計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論文(2)
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論文篇二
《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展》
摘 要： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從1946年誕生開始一直在飛速發(fā)展，而硬件革命也使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了幾次大的變革。如今的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在更多功能和更高性能上取得了突破。本文對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的歷史發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，并簡(jiǎn)要介紹了如今的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新技術(shù)和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 馮・諾依曼結(jié)構(gòu) 并行機(jī) 多核 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)
中圖分類號(hào)：TP303 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082(2015)04-0007-03
一、前言
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程可以分為2個(gè)時(shí)代：串行計(jì)算時(shí)代和并行計(jì)算時(shí)代。并行計(jì)算是在串行計(jì)算的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。并行計(jì)算將一項(xiàng)大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)交由一組相同的處理單元共同完成。在此期間，各處理單元相互通信與協(xié)作，從而獲得更高的效率。體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展是每個(gè)計(jì)算時(shí)代到來(lái)的重要標(biāo)志，其次才是基于該結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)軟件(尤其是操作系統(tǒng)和編譯軟件)、應(yīng)用軟件的發(fā)展，最后隨新問題的發(fā)生發(fā)展解決達(dá)到頂峰。
計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是選擇并相互連接硬件組件的一門科學(xué)和藝術(shù)，在人們不斷探索研究的過程中，一直在追求計(jì)算機(jī)的功能、性能、功率以及花費(fèi)的高度協(xié)調(diào)，以期達(dá)到各方面的最佳狀態(tài)，在花費(fèi)、能量、可用性的抑制下，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的多功能、高性能、低功率、少花費(fèi)的一個(gè)新時(shí)代。根據(jù)當(dāng)前體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀，要實(shí)現(xiàn)以上全部要求的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，還存在著諸多的限制條件，包括邏輯和硬件上的兩方面限制條件。
現(xiàn)如今，隨著其他領(lǐng)域，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)平臺(tái)等的飛速發(fā)展，給計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)也提出了新的要求，除了需要解決歷史發(fā)展中的遺留問題外，還需融入新的功能?？傊?，未來(lái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展值得期待。
二、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的歷史發(fā)展
計(jì)算機(jī)已有近70年的發(fā)展史，一般認(rèn)為經(jīng)歷了5代的發(fā)展，主要都是以硬件技術(shù)的發(fā)展為標(biāo)志的。其中最蓬勃的時(shí)期，當(dāng)屬1946年ISA計(jì)算機(jī)提出的最早時(shí)期到1972年CRAY_1問世的這一段時(shí)間，因?yàn)樽源似陂g出現(xiàn)的技術(shù)及結(jié)構(gòu)，幾乎囊括了迄今為止所有的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)。從1973年開始，因LSI/VLSI技術(shù)的發(fā)展和成熟，微處理器及微型計(jì)算機(jī)紛紛引入該技術(shù)，使得計(jì)算機(jī)技術(shù)一時(shí)間廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，于是計(jì)算機(jī)應(yīng)用開始呈現(xiàn)出前所未有的繁榮景象。雖然如此，計(jì)算機(jī)的發(fā)展單從體系結(jié)構(gòu)來(lái)看并沒有發(fā)生革命性的變化，已被提出的體系結(jié)構(gòu)和所謂非馮・諾依曼結(jié)構(gòu)的并行處理，通常也沒有完全脫離馮・諾依曼的基本思想，不過是多個(gè)馮・諾依曼部件的重復(fù)。人們尚需不斷創(chuàng)新和努力，才有可能從本質(zhì)上革新計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。
三、馮・諾依曼結(jié)構(gòu)的發(fā)展
1.最初的馮・諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)
包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器以及輸入/輸出設(shè)備五大部分，其中運(yùn)算器為中心。
存儲(chǔ)器是一維順序模型，含有定長(zhǎng)存儲(chǔ)單元，訪問需按地址。
