計(jì)算機(jī)硬件組成架構(gòu)

喬 斌

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，安徽 蕪湖 241006）

0 引 言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和信息時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已成為人們生活和工作中不可缺少的一部分，人們對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求也越來越高。得益于高集成度的微處理器芯片和大容量的存儲(chǔ)器芯片技術(shù)水平的不斷提高，計(jì)算機(jī)硬件的整體水平取得了快速發(fā)展。計(jì)算機(jī)硬件作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的重要組成部分，其體系架構(gòu)也越發(fā)先進(jìn)和復(fù)雜，這對(duì)人們掌握計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)的要求也越來越高：不僅需要人們了解計(jì)算機(jī)的基本組成硬件及功能，更需要人們對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件組成架構(gòu)及組成原理有一定理解。

文中從計(jì)算機(jī)硬件的基本組成部分及功能開始，對(duì)經(jīng)典的和現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件組成架構(gòu)進(jìn)行深入的分析和探討，以完整闡述計(jì)算機(jī)的硬件組成架構(gòu)。

1 計(jì)算機(jī)基本硬件及其功能

計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)是由基礎(chǔ)硬件按照一定的設(shè)計(jì)框架所組成的，主要可分為中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。各個(gè)組成部分的基本功能如下：

1）中央處理器是由運(yùn)算器和控制器組成的，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中必備的核心部件。運(yùn)算器是主要用來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的部件，負(fù)責(zé)進(jìn)行各種基本的邏輯計(jì)算、算術(shù)計(jì)算和其它操作；控制器作為整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行指揮中心，負(fù)責(zé)分析指令，并根據(jù)指令的要求有序、有目的地向系統(tǒng)的各個(gè)部件發(fā)出控制信號(hào)，使整個(gè)系統(tǒng)各部件協(xié)調(diào)一致地工作。

2）存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)最主要的記憶裝置，它既能接收計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)和程序，又能保存數(shù)據(jù)和程序，還可以根據(jù)命令讀取已保存的數(shù)據(jù)和程序。根據(jù)與CPU的接近程度，存儲(chǔ)器可以劃分為內(nèi)存儲(chǔ)器與外存儲(chǔ)器，簡稱內(nèi)存與外存。內(nèi)存儲(chǔ)器又常被稱為主存儲(chǔ)器（簡稱主存），屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成部分；外存儲(chǔ)器又常被稱為輔助存儲(chǔ)器（簡稱輔存），屬于外部設(shè)備。

3）輸入設(shè)備用來向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息，是用戶和計(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互的橋梁，主要設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)、攝像頭、掃描儀、光筆、手寫輸入板、語音輸入裝置等。計(jì)算機(jī)主要是通過輸入設(shè)備來獲取原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序。

4）輸出設(shè)備作為計(jì)算機(jī)的終端設(shè)備，主要對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，即是將計(jì)算機(jī)中的各種數(shù)據(jù)或信息以數(shù)字、字符、圖像、聲音等形式表示出來。常見的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、影像輸出系統(tǒng)、語音輸出系統(tǒng)等。

2 計(jì)算機(jī)硬件組成架構(gòu)原型

計(jì)算機(jī)硬件組成框架的原型為馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)馮·諾依曼的存儲(chǔ)程序控制原理，計(jì)算機(jī)硬件主要有控制器和運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入、輸出設(shè)備，對(duì)應(yīng)于現(xiàn)實(shí)生活中常見的CPU、內(nèi)存、主板、鼠標(biāo)、鍵盤等。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖

當(dāng)然，馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)存在著一定的優(yōu)缺點(diǎn)，如各計(jì)算機(jī)組成部件便于局部升級(jí)、單元條例化可以局部刪除重排列、二進(jìn)制運(yùn)算速率快等均屬于其優(yōu)點(diǎn)，而因其體系結(jié)構(gòu)屬串行方式，因此導(dǎo)致了延長計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)輸入和處理的時(shí)間，限制電腦的計(jì)算處理速度的明顯缺點(diǎn)。因此，隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們對(duì)馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了發(fā)展，其發(fā)展成果主要包括數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī) DFM 和智能計(jì)算機(jī)［1－2］。

3 現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)硬件組成架構(gòu)分析［3－5］

由于經(jīng)典的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)存在性能上的瓶頸，而時(shí)代的快速發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)的處理數(shù)據(jù)能力提出了越來越高的要求。因此，計(jì)算機(jī)硬件組成架構(gòu)朝著并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和量子計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等方向發(fā)展。

3.1 并行計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)

并行計(jì)算機(jī)是由多個(gè)處理器組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過一定設(shè)計(jì)使這些處理器能夠相互通信并協(xié)作，從而快速、高效地求解大型復(fù)雜問題。5種并行結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 5種并行機(jī)結(jié)構(gòu)模型

