个数据（X和Y），将它们相加，然后写回存储器。

要执行这个程序，CPU必须首先从存储器中取出一条指令，在CPU分析或解码这条指令后，从存储器中读出这条指令所需的所有数据。

• 第一条指令，LOAD X，从存储器中读出变量X的值，并将它暂存在寄存器中。
• 第二条指令，LOAD Y，从存储器中读出变量Y的值，并保存在另一个寄存器中。
• 第三条指令，Z=X+Y，将两个寄存器的内容相加，并将结果保存在第三个寄存器中。
• 第四条指令，STORE Z，将加法的结果写回存储单元Z。

时钟

绝大多数数字电子电路都带有一个时钟，用以生成连续的间隔固定的电脉冲流。

之所以被称作时钟，是因为可用这些电脉冲来计时或确定计算机内所有事件的顺序。如，处理器可能会在每一个时钟脉冲到来时执行一条新指令

2. 计算机的发展

机械计算机

机械计算机的历史可以追溯到古代，当时的人们使用算盘进行计算。但真正意义上的机械计算机出现在19世纪，由查尔斯·巴贝奇设计的差分机和分析机。尽管它们从未被完全制造出来，但它们的设计理念影响了计算机的发展。

机电式计算机

机电式计算机是计算机历史上的一个重要阶段，它们使用电气和机械设备进行计算。例如，赫尔曼·霍尔雷斯设计的塔布拉图机，这是一种自动化的打孔卡机械计算机。另一个例子是哈佛马克一号，这是一种大型电动机械计算机。

早期电子计算机

二战期间，计算机技术取得了重大突破，出现了一批电子计算机。例如，英国的科尔斯斯机，用于破解德国的恩尼格玛密码。美国的ENIAC（电子数值积分计算机），是世界上第一台通用电子计算机。

微机和PC革命

20世纪70年代，微处理器的发明使得计算机可以变得更小、更便宜、更强大。这使得个人计算机（PC）成为可能。IBM的PC和苹果的Apple II是这个时期的代表作。

20世纪80年代和90年代，微软的Windows操作系统和因特网的普及，使得PC进一步普及，成为日常生活和工作的必需品。

移动计算和云计算

21世纪，移动设备（如智能手机和平板电脑）和云计算的兴起，进一步改变了计算的方式。现在，我们可以随时随地进行计算，而且可以利用云计算的强大计算能力进行大规模的数据处理。

计算机的发展仍在继续，例如量子计算、人工智能等新技术正在改变我们的生活和工作。

摩尔定律

摩尔定律是由英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔在1965年提出的。他预测，集成电路上可容纳的晶体管数量，大约每两年会翻一番。这意味着计算机的性能大约每两年会翻一番。这个预测在过去的几十年中基本上得到了验证，推动了计算机技术的快速发展。

然而，近年来，随着晶体管尺寸接近物理极限，摩尔定律的速度已经开始放缓。这引发了对新计算技术，如量子计算和神经计算的研究。

乱序执行

乱序执行是一种在计算机中提高指令执行效率的技术。在乱序执行中，处理器会在指令流中查找可以并行执行的指令，然后按照优化的顺序执行这些指令。这样可以充分利用处理器的计算资源，提高执行效率。

乱序执行是现代超标量和超线程处理器的重要技术之一。它需要复杂的硬件支持，包括指令调度器、寄存器重命名和重排序缓冲区等。

乱序执行技术使得现代处理器能够在单个时钟周期内执行多个指令，大大提高了处理器的性能。但是，它也带来了一些挑战，例如处理器设计的复杂性和功耗问题。

3. 存储程序计算机

这幅图叫作存储器映射，它展示了信息在存储器中的存放位置。它是存储器的一幅快照，因为它表示存储器在某个特定时刻的状态。存储器映射也包含程序使用的变量和数字串。

存储器中的每个位置要么保存了指令要么保存了数据元素。第一列中的数字0~37为地址，代表了数据元素和指令在存储器内的存放位置（地址从0而不是1开始，因为0是一个合法的标识符）。