一個(gè)存儲(chǔ)器同時(shí)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，指令和數(shù)據(jù)具有相同的地位。
采用存儲(chǔ)程序并順序執(zhí)行的思想，由程序控制器控制按序指，當(dāng)遇轉(zhuǎn)移指令時(shí)改變指令執(zhí)行順序。
程序和數(shù)據(jù)均采用二進(jìn)制編碼及二進(jìn)制運(yùn)算。
最初的計(jì)算機(jī)，元器件可靠性較低，因而采用馮・諾依曼結(jié)構(gòu)是較為合適的，它作為所有串行算法的基礎(chǔ)，在過去、目前以及未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，都將作為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的主要模式，影響著計(jì)算機(jī)的發(fā)展。
2.改進(jìn)的馮・諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)
以存儲(chǔ)器為中心，外部設(shè)備與中央處理的運(yùn)算以及不同的外設(shè)之間均采取并行方式。
為縮小數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法之間的語(yǔ)義間隔，增加了新的數(shù)據(jù)表示，包括：常數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字節(jié)、字符串、可變長(zhǎng)10進(jìn)制、隊(duì)列等。
引入堆棧，更加方便實(shí)現(xiàn)與鏈接相關(guān)的操作以及程序載入、遞歸計(jì)算等。
為訪問復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象引入變址寄存器，并增加了間接尋址方式。
為解決CPU和內(nèi)存間信息交換的速度不匹配問題，增加CPU內(nèi)的通用寄存器數(shù)量;為減少CPU與主存的信息交換頻率，增加高速緩沖器Cache，形成三級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。
為提高處理器的吞吐量和效率，采取先行控制、指令重疊、流水線等技術(shù)，在指令內(nèi)、指令間、任務(wù)間、作業(yè)間等不同層次上開發(fā)并行性。
加提高存儲(chǔ)器帶寬，采用存儲(chǔ)器交叉訪問等技術(shù)。
使程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間分開，以增加存儲(chǔ)器帶寬。
采用頁(yè)式存儲(chǔ)管理及段式存儲(chǔ)管理等虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，使計(jì)算機(jī)運(yùn)行方式上從單作業(yè)單通道處理發(fā)展為批處理、多道程序處理等。
改進(jìn)的馮・諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的能夠很好地進(jìn)行較大規(guī)模的數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，但還不能很好地對(duì)圖象和自然語(yǔ)言數(shù)據(jù)對(duì)象等進(jìn)行處理。
3.并行處理結(jié)構(gòu)的發(fā)展
雖然計(jì)算機(jī)性能的提高很大程度上取決于元器件的發(fā)展，但是另一方面，體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展也扮演著相當(dāng)重要的角色。尤其是并行技術(shù)的引入和發(fā)展。并行性包括時(shí)間并行性和空間并行性兩部分。一般時(shí)間并行性的開發(fā)采用資源共享和時(shí)間重疊的方法，而空間并行性的提高則采用資源重復(fù)的方法。由于并行性的開發(fā)體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的不同硬件不同層次結(jié)構(gòu)上，這里只針對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的并行性進(jìn)行討論闡述。
在雙核系統(tǒng)還未出現(xiàn)的早期，并行技術(shù)主要應(yīng)用于單機(jī)系統(tǒng)。微指令、指令、程序等不同粒度的流水線，多道程序設(shè)計(jì)，多功能部件，以及向量處理機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，一時(shí)間單處理機(jī)系統(tǒng)的吞吐量和其他性能達(dá)到幾乎飽和的狀態(tài)。問題規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大催生了多處理器系統(tǒng)的發(fā)展，同時(shí)也導(dǎo)致了共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)(SMP)的產(chǎn)生。
SMP采用多處理器共享內(nèi)存的方式，同時(shí)也采用高速緩存的多級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，提高處理器訪存速度。然而這必將出現(xiàn)訪問沖突問題。為進(jìn)一步提高SMP結(jié)構(gòu)的并行規(guī)模和系統(tǒng)性能，有如下幾種策略解決該問題。
3.1分布存儲(chǔ)多處理機(jī)結(jié)構(gòu)(DMP)，又稱為非共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，它利用資源重復(fù)的并發(fā)性策略，使各處理器節(jié)點(diǎn)并發(fā)地訪問分布的存儲(chǔ)器。其特點(diǎn)是主存分布，不共享。然而這種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)存在地址空間的不連續(xù)問題，造成單處理器程序向DMP上移植的困難性，加大了程序員在該結(jié)構(gòu)上編程的難度，因而DMP在主流機(jī)上很快消失。
3.2非一致存儲(chǔ)訪問(NUMA)結(jié)構(gòu)，把實(shí)際分布的各存儲(chǔ)器看成連續(xù)的存儲(chǔ)的空間，解決了DMP地址空間不連續(xù)的問題。其特點(diǎn)是物理上分布存儲(chǔ)，邏輯上統(tǒng)一編址，存儲(chǔ)器共享，Cache不共享。由于Cache不共享，又會(huì)導(dǎo)致Cache一致性問題。
