INTRODUCTION 导论:

A. Overview 概述:

a. Definition & Scope 定义与范围:

  1. Definition 定义: Computer Architecture 计算机架构, 研究程序员可见接口与计算机系统的组织方案, 解释 ISA、微架构、存储和并行设计如何影响性能、能耗、成本与复杂度
  2. Design Question 设计问题: 在满足规定程序行为的前提下, 如何选择指令接口、执行资源、存储层次与并行组织, 并用明确工作负载评价结果
  3. Boundaries 边界: DIGITAL LOGIC 数字逻辑 讲电路模块与时序；COMPUTER ORGANIZATION 计算机组成 讲基本数据通路、控制、流水线、访存与 I/O 机制

B. Abstraction & Organization 抽象与组织:

a. Levels of Abstraction 抽象层次:

  1. Application and Compiler 应用与编译器: 应用表达任务, 编译器将程序转换为目标 ISA 指令；编译优化影响动态指令数与访问模式
  2. ISA 指令集架构: 定义软件可观察的指令、寄存器、数据与地址行为, 是软硬件之间的接口
  3. Microarchitecture 微架构: 实现 ISA 的具体组织；同一 ISA 可由不同流水线、调度和存储方案实现
  4. Circuits and Technology 电路与工艺: 逻辑与物理实现约束延迟、功耗和面积, 影响可实现的组织选择

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b. Stored-Program Organizations 存储程序组织:

  1. Von Neumann 冯诺伊曼: 传统模型将程序和数据置于统一存储体系, 运算、控制、存储和 I/O 的基本协同见计算机组成
  2. Harvard 哈佛: 指令与数据使用分离存储或路径, 可缓解特定访问冲突；实际处理器可采用统一地址空间和分离的一级指令、数据缓存
  3. Comparison 比较: 应分别判断地址空间、物理存储和访问路径是否分离, 不能仅凭存在两套 Cache 就把整个系统归为纯哈佛结构
  4. Specialized Organization 专用组织: CIM 等方案将计算靠近或置于存储结构内, 其适用任务与限制见 PARALLEL ARCHITECTURES 并行架构

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I. ISA 指令集架构:

A. Overview 概述:

a. Definition 定义:

  1. Definition 定义: ISA, Instruction Set Architecture 指令集架构, 规定软件可见的机器状态、指令及其行为, 是软件与处理器之间的架构接口
  2. Behavior 行为: 以操作数、结果、访存、控制流及异常描述可观察结果, 不只是操作码列表
  3. Scope 范围: 覆盖指令、寄存器、数据与地址行为, 以及相关特权和系统接口；具体范围由 ISA 与执行环境确定
  4. Boundary 边界: ISA 规定行为, 编译器生成指令, 微架构实现行为；基本数据通路与硬件协同见计算机组成

b. ISA Types 架构类型:

I. RISC 精简指令集:

  1. Definition 定义: RISC, Reduced Instruction Set Computer 精简指令集架构, 是一种指令集设计理念，强调较规则的编码、寄存器操作与 Load/Store 组织等设计倾向
  2. Arm 架构: Arm, Advanced RISC Machines, 广泛用于移动设备、嵌入式与服务器等场景