计算机体系结构一些笔记

1、异构计算：CPU也像人类社会一样存在专业分工。 异构计算（Heterogeneous Computing）是指不同类型的计算单元合作完 成计算任务。每个计算单元采用不同的架构，分别擅长处理某一种类型 的计算任务。整个计算任务分解为小的单位，分别交给适合的计算单元 来处理。异构计算已经是成熟的架构，其基于两个本质思想。 1） 一个本质思想是“专人干专事”。计算任务是多种多样的，以前计算机 中只有一个通用处理器，运行通用的操作系统，“通用”的意思就是什么 都能干。人们在实践中发现，可以把一些专门的工作独立出来，针对这 种工作设计专用处理器，这些特定的场景包括数字信号处理、3D图形 渲染、人工智能算法等。专用处理器是为了这种特定的工作设计的最优 芯片架构，在执行效率上远远高于通用处理器，也有利于降低功耗和缩 小芯片面积。2）另一个本质思想是“把原来软件干的活，交给硬件来做”。在通用处理 器上，具体功能由软件来实现。而软件由一段指令序列组成， CPU一条 条地执行这些指令，一个较为复杂的功能往往需要多条指令，导致一个 软件的执行时间与指令的数量成正比，需要占用大量指令周期才能完成 一项计算任务。专用处理器可以把这样的功能通过一组电路来实现，用 硬件实现等同于使用软件执行多条指令的功能，而总的执行时间远远少 于用软件实现的执行时间。

图形、网络、硬盘、音频功能都由专用处理器（专用处理器又名为协处理器）完成。现在的计算机架构都是一个通用处理器加上若干个专用处理器。专用处理器在架构设计上完全不同于CPU，但是在计算机中的数量远远超过通 用处理器。 台式计算机中常见的专用处理器有图形处理器 （Graphics Processing Unit，GPU）、网络处理器 （Network Processing Unit，NPU）、音频处理器（Audio Processor）、硬盘控制器（Hard Drive Controller），这些专用处理器都是独立工作的 硬件，分别承担了图形处理、网络传输、音频输出、硬盘读写等功能， 在CPU的指挥和调度下协同工作，因此专用处理器还有一个名称“协处 理器”。

2、DMA：、直接存储器访问（Direct Memory Access，DMA）是提高计算机对外设 数据的处理速度的一种方法，外设可以直接向内存传送数据，不需要 CPU执行I/O指令来进中转。CPU通过I/O指令与外设进行数据交互的方式称为“直接 I/O”（Direct I/O），这一方式在面对大批量数据传输时效率较低。由于 每条I/O指令传输的数据有位宽限制（一般是寄存器的最大宽度），因 此需要重复执行多条指令才能完成数据传输。例如在一个32位CPU中， 传输1MB数据就需要执行 32768条指令，占用了太多CPU时间。 DMA机制是在内存与外设之间增加一个硬件模块——DMA控制器。 DMA控制器与CPU独立工作。在CPU需要从外设读取大量数据时，CPU 只需要告诉DMA控制器要读取的外设地址、数据长度，以及放入内存 的起始地址，DMA控制器就可以独立地从外设读取数据、送入内存。 在此期间，CPU可以处理其他计算任务。DMA控制器完成数据传输 后，向CPU发送中断，通知CPU“数据已传输完毕”，这样CPU就可以直 接使用内存中的数据了。DMA控制器与CPU并行工作，完成一种专门任务，这样的硬件模块属 于一种典型的协处理器（Coprocessor），体现了“专人干专事”的思想。 由于DMA控制器用途单一，只需要完成数据传输功能，不需要像CPU 一样执行烦琐的指令流水线，因此可以在单位时间内传输更多的数据。

以上内容都摘自靳国杰的《CPU通识课》，内容仅作为笔记记载