3.3大規(guī)模并行處理(MPP)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是不共享存儲(chǔ)器，各處理器節(jié)點(diǎn)獨(dú)立工作，只交換必要的信息，即打包的數(shù)據(jù)和程序，這樣就能夠徹底解決Cache一致性的問題。MPP可方便擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，具有很好的伸縮性。目前優(yōu)選的節(jié)點(diǎn)通訊互連網(wǎng)絡(luò)有超立方體和網(wǎng)絡(luò)加“蟲蛀式”路由，均難以解決系統(tǒng)效率的問題。然而這種不共享的方式，導(dǎo)致數(shù)據(jù)流路徑選擇困難，可編程性大大降低，程序執(zhí)行效率也隨之下降。鑒于MPP結(jié)構(gòu)的這些特點(diǎn)嚴(yán)重制約了并行技術(shù)的發(fā)展，人們將焦點(diǎn)再次聚集到解決NUMA結(jié)構(gòu)Cache一致性的問題上來(lái)，產(chǎn)生了Cache一致性NUMA結(jié)構(gòu)――CC-NUMA。
目前， 大規(guī)模并行結(jié)構(gòu)尚有三大難題：節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡問題，Cache一致性問題和通訊同步問題，均為全局優(yōu)化問題。一系列并行處理結(jié)構(gòu)的發(fā)展，說(shuō)明大規(guī)模并行處理結(jié)構(gòu)并沒有新東西，實(shí)屬無(wú)奈和被動(dòng)。馮・諾依曼結(jié)構(gòu)的一維順序存儲(chǔ)模型嚴(yán)重地制約了并行體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行并行性的挖掘只能有限地提高計(jì)算機(jī)性能。[1]
四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新技術(shù)
1.Cell和多核等新型處理器結(jié)構(gòu)帶來(lái)新的方向
現(xiàn)代科技對(duì)科學(xué)計(jì)算的精度要求日益提高，處理問題的規(guī)模也日益擴(kuò)大，這些都加快了計(jì)算機(jī)體系機(jī)構(gòu)的發(fā)展。由于微電子技術(shù)發(fā)展的制約以及單機(jī)并行處理結(jié)構(gòu)的限制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展有了新思路，即Cell和多核架構(gòu)技術(shù)。
Cell采取單芯片多核處理單元的結(jié)構(gòu)，共享存儲(chǔ)器資源被多個(gè)處理單元共享。Cell采用的是稱為協(xié)處理器的技術(shù)，并依靠多個(gè)處理單元并行來(lái)提高運(yùn)算速度。Cell架構(gòu)的綜合效率高、功耗低、可擴(kuò)展性好，因此被廣泛應(yīng)用在服務(wù)器、大型機(jī)、移動(dòng)設(shè)備等應(yīng)用環(huán)境。Cell的可移植性也值得一提，不同的機(jī)器雖然頻率和內(nèi)核數(shù)量等參數(shù)可能不同，然而在同款機(jī)器上開發(fā)的程序，僅需改變相應(yīng)的參數(shù)，即可被一直到所有機(jī)器上運(yùn)行。正是由于Cell極佳的可移植性，Cell可以方便使用相同架構(gòu)的移動(dòng)設(shè)備和服務(wù)器的通信和資源的共享，從而使得網(wǎng)絡(luò)資源整合成為可能，為電子信息網(wǎng)絡(luò)變革帶來(lái)福音。
與Cell架構(gòu)不同，多核處理器的出現(xiàn)則是另一種計(jì)算方式的體現(xiàn)。從多核處理器出現(xiàn)開始，多核處理器逐漸發(fā)展，已經(jīng)從僅限于高端服務(wù)器演變?yōu)樵赑C機(jī)中普及，從而使PC機(jī)也演變?yōu)椴⑿杏?jì)算機(jī)，多核處理器由此占據(jù)大部市場(chǎng)。由此帶來(lái)的是利用多核優(yōu)勢(shì)進(jìn)行并行程序設(shè)計(jì)的研究。多核設(shè)計(jì)也使得摩爾定律轉(zhuǎn)變?yōu)榛粮穸沙蔀榭赡堋Ｓ⑻貭?、AMD、IBM、SUN公司等計(jì)算機(jī)行業(yè)巨頭均相繼推出各自的多核處理器，從雙核到四核，從四核到八核，升值96核，192核的芯片也相繼誕生，預(yù)計(jì)千核處理器也有望在2020年誕生。由此衍生出基于多核技術(shù)的高性能計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展。
2.可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)帶來(lái)新的亮點(diǎn)
過去的計(jì)算機(jī)硬件由于采用固化方式，硬件僅能使用一種環(huán)境，環(huán)境變更必將造成大量電子垃圾的產(chǎn)生，不利于可持續(xù)發(fā)展。可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)[3-5]的出現(xiàn)，則很好的解決了這一問題?？芍貥?gòu)計(jì)算采用FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)和CPLD編程技術(shù)等底層技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件可編程，繼而可以根據(jù)不同計(jì)算任務(wù)需求實(shí)時(shí)改變硬件的結(jié)構(gòu)以滿足實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的多元性和可變性，進(jìn)一步提高了計(jì)算機(jī)的性能。
可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)主要應(yīng)用在處理器芯片體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其基本目標(biāo)是支持不同類型的并行性計(jì)算模型以達(dá)到不同級(jí)別的高性能，并提高芯片上硬件資源的利用率。該技術(shù)的基本實(shí)現(xiàn)思路是動(dòng)態(tài)配置芯片上大量的處理單元、存儲(chǔ)單元和互連結(jié)構(gòu)。由于可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)能夠很好地把握半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力，采用該技術(shù)的多型微處理芯片體系結(jié)構(gòu)不僅能夠適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境的多樣性，同時(shí)還降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性、成本、功耗，提高了資源利用率和系統(tǒng)可靠性。該技術(shù)的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)處理器芯片設(shè)計(jì)過程中的指令集體系結(jié)構(gòu)和微體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)也發(fā)生了相應(yīng)的巨大變化。
