计算机体系结构分类与微处理器改革解析

本文主要介绍了计算机体系结构的分类，包括Flynn分类下的SISD、SIMD、MISD和MIMD四种类型，并提到了计算机系统的基本结构、微处理器体系结构的改革以及计算机性能评测的相关知识。同时，强调了嵌入式系统在计算机体系中的位置。 计算机体系结构是理解计算机工作原理的基础。Flynn分类法根据指令流和数据流的多少将计算机分为四类：单指令单数据流（SISD），如传统的顺序处理机；单指令多数据流（SIMD），适用于并行处理相同操作的大量数据，如图像处理；多指令单数据流（MISD）相对少见，没有典型的实际机型；多指令多数据流（MIMD），如现代的多核心处理器，每个核心可以独立执行不同的指令和处理不同的数据。 计算机系统由多个层次构成，从底层的数字逻辑层到顶层的应用软件层，每一层都对上一层提供服务。冯·诺依曼计算机架构是现代计算机的基础，它包括了控制部件（CU）、处理部件（PU）和存储单元（MM）。计算机的工作流程遵循控制流（CS）、数据流（DS）和指令流（IS）的规律。 微处理器体系结构经历了多次改革，如RISC（精简指令集）与CISC（复杂指令集）之争，前者追求高效能，后者追求兼容性；分层存储器系统优化了访问速度和容量；高速总线和接口提升了数据传输速率。此外，流水线技术、超标量设计、超长指令字（VLIW）、多处理器/多核、多线程技术等都是为了提高处理器效率和并发能力。 计算机性能评测通常依据字长、存储容量和运算速度，还可以从软硬件层次和语言层次进行评估。计算机系统的层次结构展示了从硬件到软件的逐级生成过程，体现了软硬件的逻辑等价性，比如硬件软化、软件硬化和固件化的概念。 微体系结构层涉及微程序或硬连线逻辑，而操作系统层则包含操作系统、编译器等。在高层，有各种虚拟机，对应不同的编程语言，提供了与特定语言相匹配的抽象硬件环境。 最后，计算机的体系结构是程序员所关心的概念和功能特性，组成关注物理实现，而实现则涉及底层的制造工艺和技术。例如，决定是否在指令集中包含乘法指令是体系结构层面的决策，而乘法指令是通过专用乘法器还是加法器实现则是组成层面的考虑。计算机实现则涉及到实际的器件类型、微组装技术和冷却技术。这一切始于1946年的ENIAC，它是数字电子计算机的先驱，其设计思路深受Von Neumann影响。