3.1.1 并行向量處理機(jī)（PVP）［6－8］

典型的并行向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)見圖2（a），該類典型機(jī)器有銀河1號(hào)、Cray T－90、NEC SX－4和Cray C－90等。該系統(tǒng)中包含了一定量的向量處理器VP，它們中的每一個(gè)至少具有1Gflops的處理能力。

3.1.2 對(duì)稱多處理機(jī)（SMP）

對(duì)稱多處理機(jī)的結(jié)構(gòu)見圖2（b），該類典型機(jī)器有曙光1號(hào)、EC Alpha服務(wù)器8400S、IBM R50和DGI Power Challenge等。對(duì)稱多處理機(jī)系統(tǒng)中使用了具有片上或外置高速緩存的通用微處理器，它們連向共享存儲(chǔ)器采用的方式是高速總線或交叉開關(guān)。

3.1.3 大規(guī)模并行處理機(jī)（MPP）

圖2（c）為大規(guī)模并行處理機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，該類典型機(jī)器有我國的曙光－1000、IBM SP2、英特爾公司的TFLOPS和英特爾公司的Paragon等。MPP一般具有以下特性：處理節(jié)點(diǎn)采用通用CPU；系統(tǒng)中有物理上的分布存儲(chǔ)器；采用專門設(shè)計(jì)和定制的高通信帶寬和低延遲的互連網(wǎng)絡(luò)；能同時(shí)容納成百上千個(gè)CPU；程序系由多個(gè)進(jìn)程組成，是一種異步的MIMD機(jī)器，每個(gè)程序都有其私有地址空間，進(jìn)程間通過傳遞消息來進(jìn)行交互。

3.1.4 分布共享存儲(chǔ)多處理機(jī)（DSM）

分布共享存儲(chǔ)多處理機(jī)結(jié)構(gòu)見圖2（d），采用此類結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)有SGI／Gray Origin2000、Cray公司的T3D和Stanford DASH。該種結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)在物理上分布在各節(jié)點(diǎn)中的存儲(chǔ)器，從而形成了一個(gè)共享的存儲(chǔ)器，因此它相對(duì)于規(guī)模并行處理機(jī)而言編程較容易。

3.1.5 工作站機(jī)群（COW）

工作站機(jī)群結(jié)構(gòu)見圖2（e），此結(jié)構(gòu)類型的計(jì)算機(jī)包括Berkeley NOW，Alpha Farm等，其主要特征是：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是“無源工作站”，一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可以是一臺(tái)PC或SMP；各節(jié)點(diǎn)通過一種低成本的以太網(wǎng)、FDDI和ATM開關(guān)等商品網(wǎng)絡(luò)互相連接；各節(jié)點(diǎn)內(nèi)都有本地存儲(chǔ)磁盤；節(jié)點(diǎn)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)接口都分布在松耦合到I／O總線上的；操作系統(tǒng)是工作站UNIX，為了支持單一系統(tǒng)映像、并行度、通信和負(fù)載平衡等，另外添加了一個(gè)附加的軟件層。

文中比較了上述5種結(jié)構(gòu)的特性，見表1。

表1 CANopen節(jié)點(diǎn)通信對(duì)象

3.2 量子計(jì)算機(jī)（quantum computer）

量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行邏輯運(yùn)算、高速數(shù)學(xué)計(jì)算和存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)可以解決目前很多通用計(jì)算機(jī)無法解決的問題，如對(duì)量子物理系統(tǒng)的模擬和進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理。

量子計(jì)算機(jī)由量子器件組成，量子器件的工作基礎(chǔ)是量子效應(yīng)。常規(guī)器件的信息位處于0態(tài)／1態(tài)，而量子器件的量子位除了0態(tài)／1態(tài)外，還有疊加態(tài)。疊加態(tài)是0和1的疊加，它們出現(xiàn)的概率相等。例如：常規(guī)計(jì)算機(jī)的8位寄存器只能存放一個(gè)8位數(shù)，而8位量子寄存器則可以存放256個(gè)數(shù)。量子計(jì)算機(jī)的架構(gòu)如圖3所示。

圖3 通用量子計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)示意圖

量子計(jì)算機(jī)組成架構(gòu)為：通用計(jì)算機(jī)為主控端，負(fù)責(zé)量子計(jì)算中的算術(shù)計(jì)算和邏輯計(jì)算，并對(duì)量子計(jì)算部分進(jìn)行控制；量子計(jì)算設(shè)備為協(xié)同處理端，其主要功能是處理以量子態(tài)形式所表示的數(shù)據(jù)。