可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)在很大程度上降低了計(jì)算機(jī)硬件的復(fù)雜度，因?yàn)橛布脖毁x予了軟件特性，變得可“編程”，因而也就具有高計(jì)算能力和低硬件復(fù)雜度。在這類單片系統(tǒng)上開發(fā)各種類型的應(yīng)用，同時(shí)根據(jù)應(yīng)用本身的并行性特征，采取體系結(jié)構(gòu)模型的資源重復(fù)技術(shù)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，進(jìn)而達(dá)到提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能，減低設(shè)計(jì)復(fù)雜度和功耗的目的。
3.可重構(gòu)技術(shù)與多核技術(shù)的融合
馮・諾依曼體系結(jié)構(gòu)在過去的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。同時(shí)，計(jì)算機(jī)硬件和軟件，尤其是CPU和存儲(chǔ)技術(shù)也在不斷發(fā)展著。隨著信息時(shí)代的到來(lái)，現(xiàn)有的技術(shù)也許遠(yuǎn)無(wú)法滿足人們的需求。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和信息化社會(huì)使得計(jì)算機(jī)的應(yīng)用需求從簡(jiǎn)單的科學(xué)計(jì)算、資源共享功能的需求逐步發(fā)展為對(duì)大規(guī)模不同類型數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、智能升級(jí)等能力的需求?？芍貥?gòu)技術(shù)與多核技術(shù)作為基礎(chǔ)，比將帶動(dòng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的后續(xù)發(fā)展。對(duì)于未來(lái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展，有學(xué)者提出以下幾個(gè)方面的構(gòu)想：(1)CPU將發(fā)展為Cell結(jié)構(gòu)和多核結(jié)構(gòu)融合結(jié)構(gòu)，即多Cell結(jié)構(gòu)處理器;(2)信息通路[2]取代存儲(chǔ)器，成為體系結(jié)構(gòu)的中心;(3)計(jì)算機(jī)的構(gòu)成部件由馮・諾依曼體系結(jié)構(gòu)五大部件轉(zhuǎn)變?yōu)橛啥鄠€(gè)信息處理節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的智能化和集成化程度逐步提高;(4)硬件設(shè)計(jì)也將被納入程序設(shè)計(jì)的范疇;(5)生產(chǎn)商提供中間件，用戶無(wú)需關(guān)心程序設(shè)計(jì)本身，從而獲取更好的體驗(yàn)感。
五、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的未來(lái)發(fā)展
縱觀目前各大高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方向的研究生院專業(yè)設(shè)置，以及各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)會(huì)議和論文，網(wǎng)格計(jì)算、高性能計(jì)算與并行處理、容錯(cuò)計(jì)算、光計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)，都是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)未來(lái)發(fā)生重大突破的契機(jī)。
1.現(xiàn)階段研究領(lǐng)域的突破
截止前不久第十五屆全國(guó)計(jì)算容錯(cuò)會(huì)議落下帷幕，我國(guó)容錯(cuò)計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)走過了超過18個(gè)年頭。文獻(xiàn)[5]研究和分析了幾種面向通用的容錯(cuò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在充分考慮成本、可靠性、處理能力、升級(jí)、開發(fā)周期、靈活性等因素的基礎(chǔ)上，提出了一種開放的、高性價(jià)比的、通用的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。
隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)逐漸滲透進(jìn)計(jì)算機(jī)各個(gè)領(lǐng)域，并行計(jì)算也成為目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要研究方向。文獻(xiàn)[6]為我們介紹了可擴(kuò)展并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。可以看到，并行機(jī)的發(fā)展取得了很多成就，國(guó)內(nèi)外有許多優(yōu)秀的并行機(jī)也已經(jīng)投入使用，而我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域也具有相當(dāng)?shù)挠绊懥Α?/p>
在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展中，除了處理器的發(fā)展受到廣泛關(guān)注外，其他如存儲(chǔ)器和總線的發(fā)展也至關(guān)重要。文獻(xiàn)[8]為我們介紹了計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展。
