一、cpu微架構
（一）、定義
處理器微架構又稱爲微體系結構/微處理器體系結構，是在計算機工程中，將一種給
定的 指令集架構在處理器中執行的方法和具體硬件實現方案。
• 一種給定指令集可以在不同的微架構中執行。實施中可能因應不同的設計目的和技
術提升而有所不同。
• 計算機架構是微架構和指令集設計的結合。
（二）、分類
1、X86架構
X86架構是微處理器執行的計算機語言指令集，基於Intel 8086且向後兼容的中央處理器指令集架構，包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，由於以“86”作爲結尾，因此其架構被稱爲“x86”。
應用領域：個人計算機、服務器等
類別：
IA：Intel（英特爾）處理器的服務器稱之爲IA（Intel Architecture）架構服務器
IA-32：英特爾32位體系架構，X86從16位到32位是在原有的架構基礎上進行修改（Intel稱之爲IA32）
x86-32：現如今Intel把x86-32稱爲IA-32
x86-64：
AMD64：x86架構的64位拓展，向後兼容於16位及32位的x86架構。x64於1999年由AMD設計，AMD首次公開64位集以擴展給x86，稱爲“AMD64”，AMD64和Intel64基本上一致。
Intel64：EM64T（Extended Memory 64 Technology）擴展64bit內存技術，本質上和AMD64一樣都是IA-32的增強版本。
IA-64：1999年推出的64位的英特爾安騰架構（Intel Itanium architecture)，不屬於X86架構
2、IA-64
64位的英特爾架構，英特爾安騰架構（Intel Itanium architecture），使用在
Itanium處理器家族上的64位指令集架構，由英特爾公司與惠普公司在1999年共同
開發。IA是Intel Architecture（英特爾架構）的縮寫，64指64位系統。使用這種
架構的CPU，包括Itanium和Itanium 2。此架構與x86及x86-64並不相容，操作系
統與軟件需使用IA-64專用版本。
• intel採用EPIC技術的服務器CPU安騰Itanium（開發代號即Merced）就是IA-64系
列中的第一款。
• IA-64 在很多方面來說，都比x86有了長足的進步。突破了傳統IA-32架構的許多限
制，在數據的處理能力，系統的穩定性、安全性、可用性、可管理性等方面獲得了
突破性的提高。
• IA-64微處理器最大的缺陷是它們缺乏與x86的兼容，而Intel爲了IA-64處理器能夠
更好地運行兩個朝代的軟件，它在IA-64處理器上（Itanium、Itanium2 ……)引入
了x86-to-IA-64的解碼器，這樣就能夠把x86指令翻譯爲IA-64指令。這個解碼器並
不是最有效率的解碼器，也不是運行x86代碼的最好途徑（最好的途徑是直接在x86
處理器上運行x86代碼），因此Itanium 和Itanium2在運行x86應用程序時候的性能
非常糟糕。這也成爲X86-64產生的根本原因。
3、ARM架構
ARM架構：精簡指令集機器RISC（Advanced RISC Machine，更早稱作：Acorn RISC Machine），是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構，廣泛地使用在許多嵌入式系統設計。由於節能的特點，ARM處理器非常適用於移動通訊領域，符合其主要設計目標爲低耗電的特性。ARM家族佔了所有32位嵌入式處理器75%的比例，使它成爲佔全世界最多數的32位架構之一。
應用領域：手機、PAD、導航系統、網絡設備、電腦周邊設備（硬盤、桌上型路由器）甚至在導彈的彈載計算機等軍用設施中都有他的存在。目前世界上使用最廣泛的CPU就是ARM。