程序位于地址0~16的位置，变量位于地址17~20的位置，而数据（串）位于地址21~37的位置。可以将计算机的存储器视作一个数据元素的表格——每个元素的位置就是它的地址。例如，地址为4的存储单元保存了指令“将Max_Run置为1”而地址为20的存储单元保存了元素Max_Run的值。17行及其后面的各行使用了粗体字，表明它们保存了变量以及要处理的数串。

寄存器传输语言（RTL）

使用RTL描述计算机内部操作。

在RTL语言中，用方括号[ ]表示存储单元的内容，如

[15] = Max_Run

含义是：地址为15的存储单元保存了变量Max_Run的值 左箭头符号表示数据传送操作，如

[15]<–[15] + 1

含义是：将地址为15的存储单元的值加1，并将结果写回地址为15的存储单元

存储程序的概念

下面的伪代码描述了存储程序计算机的基本操作：

存储程序计算机

 	程序计数器指向存储器中的第一条指令

	 REPEAT

 		从程序计数器所指的存储单元中读出指令

		修改程序计数器，使之指向下一条指令

 		将从存储器中取出的指令解码

 		执行指令

 	FOREVER
 	
End

从存储器中取出每条指令都需要进行一次访存操作（即读存储器）。

可以用下面的伪代码描述“执行指令”这一动作：

 执行指令

 	IF 指令需要使用数据

 		THEN 从存储器中读这个数

 	END_IF

 	完成指令定义的操作

 	IF 指令要将数据写回存储器

 		THEN 将数据写回存储器

 	END_IF

 End

执行一条指令需要至少两次访存，第一次访存是读取指令，第二次访存要么从存储器读出指令需要的数据，要么将它之前的指令产生的或修改过的数据写回存储器。

指令格式

三操作指令

ADD P,Q,R是一条典型的三操作数指令，P、Q、R是三个存储单元地址的符号名。

这个三操作数指令格式用RTL表示为：

如图，描述了指令的4个字段与CPU、存储器以及指令的执行方式之间的关系

两地址指令

有些计算机实现了两地址指令，其格式为：

Address2为源操作数，Address1既是源操作数也是目的操作数。

指令ADD P,Q的RTL定义为：

• 两地址指令会破坏它的一个操作数，也就是说，会用结果替换源操作数P在实际计算机中。
• 一般不允许同一条指令中使用两个存储地址，大多数计算机都规定一个地址是存储器地址，另一个地址是寄存器。

单地址指令

有些计算机实现单地址指令，其格式为：

指令中只提供了一个操作数地址，而指令却需要至少两个地址，处理器不得不使用一个不需要显示地址的第二操作数，第二个操作数来自CPU内一个叫累加器（accumulator）的寄存器。

如图，描述了一条单操作数指令执行过程中的信息流，操作结果将一直保存在寄存器中，直到另一条指令将它送入存储器。

计算机分类

可以按照计算机的指令处理数据的方式对计算机分类

• 存储器-存储器型：一条指令能够从存储器中读出源操作数，对数据完成某个操作，并将结果保存在存储器中
• 寄存器-存储器型：能够处理两个数据，其中一个位于存储器中，另一个位于寄存器中，结果要么被写回存储器，要么被写回寄存器，如Intel IA32 CPU体系结构
• 寄存器-寄存器型：只能对寄存器中的内容进行操作，这些计算机必须通过LOAD指令将数据读入寄存器并使用STORE指令将数据从寄存器送回存储器。由于LOAD 和STORE操作是仅有的存储器访问指令，这些计算机也被称为load/store 型计算机，如ARM和MIPS CPU体系结构。

4. 计算机系统概览

存储层次

• 寄存器：存放处理器的工作数据

• Cache：缓存常用数据的快速存储器

• DRAM：存放工作数据

• 硬盘：保存程序和数据

总线

节点之间的互连通过总线完成，公共总线将所有单元连接在一起，只有一条高速数据通路，每个单元通过一个接口与这条通路相连。

缺点：

每次只有唯一一个设备能够与其它设备通信，因为这里只有一条信息通路。如果两个设备同时请求使用总线，它们不得不去竞争总线的控制权。用术语仲裁来描述多个设备竞争同一资源的过程。