文中將上述基本框架與馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)組成架構(gòu)進(jìn)行類比，從以下5個(gè)方面進(jìn)行分析：

1）運(yùn)算器。通用量子機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，量子運(yùn)算器受主控端控制，專門用來處理量子計(jì)算。量子運(yùn)算器負(fù)責(zé)對(duì)指定量子位進(jìn)行一些基本量子門的操作，這些量子門操作可作為該體系結(jié)構(gòu)下的基本量子指令，量子運(yùn)算器在量子存儲(chǔ)器內(nèi)的量子態(tài)產(chǎn)生作用。

2）控制器。通用量子計(jì)算機(jī)的控制器對(duì)應(yīng)于主控端馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的控制器。控制器不僅量子協(xié)同處理端的各個(gè)部件，通常在相應(yīng)系統(tǒng)軟件的操縱下通過主控端、量子計(jì)算部分的接口和通信設(shè)備對(duì)部件進(jìn)行控制，還控制著經(jīng)典計(jì)算部分的運(yùn)算。所以該體系結(jié)構(gòu)中起控制作用的核心部件是控制器，它與量子存儲(chǔ)器、ALU、經(jīng)典存儲(chǔ)器、子運(yùn)算器以及經(jīng)典輸入／輸出設(shè)備和量子輸入設(shè)備／接口交互。

3）存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器主要用來儲(chǔ)存量子計(jì)算中所涉及的數(shù)據(jù)，可謂量子數(shù)據(jù)的中間結(jié)果或最終結(jié)果，也可以是經(jīng)典數(shù)據(jù)。這里存儲(chǔ)器分為兩類：一類是量子存儲(chǔ)器，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存量子計(jì)算所產(chǎn)生的量子態(tài)，包括運(yùn)算中間結(jié)果和最終結(jié)果；一類是經(jīng)典存儲(chǔ)器。與馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)不同的是，不管是在量子存儲(chǔ)器還是在量子運(yùn)算發(fā)生的場所，量子數(shù)據(jù)是不流動(dòng)的。由于量子計(jì)算的特殊物理背景，這樣設(shè)計(jì)量子存儲(chǔ)器可以有效避免“計(jì)算”中，并可以提高量子計(jì)算的性能和容錯(cuò)性。

4）輸入設(shè)備。量子計(jì)算部分的輸入設(shè)備，其主要功能是把通用計(jì)算所用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為量子計(jì)算所用數(shù)據(jù)。它接受主控端的指令，并把通用數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為量子計(jì)算所需要的概率幅信息。特別需要關(guān)注的是，量子輸入界面設(shè)備僅受控于產(chǎn)生量子態(tài)的概率幅信息，需要通過量子運(yùn)算器把概率幅信息轉(zhuǎn)換為量子數(shù)據(jù)的物理態(tài)并置入量子存儲(chǔ)器。量子運(yùn)算器與量子輸入界面設(shè)備之間存在單向數(shù)據(jù)流，并通過通信接口與控制器進(jìn)行控制流交互。

5）輸出設(shè)備。量子計(jì)算部分的輸出設(shè)備，其功能是把量子態(tài)轉(zhuǎn)換為經(jīng)典數(shù)據(jù)。它既具有量子物理屬性，又具有經(jīng)典物理屬性。量子輸出界面屬于量子設(shè)備，設(shè)備中內(nèi)置一個(gè)量子測量器件。量子輸出界面設(shè)備直接根據(jù)地址訪問量子存儲(chǔ)器中的某個(gè)量子位，由主控端控制它；由量子測量器件對(duì)其進(jìn)行投影測量，測量造成該量子位的狀態(tài)向其本征值坍縮，坍縮導(dǎo)致反映量子態(tài)的某個(gè)物理量發(fā)生可測的變化。測量器件探測到這個(gè)變化，并根據(jù)其相位或者矢量的正負(fù)，把它映射為經(jīng)典數(shù)值1或者0，然后將它以比特的形式輸出。

4 結(jié) 語

隨著計(jì)算機(jī)硬件包括處理機(jī)、主存等部件的發(fā)展，器件的集成度越來越高且運(yùn)算速度越來越快，信號(hào)傳輸技術(shù)、電源、冷卻及裝配等技術(shù)工藝也越來越精湛，因此，計(jì)算機(jī)的硬件組成架構(gòu)也將不斷突破技術(shù)瓶頸，為人們的生活和工作提供更好的幫助。

只有在對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)硬件組成框架和現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件組成框架有深入的了解和掌握后，才能掌握計(jì)算機(jī)未來硬件組成框架的發(fā)展方向。在未來的計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)硬件組成框架將繼續(xù)獲得發(fā)展，計(jì)算機(jī)的性能也將得到進(jìn)一步的提高。

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