ARM架構的特點：
- 體積小，低功耗，低成本，高性能；
- 支持 Thumb （ 16 位） /ARM （ 32 位）雙指令集，能很好的兼容8 位 /16 位器件；
- 大量使用寄存器，指令執行速度更快；
- 大多數數據操作都在寄存器中完成；
- 尋址方式靈活簡單，執行效率高；
- 指令長度固定；
- 流水線處理方式
- Load_store結構：在RISC中，所有的計算都要求在寄存器中完成。而寄存器和內存的通信則
由單獨的指令來完成。而在CSIC中，CPU是可以直接對內存進行操作的。
4、PowerPC架構
PowerPC 是一種精簡指令集（RISC）架構的中央處理器（CPU），其基本的設計源自IBM（國際商用機器公司）的IBM PowerPC 601 微處理器POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC；《IBM Connect 電子報》2007年8月號譯爲“增強RISC性能優化”）架構。二十世紀九十年代，
IBM(國際商用機器公司)、Apple（蘋果公司）和Motorola（摩托羅拉）公司開發PowerPC芯片成功，並製造出基於PowerPC的多處理器計算機。PowerPC架構的特點是可伸縮性好、方便靈活。
PowerPC 處理器有廣泛的實現範圍，包括從諸如 Power4 那樣的高端服務器 CPU 到嵌入式 CPU 市場（任天堂 Gamecube 使用了 PowerPC）。PowerPC 處理器有非常強的嵌入式表現，因爲它具有優異的性能、較低的能量損耗以及較低的散熱量。除了象串行和以太網控制器那樣的集成 I/O，該嵌入式處理器與“臺式機”CPU 存在非常顯著的區別。
PowerPC相比ARM的優勢
1、整合度高以及技術先進性，現在PowerPC 處理器集成USB,PCI,DDR控制器，SATA控制器，千兆網口控制器，CAN控制器，RapidIO以及PCI_Express控制器，IEEE1588通信協議，支持各種通信協議CPM協處理器 ，DMA,SPI，I２C.UART等，客戶無須設計複雜的外圍電路，減少設計複雜程度以及物料使用。
2、芯片可選範圍大，性能高，升級容易，從50M-1.7G都有處理器，而且POwerPC將象多核處理器發展，如已經推出集成雙e500 core MPC8572,MIPS性能高達6897，ARM 大概是 1.1 MIPS/MHz，Power Architecture 是大於2.0MIPS/MHz，所以PowerPC在高端嵌入式應用，佔有很大比例。
5、MIPS架構
MIPS是世界上很流行的一種開源RISC處理器。MIPS的意思是“無內部互鎖流水級的微處理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其機制是儘量利用軟件辦法避免流水線中的數據相關問題。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大學Hennessy教授領導的研究小組研製出來的。MIPS公司的R系列就是在此基礎上開發的RISC工業產品的微處理器。這些系列產品爲很多計算機公司採用構成各種工作站和計算機系統。
應用領域：工作站等計算機平臺，目前國內龍芯主要使用MIPS架構機器。
與ARM架構相比，MIPS的優勢主要有以下幾點：
1、 MIPS支持64bit指令和操作，ARM目前只到32bit
2.、MIPS有專門的除法器，可以執行除法指令
3、 MIPS的內核寄存器比ARM多一倍，所以同樣的性能下MIPS的功耗會比ARM更低，同樣功耗下性能比ARM更高MIPS指令比ARM稍微多一點，稍微靈活一點
與ARM架構相比，MIPS架構也存在着以下幾點不足：
