本文深入探讨了计算机体系结构的基础，包括指令格式、寻址方式和指令分类。介绍了CISC和RISC两种指令集架构的差异，以及存储系统层次，特别是Cache和主存储器的作用。同时，概述了单核和多核处理器的基本结构，强调了冯·诺依曼体系的重要性和在现代计算机中的应用。
目录
图灵 计算机科学的奠基人及人工智能之父
冯·诺依曼 现代计算机之父，博弈论之父
冯·诺依曼体系结构的要点 计算机的数制采用二进制，程序指令和数据统一存储
冯·诺依曼结构设计的计算机 由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五个部分组成
计算机系统 由软件和硬件组成
计算机体系结构的基本概念
计算机系统层次结构
| 第6层：应用程序层 | 软 件 |
| 第5层：高级语言层 | |
| 第4层：汇编语言层 | |
| 第3层：操作系统层 | |
| 第2层：传统机器层 | 硬件 |
| 第1层：微体系结构层 | |
| 第0层：数字逻辑层 |
高级语言 —翻译—> 汇编语言 —翻译—> 机器语言
（第五层） 编译器 （第四层） 汇编器 （第二层）
指令集是一个计算机系统支持的所有机器指令的集合，它常被看作软硬件之间的分界面
指令集对上层软件来说，就是加减乘除等基本操作的一个集合，这些几百年操作的堆砌形成了更复杂的软件功能，如队列、堆栈、函数调用等。对下层硬件来说，指令集提供了一个计算机系统实现的目标蓝图，底层硬件可以看作对指令集的实现。
下面先简单介绍指令格式、寻址方式和常用指令的功能分类：
1、指令格式
计算机中最普遍的指令格式是：操作码 + 操作数（地址）。操作码字段指明操作类型，如加法、减法、转移等操作， 操作数字段指明具体的操作数或操作数的来源（地址）。
根据操作数的数量不同，可以将指令格式分为：零地址指令、一地址指令、二地址指令、三地址指令和多地址指令。
2、寻址方式
寻址方式，指的是如何确定指令中操作数的地址及下一条指令的地址。
为了充分利用硬件资源、提高机器性能以及便于程序设计等，操作数允许以多种形式存储，亦即操作数来源于多方面，如主存、通用寄存器、堆栈等。指令系统设计时，将多种多样寻找操作数的方式归纳成若干种规则，以利于硬件实现和程序设计。
按指令的寻址空间来分，寻址方式可以分为立即数寻址、寄存器寻址、主存寻址和堆栈寻址4种。
3、指令的功能分类
计算机中需要具备各种类型的指令来实现应用程序的功能。
从指令的操作码功能来考虑，通过计算机的指令系统中常见的指令类型包括：数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序控制指令、输入输出指令、处理器控制和调试指令。
4、CISC 和 RISC
按照指令系统复杂程度的不同，ISA可以分为 CISC 和 RISC 两大阵营。
CISC 是指复杂指令系统计算机，越来越多的复杂指令被加入指令系统中，使得指令集变得庞大和复杂，这样就产生了CISC体系功能。CISC结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。早期的计算机系统几乎全都是CISC架构。
RISC 是指精简指令系统计算机，日趋庞杂的CISC指令系统不仅不易实现，而且有可能降低系统的效率，因此RISC技术诞生。RISC体系结构的基本思想是尽量简化计算机指令功能，只保留那些功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令，而把较复杂的功能用一段子程序来实现。
RISC技术在CPU芯片上设置大量寄存器，用来保存常用的数据，以大大减少对存储器的访问，用高速的寄存器访问取代低速的存储器访问，从而提高系统整体性能。
目前，CISC占据了桌面和服务器领域的大部分市场，RISC占据了移动和物联网领域大部分市场，但它们知识代表了ISA设计的两个主要方向，在新一代的CPU设计中，正在逐渐融合RISC 和 CISC技术。
存储系统
计算机系统的本质属性是时间和空间，也就是计算和存储。
计算机中的存储系统层次结构
| 第一层：寄存器组 | 寄存器组是CPU的一部分。寄存器间数据的传递只需要一个时钟周期，速度最快，可以与CPU直接匹配。 |
| 第二层：高速缓冲存储器（cache） | 它置于主存储器与CPU之间，存放那些运行程序近期将要用到的指令与数据，其速度比主存快很多，由存储器管理部件控制 |
| 第三层：主存储器 | 计算机主要部件，是存储系统的核心。CPU指令可以直接访问。存储系统中的诸项技术措施都是为改善主存储器的性能。 |
| 第四层：辅助存储器 | 由软件、硬盘组成，有容量大、价格低的特点 |
| 第五层：脱机存储器 | 指磁带机、光盘等 |
存储介质越往上速度越快、价格越高、容量越小，越往下速度越慢、价格越低、容量越大。形成了存储器“容量大、速度快、价格低”三者之间的矛盾。
