漫談計算機架構

前言

一說到計算機架構（Computer Architecture），你們可能會有疑問：計算機架構究竟是個什麼東西？引用維基百科對計算機架構的定義：

computer architecture is a set of rules and methods that describe the functionality, organization, and implementation of computer systems.

翻譯成中文：計算機架構是描述計算機系統功能，組織和實現的一組規則和方法。而這組規則和方法是經過ISA和Microarchitecture實現的。

咱們知道計算機是由硬件和軟件組成的，而它們之間的橋樑是ISA（Instruction Set Architecture，指令集架構），換句話說，硬件的功能經過ISA提供出來，而軟件經過ISA規定的指令使用硬件。目前經常使用的ISA有x86和ARM，其中x86採用的是複雜指令集（CISC），被較多的應用於服務器端，而ARM(Advanced RISC Machine)採用的是精簡指令集，目前被用於移動端。

微架構（Microarchitecture）是ISA在處理器的實現，描述處理器是怎樣實現功能的，其本質就是一系列硬件實現以知足各類指令集。而Microarchitecture是ISA的具體實現，並且對於同一個ISA，可使用不一樣技術的微架構 ，好比單週期、多週期以及流水線。好比說x86 ISA有286，386，486，Pretium，Pretium Pro等實現。目前，微架構涉及如下部分：流水線、並行、存儲系統分層結構，下面將對這幾部分進行詳細介紹。

流水線

咱們知道指令的執行過程包含如下幾個步驟：取指（IF，instruction Fetch）、譯碼（ID，Instruction Decode）、執行（EXE，Execution）以及寫回（WB，Write Back），在早期微架構中咱們將這些步驟放在同一個週期內順序完成，這樣設計致使效率很低，當進行取值時，其他部件是空閒的。爲了提升各個部件工做效率，流水線技術(Pipeline)就應運而生了。

既然流水線技術能夠實現不間斷取指、解碼、執行、寫回，那麼咱們是否是同時可讓幾條流水線一塊兒工做，這就是超標量技術。不過須要注意的是當先後兩條指令存在依賴關係時，流水線須要停頓，例如：

x=1+2
y = x*3

並行

除了經過流水線技術來提升計算機運行速度以外， 還有沒有其餘並行技術？按照費林分類法能夠將計算機分爲：SISD（Single Instruction Stream Single Data Stream,單指令單數據）、SIMD（Single Instruction Stream Mutiple Data Stream，單指令多數據）、MISD（Mutiple Instruction Stream Single Data Stream，多指令單數據）和MIMD（Mutiple Instruction Stream Mutiple Data Stream，多指令多數據）。

早期的馮·諾依曼結構採用的都是SISD，馮·諾依曼結構也稱存儲程序計算機，它有兩個重要特性：1. 指令和數據被存儲在內存中；2. 指令被順序執行，在一個時刻只有一條指令在執行，經過PC（Program Counter）識別當前指令。

SIMD 就是單指令多數據的縮寫，將一個指令廣播到多個處理器上，但每一個處理器都有本身的數據。也就是說同一份控制指令同時運行不一樣的數據，以下圖所示，這樣作的好處就是減輕的控制成本。目前，GPUs(Graphics Processor Units)採用的就是SIMD架構。

對於MISD這種架構，目前沒有系統安裝這個結構設計的，這裏就不過多介紹了。

下面重點介紹下MIMD，它指的是不一樣時刻不一樣CPU執行的指令不一樣，而且數據也不一樣，以下圖所示。目前超級計算機，網絡並行計算機集羣和「網格」，多處理器SMP計算機，多核PC都屬於這一類。而MIMD又能夠根據內存結構，能夠分爲共享內存和消息驅動。共享內存就是處理器之間共享內存，經過內存來進行通訊，而消息驅動指的是處理器經過消息驅動來進行通訊。目前共享內存有SMP、NUMA兩種，消息驅動對應DM。

SMP全稱Symmetric Multi Processors，對稱多處理機，又稱UMA(Unifor Memory Access，統一內存訪問)，全部CPU都共享同一內存。目前Intel和AMD推出的多核CPU應該歸爲SMP這一類中。

NUMA（NonUniform Memory Access,非一致內存訪問），全部CPU共享全部的內存，但不一樣的CPU訪問不一樣的內存速度是不同的。

DM（Distributed Memory,分佈式內存）：每一個CPU都有本身的內存，CPU經過消息來通訊，因爲每一個處理器都有本身的本地內存，所以，每一個處理對本地內存操做都不會影響其餘處理器。並且，內存數量可隨着處理器的數量進行擴展。不過，它的缺點就是程序員負責許多與處理器之間數據通訊相關的細節。

存儲器分層結構

不管是馮·諾依曼結構仍是其餘結構的處理器，最理想的狀況下固然是有無限大的存儲空間和 0 時延的存儲系統了，不過這顯然是沒法作到的，所以人們就提出了分層式的存儲系統結構，從寄存器開始每往下一層容量就更大，可是速度也更慢，以下圖所示。寄存器容量最小，可是速度最快。所以，想要設計一個良好的存儲系統，須要對容量和速度作一個權衡。

寫在最後

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