计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口，它充当着软件和硬件之间的桥梁，决定了计算机的处理能力、性能和可靠性。计算机体系结构设计是计算机领域中的核心问题之一，它涉及到多个关键问题，下面将重点讨论这些问题。
1. 指令集架构
指令集架构是计算机体系结构中最重要的一个方面，它定义了计算机的指令集和指令的执行方式。指令集架构可以分为复杂指令集架构（CISC）和精简指令集架构（RISC）。CISC架构具有复杂的指令集，每条指令可以完成多个操作，但指令执行时间较长。而RISC架构则具有精简的指令集，每条指令只能完成一个基本操作，但指令执行时间较短。在设计计算机体系结构时，需要根据应用需求和处理器成本等因素选择合适的指令集架构。
2. 存储器层次结构
存储器层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器等多级存储器。不同层次的存储器具有不同的访问速度、容量和成本。在设计计算机体系结构时，需要合理地组织存储器层次结构，将常用的数据和指令存储在速度较快的存储器中，以提高计算机的性能和响应时间。
3. 数据通路和控制器
数据通路是计算机体系结构中负责数据传输和处理的部分，而控制器则负责控制计算机的指令执行和数据传输过程。数据通路和控制器之间的配合和协同是计算机体系结构设计中的一个关键问题。设计人员需要优化数据通路和控制器的设计，以提高计算机的并行处理能力和运行效率。
4. 并行处理和并行计算
并行处理是指同时执行多个任务或指令，以提高计算机的处理能力和性能。在计算机体系结构设计中，如何支持并行处理和并行计算是一个关键问题。设计人员需要合理地选择并行处理的方式，如多核处理器、向量处理器和并行计算机等，以满足计算机系统的需求。
5. 性能评估和优化
性能评估和优化是计算机体系结构设计的最终目标。在设计计算机体系结构时，需要进行性能评估和优化，以提高计算机的计算能力、响应时间和能耗效率。性能评估可以通过模拟、仿真和基准测试等手段进行，而性能优化可以通过改进硬件设计、优化算法和调整系统参数等方式实现。
总之，计算机体系结构设计涉及到多个关键问题，如指令集架构、存储器层次结构、数据通路和控制器、并行处理和并行计算，以及性能评估和优化等。设计人员需要综合考虑这些问题，以设计出具备高性能、高可靠性和良好可扩展性的计算机体系结构。只有合理地解决这些问题，才能满足不断增长的计算需求，推动计算机技术的进步和发展。
参考文献：
- 《计算机体系结构》（王旭明，袁春风，王菁，北京：清华大学出版社，2010）
- 《计算机组织与体系结构》（美）约翰·D.卡内尔等著，侯捷等译，北京：机械工业出版社，2017
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