MIPS的內存地址起始有問題，這導致了MIPS在內存和cache的支持方面都有限制，現在的MIPS處理器單內核面對高容量內存時有問題MIPS今後的發展方向是並行線程，類似INTEL的超線程，而ARM未來的發展方向是物理多核，目前來看物理多核佔優。MIPS雖然結構更加簡單，但是到現在還是順序單發射，ARM已經進化到了亂序雙發射，甚至NV的丹佛已經是亂序三發射了。
5、RISC-V，大道至簡，芯片中的網紅戰鬥機
RISC-V是2015年12月一個由U.C. Berkeley開發的開源和模塊化RISC指令集，“V”包含兩層意思，一是這是Berkeley從RISC I開始設計的第五代指令集架構，
二是它代表了變化（variation）和向量（vectors）。
負責帶隊研製這些RISC指令集的正是伯克利分校的圖靈獎得主David Patterson教授，RISC指令集的真正創始人。
• RISC-V 基金會的會員包括谷歌、英偉達、高通、Rambus、三星、恩智浦、美光、IBM、GlobalFoundries、UltraSoC 和西門子等。
• 鑑於我們國家芯片研發長期受制於人，利用開源的RISC-V架構，對於我國做出基本自主知識產權的芯片具有重大意義。
• 2018年10月，中國RISC-V產業聯盟成立。
• 中科院計算所、華爲、阿里巴巴集團等在內的20多個國內企事業單位，選擇加入了RISC-V基金會。
• 華米的黃山1號，可穿戴人工智能芯片。
二、總線
（一）、定義
定義1(片面觀點)：總線是連接各個功能部件的公共導線。
定義2(全面觀點)：完整的總線應當包含連接各個功能部件的導線、各個功能部件內部的接口電路以及可能存在的總線控制與管理部件。
傳輸媒介（導線） + 分散於各個模塊（ 內部的接口電路） + 總線控制與管理（總線申請，總線仲裁，總線傳輸，總線釋放等協議與規範
）
（二）、總線規範
總線是一組信號線的集合，是一種在各部件間傳送信息的公共通路。總線規範就是對總線的描述，一般都要包括物理特性、功能特性、電氣特性、時間特性幾個部分定義。
（三）、總線分類
1、按數據格式分類
按總線數據格式分爲串行總線、並行總線兩種。
1）.串行總線：以串行方式傳輸數據的總線。
2）.並行總線：以並行方式傳輸數據的總線。
2. 按時序控制方式分類(共享時鐘信號)
按照總線的時序控制方式分類，總線可分爲同步總線、異步總線兩種。
1）.同步總線互連的計算機部件間均通過統一的時鐘進行同步，即所有互連部件都必須使用同一個時鐘（同步時鐘），在規定的時鐘節拍內進行規定的總線操作，來完成部件之間的信息交換。
2）.異步總線指沒有統一的時鐘而依靠各部件內部定時操作，所有部件是以信號握手的方式進行，即發送方和接受方互用請求和確認信號來協調動作，總線操作時序不固定。
3. 按照總線內部信息傳輸的性質分
•數據總線:DB 用於傳送數據信息
•地址總線:AB 是專門用來傳送地址的
•控制總線:CB 控制總線包括控制、時序和中斷信號線
•電源總線:PB 用於向系統提供電源
4. 按總線在系統結構中的層次位置
•片內總線 (On-Chip Bus)
在集成電路的內部，用來連接各功能單元的信息通路。芯片（CPU）內部的總線，用於連接芯片內部各元件（ALU、寄存器、指令部件）。芯片（CPU）內部的總線，用於連接芯片內部各元件（ALU、寄存器、指令部件）。
•系統總線 (System Bus)：又稱內部總線用於計算機內部模塊（板）之間通信
•局部總線(Local Bus):連接計算機硬件系統的某一個子系統或部分部件的總線。一般將具有總線仲裁能力的多主控模塊之間的總線稱爲系統總線，將不具有總線仲裁能
力的多主控模塊之間的總線稱爲局部總線。
•外部總線 (External Bus)：又稱通訊總線用於計算機之間或計算機與設備之間通信。通信總線又稱外部總線或外設總線，如RS-232C、RS-485、USB總線、IIC總線、SPI總線、CAN總線等。
5、俗稱：
• CPU內部的總線稱爲片內總線
