基本介紹
- 中文名：機器體系結構
- 外文名：機器體系結構機器體系結構Machine architecture
- 學科：計算機
- 定義：機器系統各部分屬性及管線
- 組成：系統體系結構和實現體系結構
簡介,發展,系統體系結構,計算機組織,
簡介
機器體系結構主要由計算機組織和系統體系結構組成，計包括處理機體系結構、存儲系統、並行處理系統、分散式處理系統等。處理機體系結構包括各種類型的處理機結構，特別是精簡指令集計算機的體系結構對計算機的發展有重要的影響。存儲系統具有層次結構。一般由四級存儲器組成: 第一級是暫存器(在中央處理器中) ；第二級是高速緩衝存儲器； 第三級是主存儲器；第四級是輔助存儲器。這四級存儲器都是實際存儲器。虛擬存儲器為用戶提供比主存儲器容量大得多的可隨機訪問地址空間。並行處理系統旨在突破單機運算速度與作業吞吐量的限制，以適應日益增長的巨大計算能力需求。它將多個處理機通過網際網路連線起來， 實現並行處理。其體系結構大體上可分為單指令流多數據流和多指令流多數據流兩種。由成百上千個微處理器構成的大規模並行處理系統和其它並行處理系統已經實現。分散式處理系統將不同地點或不同功能的多台計算機用通信網路連線起來， 協同完成信息處理任務。它包括客戶 伺服器計算、 計算機簇、 分散式異構型計算機系統等。
發展
現代計算機的發展歷程可以分為2 個時代：串列計算時代和並行計算時代。並行計算是在串列計算的基礎上，由一組處理單元組成，處理單元彼此通過相互之間的通信與協作，共同高速完成一項大規模的計算任務。而每一個計算時代都是從體系結構的發展開始，然後才是基於該結構的系統軟體(特別是編譯器與作業系統)、套用軟體的發展，最後隨著問題求解和發展而達到頂峰。隨著計算技術的發展，計算機體系也在不斷發展變化。20 世紀60 年代初期，隨著電晶體和磁芯存儲器的出現，處理單元和存儲器實現小型化，並行計算機開始出現。到了20世紀60年代末期，單一處理器中可以集成多個功能單元，產生了流水線技術。該技術與單純提高CPU時鐘頻率相比，大大提高了並行計算機系統的性能。
當時，伊利諾依大學和 Burroughs 公司開始著手實施Illiac Ⅳ計畫，研製1台64顆CPU的SIMD 主機系統，涉及到相關硬體技術、體系結構、I/O 設備、作業系統、程式設計語言，以及包括應用程式在內的眾多研究課題。1975 年，隨著一台規模大大縮小的原型系統(僅使用16顆CPU)的面世，新的計算技術也得到了發展。首先是存儲系統的概念，提出了虛擬存儲和快取的思想，大大提高了計算機的整體性能。其次是半導體存儲器開始代替磁芯存儲器，大大縮小了存儲器的體積並提高了訪存速度。積體電路技術也被廣泛而迅速地套用到計算機技術中。
1976 年Cray-1 問世，向量計算技術被套用到高性能計算機中。Cray-1 對所使用的邏輯電路是經過精心設計的，採用 RISC 精簡指令集，引入向量暫存器，完成向量運算。20世紀80年代開始，微處理器技術高速發展。此時，微處理器隨著機器的字長從4位、8位、16位一直增加到32位、64位，其性能也隨之顯著提高。卡內基·梅隆大學提出共享存儲多處理器體系結構，並在當時流行的DEC PDP-11 小型計算機的基礎上研製出1台由16台PDP-11/40 處理機通過交叉開關與16個共享存儲器模組相連線而成的共享存儲多處理器系統 C.mmp。伯克利加州大學對基於 SMP 方式的匯流排協定進行擴展，提出了 Cache 一致性問題的處理方案。從此，C.mmp 開創出的共享存儲多處理器體系結構便成為伺服器和桌面工作站的主流。20世紀80年代中期，基於訊息傳遞機制的並行計算機開始出現，加州理工學院將64 個 i8086/i8087 處理器通過超立方體互連結構連線起來。此後，便先後出現了Intel i PSC 系列、INMOS Transputer 系列、Intel Paragon，以及IBM SP 的前身 Vulcan 等基於訊息傳遞機制的並行計算機。
20 世紀 80 年代末到20世紀90 年代初，共享存儲器方式的大規模並行計算機又獲得了新的發展。IBM 將大量早期的RISC微處理器通過蝶形網際網路連線起來。史丹福大學提出 DASH 計畫，通過維護1個保存有每一快取塊位置信息的目錄結構來實現分散式共享存儲器的快取一致性技術，IEEE 在此基礎上提出了快取一致性協定的標準。從20世紀90年代末開始，以前發展的主要幾種體系逐步走向融合，同時隨著新技術的出現又為新的架構帶來了新的革命。
系統體系結構
計算機系統屬於工程系統，由許多連通的層和子系統組成，這些層和子系統之間的互動模式複雜，並且可能隨時間變化。從第一台通用電子計算機問世以來，計算機系統在性能、存儲等方面飛速發展。這既得益於計算機系統生產技術的發展，也得益於計算機系統體系結構的最佳化設計和創新。系統體系結構是系統的全局視圖和主要結構，包括系統的組成和互動特徵，貫穿包括前期功能區分設計等在內的系統設計實現的所有階段，綜合考慮系統的功能需求、屬性指標和約束條件等許多方面。與具體細節設計、實現不同，體系結構或者說體系結構設計是一個更高級別的抽象，側重各個組成部分的外在可見屬性。對系統體系結構的深入研究可以加深對對象系統的理解，有助於系統更好地設計和實現，缺少理論基礎、不成熟的體系結構會影響部分乃至整個系統的運轉。傳統的計算機體系結構指計算機的概念結構與 能 特 性，包括指令集體系結構 、組成和硬體 ，負責在不同的層次分配軟硬體功能和確定軟硬體界面。在計算機系統體系結構演變的過程中形成了許多基本設計原理，比如通過時間重疊、資源重複及資源共享充分利用並行性，局域性原理和Amdahl定律。層次設計是設計大規模控制系統體系結構的有效途徑，是計算機系統體系結構設計的重要組成部分，在計算機領域各種系統體系結構設計中有著廣泛套用。從計算機語言角度，可以把傳統的計算機系統按照功能劃分為從套用語 言虛擬機級向下到微程式機器級的多級層次結構，高級語言以低級語言為基礎，功能更強，對用戶和開發人員更加友。Dijkstra將層次模型套用在計算機作業系統的設計中，將作業系統分為調度層、分頁層、終端與作業系統通信層、I/O管理層、用戶程式層、用戶層，上層的設計僅僅依賴於相鄰的下層。
計算機組織
計算機組織是指計算機運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備等主要功能部件的相互連線和相互作用，藉以實現機器指令級的各種功能和特性。從最基本的功能和作用原理來說，計算機是在控制器的全面控制下，接收經數位化編碼的輸入信息（程式和數據），把它存放在存儲器中，根據程式的要求對數據進行快速運算，產生結果數據輸出。因此，可以把運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備看成是一台計算機的邏輯組成中最基本的功能部件。
