计算机体系结构

计算机体系结构是描述计算机系统功能，组织和实现的一组规则和方法。某些体系结构定义将其定义为描述计算机的功能和编程模型，而不是特定的实现。在其他定义中，计算机体系结构包括指令集体系结构设计、微体系结构设计、逻辑设计和实现。

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计算机体系结构学科分为三个主要子类别：

• 指令集架构（ISA）：定义机器代码，一个处理器读出并在作为还有字的大小，存储器地址模式，处理器寄存器，以及数据类型。
• 微体系结构：也称为“计算机组织”，它描述了特定处理器如何实现ISA。例如，计算机 CPU缓存的大小通常是与ISA无关的问题。
• 系统设计：包括计算系统中的所有其他硬件组件，例如CPU以外的数据处理（例如，直接内存访问），虚拟化和多处理

还有其他类型的计算机体系结构。以下类型用于较大的公司，例如Intel，占所有计算机体系结构的1％

• 宏体系结构：比微体系结构更抽象的建筑层
• 汇编指令集体系结构：智能汇编程序可以将一组机器通用的抽象汇编语言转换为稍有不同的机器语言，以实现不同的实现
• 程序员可见的宏体系结构：诸如编译器之类的高级语言工具可以为使用它们的程序员定义一致的接口或契约，从而抽象化底层ISA，UISA和微体系结构之间的差异。例如，C，C ++或Java标准定义了不同的程序员可见的宏体系结构。
• UISA（微码指令集体系结构）—具有不同硬件级别微体系结构的一组机器可能共享一个通用的微码体系结构，因此也共享一个UISA。
• 引脚架构：微处理器应提供给硬件平台的硬件功能，例如x86引脚A20M，FERR / IGNNE或FLUSH。同样，处理器应该发出的消息也可以使外部缓存无效。引脚架构功能比ISA功能更灵活，因为外部硬件可以适应新的编码，或者从引脚更改为消息。之所以使用“体系结构”一词，是因为即使更改了详细的方法，也必须为兼容的系统提供功能。

计算机系统的确切形式取决于约束条件和目标。计算机体系结构通常会权衡标准、功率与性能、成本、内存容量、延迟（延迟是指信息从一个节点传播到源所花费的时间）和吞吐量。有时，其他因素（例如功能、尺寸、重量、可靠性和可扩展性）也是要考虑的因素。

最常见的方案进行了深入的功耗分析，并指出了如何在保持适当性能的同时保持较低的功耗。

现代计算机性能通常以每周期指令数（IPC）来描述，该指令可在任何时钟频率下衡量体系结构的效率。更快的IPC速率意味着计算机更快。较旧的计算机的IPC计数低至0.1，而现代处理器则很容易达到1。超标量处理器可以通过在每个时钟周期执行几条指令来达到三到五个IPC。

计算机器语言指令会产生误导，因为它们可以在不同的ISA中完成不同的工作量。标准测量中的“指令”不是对ISA机器语言指令的计数，而是通常基于VAX计算机体系结构速度的测量单位。

许多人过去常常通过时钟速率（通常以MHz或GHz为单位）来衡量计算机的速度。这是指CPU主时钟的每秒周期。但是，此指标有些误导，因为时钟频率较高的计算机不一定具有更高的性能。结果，制造商已经放弃了时钟速度来衡量性能。

其他因素也会影响速度，例如功能单元的混合，总线速度，可用内存以及程序中指令的类型和顺序。

速度主要有两种：延迟和吞吐量。延迟是流程开始到完成之间的时间。吞吐量是每单位时间完成的工作量。 中断等待时间是保证的系统对电子事件的xxx响应时间（例如磁盘驱动器完成移动某些数据时）。

性能受多种设计选择的影响-例如，对处理器进行流水线处理通常会使延迟变差，但吞吐量会提高。控制机器的计算机通常需要较低的中断等待时间。这些计算机在实时环境中运行，如果在指定的时间内未完成操作，则它们将失败。例如，计算机控制的防抱死制动器必须在感测到制动踏板后的可预测且有限的时间段内开始制动，否则会发生制动器故障。

基准测试通过测量计算机运行一系列测试程序所花费的时间来考虑所有这些因素。尽管基准测试显示出优势，但这不应该是您选择计算机的方式。通常，被测机器会采用不同的措施。例如，一个系统可能会快速处理科学应用，而另一个系统可能会更流畅地渲染视频游戏。此外，设计人员可能会通过硬件或软件来针对产品并向其产品添加特殊功能，这些功能可使特定基准迅速执行，但不能提供与常规任务类似的优势。

功率效率是现代计算机中的另一个重要指标。通常可以将较高的功率效率换成较低的速度或较高的成本。当提到计算机体系结构中的功耗时，典型的度量值为MIPS / W（每瓦每秒数百万条指令）。

随着每个芯片中晶体管数量的增加，现代电路每个晶体管所需的功率更少。这是因为放置在新芯片中的每个晶体管都需要自己的电源，并且需要构建新的路径来为其供电。但是，每个芯片的晶体管数量开始以较慢的速率增加。因此，功率效率开始变得同等重要，甚至比将越来越多的晶体管安装到单个芯片中更为重要。最近的处理器设计已显示出这种重点，因为它们更加关注电源效率，而不是将尽可能多的晶体管塞入单个芯片中。在嵌入式计算机世界中，电源效率一直是吞吐量和延迟之后的重要目标。

与降低功率的改进相比，过去几年时钟频率的增长增速更为缓慢。这是由于摩尔定律的终结以及对延长电池寿命和减小移动技术尺寸的要求。英特尔从其发布的Haswell微体系结构中报告了功耗的显着降低（多达50％的降低），可以表明这种从高时钟速率到功耗和小型化的关注点的转变。他们将功耗基准从30-40瓦降低到10-20瓦。与将处理速度提高3 GHz至4 GHz（2002年至2006年）进行比较可以看出，研究和开发的重点已经从时钟频率转移到了消耗更少的功率和更少的空间。