• CPU與北橋之間的總線稱爲前端總線FSB，
• 內存與北橋的總線稱爲內存總線
• 通過北橋與CPU相連的總線稱爲局部總線，
• 把與南橋相連的總線成爲I/O總線。
6、通信總線按數據同時傳輸方向可分爲單工、半雙工、全雙工通信三種：
• 單工通信：是指消息只能單方向傳輸的工作方式，只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互；
• 半雙工通信：是指數據可以沿兩個方向傳送，但同一時刻一個半雙工總線結構信道只允許單方向傳送，因此又稱爲雙向交替通信；
• 全雙工通信：通信的雙方可以同時發送和接收信息，又稱雙向同時通信。
（四）、總線的性能指標
需要引入某種技術指標，就像描述計算機性能的MIPS和MFLOPS那樣，可以描述總線的性能。
• 總線頻寬：總線本身所能達到的最高傳輸率
總線頻寬(MB/s) ＝ 總線頻率f× 數據線寬度W
• 總線傳輸率：1個時鐘週期能傳輸的數據的數量。
總線傳輸率Q = 總線頻率f × 傳輸數據寬度W / 傳輸一次數據所需時鐘週期個數N
其它常見指標：總線時鐘頻率，總線可掛接設備數量，最大物理長度，數據寬度，地址寬度。
（五）、總線工作原理
• 先從總線結構談起
• 完整的總線應當包含連接各個模塊之間的連接導線、各個模塊內部的
總線接口電路以及可能存在的總線控制與管理部件。
• 這種結構導致總線工作具有如下特徵：
- 共享媒介
- 媒介爭用與總線仲裁
- 集中式仲裁和分佈式仲裁
- 總線接口和設備接口相配合
• 常見的總線結構至少包括這樣三部分：
- 地址部分
• 如果是I/O地址，一般在0000H-FFFFH之間
• 如果是內存地址，則與芯片架構有關
• 20 bits (8086/8088), 24 bits (80286), 32 bits (80386DX, 486, Pentium,
Pentium Pro / II / III) - 數據部分
• 8 bits (8088), 16 bits(8086, 80286, …Pentium), 64 bits (Pentium/ Pro/II/III) - 控制部分
• 不可缺少的四根控制線：MRDC, MWRC, IORC, IOWC
• 經常還會有：總線請求、傳輸響應、中斷控制 (INT / INTA)，DMA控制 (DREQ,
DACK)
• 其它：總線鎖定LOCK
（六）、如何傳輸數據
• 總線傳輸四階段：總線申請，總線仲裁，總線傳輸，總線釋放
• 總線仲裁：鏈式查詢，計數器查詢和獨立請求
• 數據傳輸：同步方式、異步方式和半同步方式
• 總線驅動
• 出錯處理
1、總線仲裁
• 連接到總線上的功能模塊有主動(主方)和被動(從方)兩種形態
• 主方可以啓動一個總線週期
• 從方只能響應主方請求
• 每次總線操作，只能有一個主方，但是可以有多個從方。
• 總線佔用期：主方持續控制總線的時間。
• 爲了解決多個功能模塊爭用總線的問題，必須設置總線仲裁部件。
• 仲裁策略：
• 公平策略
• 優先策略
三、互連結構
（一）、如何應用總線實現計算機內部各個模塊之間的互連？
• 最簡單的方式：將各個模塊通過“插槽”直接連接到總線上
• 擴展方式：中繼(Repeater)、級聯(Uplink)和堆疊(Stack)
• 中繼就是通過連接將信號從一箇中繼點傳遞到下一個中繼點，實現信號的增強，最終達到延伸信號傳播距離和範圍的目的。
• 級聯就是把二個以上的總線設備通過某種方式連接起來，能起到擴容和傳輸距離和範圍的效果。
• 堆疊是把兩個相同或相近的總線設備組合起來形成一個整體設備，起到擴容的效果。
• 不同總線之間的轉換：橋接器(Bridge)
（二）、交換
1、定義：
• 類比：電話系統的交換機(交換原理)
• 交換取消了對傳輸媒介的共享，提高了並行使用情況下單個端口的帶寬(數據傳輸率)。