程序访问的局部性包含时间局部性和空间局部性两方面。
时间局部性是指最近访问过的内容很可能会在短期内被再次访问，如程序中的循环。
空间局部性是指某个存储单元被访问，短时间内其附近的存储单元也会被访问。
“Cache – 主存 – 辅存”是存储体系里最重要的三级层次，通常将其分为“Cache – 主存”和“主存 – 辅存”两个两级存储系统来讨论。
“主存 – 辅存”两级存储系统也称为虚拟存储系统。
Cache 和主存储器
在CPU和主存之间加入高速缓冲存储器（Cache）。Cache容量很小，不会导致系统成本大幅增加，Cache与指令编码无关，也不会产生通用寄存器过多而带来的弊端。Cache访问速度很快，主存绝大部分信息都能在Cache中访问到，因此Cache和主存这个存储层次的平均访问时间非常接近Cache。
“Cache – 主存”层次的理论依据是程序局部性。
Cache与主存储器间最基本的地址映射方式有三种：全相联映射、直接映射和组相联映射。
在采用全相联映射和组相联映射的系统中，当主存向Cache传送一个新块而Cache已满时，就需要使用替换算法将Cache中的某一块换出。常用的替换算法有随机法（RAND）、先进先出法（FIFO）和最近最少使用法(LRU)。
- 随机法（RAND）：随机地确定替换的存储块。这种方法简单、易于实现，但没考虑Cache块过去被使用的情况，反映不了程序的局限性，所有Cache命中率比较低。
- 先进先出法（FIFO）：在候选块中选择最早送入Cache的那一行进行替换。它利用数据行的“历史”使用信息，但不能正确反映程序局部性，因为最早进入Cache的块很可能时经常被引用的块。这种方法易于实现，命中率比随机法高。
- 最近最少使用法（LRU）：最近最少使用的块，很可能在不久的将来也很少使用，能较好反映程序局部性规律，但实现起来比较困难，它不但要记录每块使用次数，而且要反映出近期使用的次数。
在现代多核处理器中，Cache的一致性体现在两个方面一是Cache与主存之间的数据一致性，二是各个处理器内核私有的Cache之间的数据一致性。
Cache与主存之间的数据一致性通过Cache特定的写操作方式来保证，写直达和写回是两种常用的Cache写方式。
- 写直达：每次CPU修改了cache中的数据，立即更新到主存，保证了数据的高一致性，但效率非常低。
- 写回：每次CPU修改了cache中的数据，不会立即更新到主存，而是等到某一个合适的时机才会更新到主存中。
在多核处理器中，处理器内核之间的缓存一致性通过缓存一致性协议来维护，MESI是最为经典的缓存一致性协议。
MESI协议将Cache Line的状态分成修改、独占、共享和失效。
- 修改：当前CPU Cache拥有最近数据（最新的Cache Line），其他的CPU拥有失效数据，虽然当前CPU中的数据和主存是不一致的，但是以当前CPU数据为准。
- 独占：只有当前CPU中有某数据，其他CPU中没有该数据，当前CPU的数据和主存中的数据是一致的。
- 共享：当前CPU和其他CPU中有共同数据，并且和主存中的数据一致。
- 失效：当前CPU中的数据失效，数据应该从主存中获取，其他CPU中可能有数据也可能无数据，当前CPU中的数据和主存被认为是不一致的。
微处理器体系结构
微处理器，也就是通常所说的中央处理器（CPU），是计算机系统中最重要、最核心的部件，CPU控制整个程序的执行，而程序是指令的序列，因此CPU的根本任务是执行指令，在指令的执行过程中会对数据进行存取和处理。
单核处理器基本结构
传统单核CPU由控制器和运算器这两个主要部件组成。
指令集可以看作CPU设计的蓝图，不同指令集会产生不同的处理器设计。
CPU主要由控制器、运算器和存储单元三部分组成，这三部分由CPU内部总线相连。程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。
- 控制器
从主存取出一条指令，按该指令功能，用硬件产生所需的带有时序标志的一系列微操作控制信号，控制计算机内各功能部件的操作，协调和指挥整个计算机完成指令的功能。
- 运算器
- 存储单元
多核处理器基本结构
目前，通用处理器芯片基本上都采用了多核处理器（CMP）架构，4核、8核CPU已经称为个人计算机的标配。
按计算内核的对等与否，多核处理器（CMP）可分为同构多核和异构多核：计算机内核相同、地位对等的称为同构多核，Intel和AMD主推的多核处理器，大多都是同构的多核处理器；计算内核不同、地位不对等的称为异构多核，异构多核多采用“主处理核 + 协处理核”的设计。
处理核本身的结构，关系到整个芯片的面积、功耗核性能
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