计算机的体系结构

冯诺依曼体系结构

冯·诺依曼体系结构的核心思想是将程序和数据存储在同一存储器中，计算机通过按照程序的指示依次读取存储器中的指令和数据来完成运算。这种结构特点是“程序存储，共享数据，顺序执行”，CPU从存储器取出指令和数据进行相应的计算。

组成部分

运算器：计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作。运算器与控制器共同组成了CPU的核心部分。
控制器：主要任务是发布命令，发挥着整个计算机系统操作的协调与指挥作用。它控制着程序的执行顺序，使得计算机能够自动、连续地执行指令。
存储器：用来存储程序和各种数据信息的记忆部件。存储器可分为主存储器（简称主存或内存）和辅助存储器（简称辅存或外存）两大类。内存是CPU直接访问的存储器，用于存放当前正在执行的程序和数据。外存则用于长期保存数据和程序，如硬盘、光盘等。
输入设备：是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。常见的输入设备有键盘、鼠标、摄像头等。
输出设备：是计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。常见的输出设备有显示器、打印机等。

CPU = 运算器+控制器。

以运算器为核心，CPU是计算机的核心部件。指令和数据都存在内存中，CPU按照指令的顺序依次执行，直到程序结束。

存在的问题

集中、顺序的控制方式也成为性能提高的瓶颈，CPU经常空转来等待存储器的响应

现代计算机体系结构

在冯诺依曼体系结构上进行修改，来解决CPU空转问题。

组成部分

处理器（CPU）
- 处理器是计算机系统的核心，负责执行程序中的指令。通常采用多核设计，每个核心都能独立执行指令，从而提高计算性能。
- 处理器内部包含运算器、控制器和寄存器等多个部件，用于执行算术和逻辑运算、控制程序执行流程以及存储临时数据等。
内存
- 内存是计算机系统中的临时存储设备，用于存储正在执行的程序和数据。采用层次化的内存结构，包括高速缓存（Cache）、主存（RAM）和辅助存储器（如硬盘、SSD等）。
- 高速缓存位于CPU和主存之间，用于缓存最近访问的数据和指令，以减少CPU访问主存的次数，提高计算速度。
输入输出系统
- 输入输出系统（I/O系统）负责计算机与外部世界之间的数据交换。包括键盘、鼠标、显示器、打印机、网络接口等。
- I/O系统通常采用中断和DMA（直接内存访问）等机制来提高数据传输效率和系统响应速度。
并行处理与多核技术
- 现代计算机体系结构越来越注重并行处理能力的提升。
- 多核处理器和并行处理单元（如GPU）的引入使得计算机能够同时处理多个任务或数据块，从而显著提高计算性能。
指令集与编程模型
- 指令集是计算机硬件和软件之间的接口，定义了计算机能够执行的操作和指令格式。包括通用指令集（如x86、ARM等）和特定领域的指令集（如SIMD指令集用于多媒体处理）。
- 编程模型则定义了程序员如何使用这些指令集来编写程序，包括高级编程语言、编译器和运行时环境等。

CPU = 运算器+控制器+寄存器