微架构

在计算机工程中，微体系结构也称为计算机组织，是在特定处理器中实现给定指令集体系结构 (ISA) 的方式。 一个给定的 ISA 可以用不同的微架构来实现； 由于给定设计的不同目标或技术的转变，实现可能会有所不同。

计算机体系结构是微体系结构和指令集体系结构的结合。

ISA 与汇编语言程序员或编译器编写者所看到的处理器编程模型大致相同。 ISA 包括指令、执行模型、处理器寄存器、地址和数据格式等。 微体系结构包括处理器的组成部分以及这些部分如何互连和互操作以实现 ISA。

机器的微架构通常表示为（或多或少详细的）图表，描述机器的各种微架构元素的互连，这些元素可以是从单个门和寄存器到完整的算术逻辑单元（ALU）甚至更大的任何东西 元素。 这些图通常将数据路径（放置数据的地方）和控制路径（可以说是引导数据）分开。

设计系统的人通常将特定的微体系结构绘制为一种数据流图。 与框图一样，微体系结构图将算术和逻辑单元以及寄存器文件等微体系结构元素显示为单个原理图符号。 通常，该图用箭头、粗线和细线连接这些元素，以区分三态总线（驱动总线的每个设备都需要一个三态缓冲器）、单向总线和单独的控制线。 非常简单的计算机有一个单一的数据总线组织——它们有一个单一的三态总线。 更复杂的计算机的图表通常显示多个三态总线，这有助于机器同时进行更多操作。

每个微架构元素依次由描述用于实现它的逻辑门互连的示意图表示。 每个逻辑门又由一个电路图表示，该电路图描述了用于在某些特定逻辑系列中实现它的晶体管的连接。 具有不同微架构的机器可能具有相同的指令集架构，因此能够执行相同的程序。 新的微体系结构和/或电路解决方案，以及半导体制造的进步，使新一代处理器能够在使用相同的 ISA 的同时实现更高的性能。

原则上，一个微体系结构可以执行多个不同的 ISA，只需对微代码进行微小的更改。

流水线数据路径是当今微体系结构中最常用的数据路径设计。 这种技术用于大多数现代微处理器、微控制器和 DSP。 流水线架构允许多条指令重叠执行，很像流水线。 管道包括几个不同的阶段，这些阶段是微体系结构设计的基础。 其中一些阶段包括指令获取、指令解码、执行和写回。 一些架构包括其他阶段，例如内存访问。 流水线的设计是微体系结构的核心任务之一。

执行单元对于微体系结构也是必不可少的。 执行单元包括算术逻辑单元 (ALU)、浮点单元 (FPU)、加载/存储单元、分支预测和 SIMD。 这些单元执行处理器的操作或计算。 执行单元数量、延迟和吞吐量的选择是微体系结构设计的核心任务。 系统内存储器的大小、延迟、吞吐量和连接性也是微架构决策。

系统级设计决策（例如是否包括内存控制器等xxx设备）可被视为微体系结构设计过程的一部分。 这包括有关这些xxx设备的性能级别和连接性的决策。

与以实现特定性能水平为主要目标的架构设计不同，微架构设计更加关注其他约束。 由于微架构设计决策直接影响进入系统的内容，因此必须关注芯片面积/成本、功耗、逻辑复杂性、连接难易程度、可制造性、调试难易性和可测试性等问题。