2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)分析
計(jì)算模型是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要標(biāo)志，后者是前者的具體體現(xiàn)。因此，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展可以參照計(jì)算模型的發(fā)展?；诳刂乞?qū)動(dòng)和共享數(shù)據(jù)的計(jì)算模型是傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的主要控制機(jī)制，未來(lái)主要有三個(gè)研究趨勢(shì)：數(shù)據(jù)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、歸約系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)、歸約計(jì)算機(jī)和智能計(jì)算機(jī)。[4]
計(jì)算模型有如下四種控制機(jī)制：控制驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、消息傳送和模式匹配。數(shù)據(jù)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和消息傳送。圖歸約和串歸約均為歸約系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中，圖歸約系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是基于需求驅(qū)動(dòng)和消息傳送的計(jì)算模型。智能機(jī)主要應(yīng)用在知識(shí)處理領(lǐng)域。
2.1 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)
數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)顧名思義是基于數(shù)據(jù)流的計(jì)算機(jī)，它采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算模型，較傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)具有更高的并行性。
數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)流方式是指：一條指令或一組指令的執(zhí)行由其所需的操作數(shù)驅(qū)動(dòng)，一旦操作數(shù)全部準(zhǔn)備就緒，指令立即被激發(fā)執(zhí)行。而下一條或下一組指令的執(zhí)行，同樣由上條或上組指令的輸出結(jié)果及其他所需操作數(shù)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行。采用這種方式的CPU將不再需要程序計(jì)數(shù)器。由于指令的執(zhí)行完全受數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)，指令并非按所屬的程序存儲(chǔ)順序，而是基本無(wú)序的。
文獻(xiàn)[10]為展示了一種數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)，介紹了數(shù)據(jù)流機(jī)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)二種、數(shù)據(jù)流程圖、數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言以及其特殊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
2.2 歸約機(jī)
歸約機(jī)同樣是基于數(shù)據(jù)流，但其驅(qū)動(dòng)方式與數(shù)據(jù)流機(jī)不同，歸約機(jī)采用的是需求驅(qū)動(dòng)的計(jì)算模型。在歸約機(jī)中，指令的執(zhí)行受其他指令的驅(qū)動(dòng)，即指令因其他指令的需要而執(zhí)行。
歸約是指將表達(dá)式不斷化簡(jiǎn)直到獲得最簡(jiǎn)表達(dá)式的過程，得到最簡(jiǎn)表達(dá)式也就得到了最終的計(jì)算結(jié)果。歸約機(jī)的設(shè)計(jì)是面向函數(shù)式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的。這種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言也簡(jiǎn)稱為函數(shù)式語(yǔ)言，是一種面向問題的說(shuō)明性問題，即它是描述問題而非解決問題的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。
函數(shù)式語(yǔ)言通過對(duì)表達(dá)式的歸約產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)歸約機(jī)中指令的執(zhí)行，由此產(chǎn)生指令執(zhí)行順序。
按照函數(shù)表達(dá)式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)不同，歸約機(jī)分為串行歸約機(jī)和圖歸約機(jī)兩類。前者以字符串形式存儲(chǔ)函數(shù)表達(dá)式而后者以圖的形式存儲(chǔ)。
2.3 智能機(jī)
智能機(jī)用于知識(shí)信息處理，它由以下幾個(gè)部分組成：推理系統(tǒng)、智能機(jī)口、數(shù)據(jù)庫(kù)系機(jī)和知識(shí)庫(kù)機(jī)。其中，后兩者是包含存儲(chǔ)器及處理器的專用機(jī)，用來(lái)獲取、表達(dá)、存儲(chǔ)和處理龐大的數(shù)據(jù)和各種人類知識(shí)。智能機(jī)的發(fā)展跟數(shù)據(jù)挖掘、信息抽取、人工智能等領(lǐng)域的研究密不可分。
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，信息時(shí)代計(jì)算機(jī)需要處理的遠(yuǎn)不止傳統(tǒng)的馮・諾依曼機(jī)復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算任務(wù)，更多的是應(yīng)對(duì)各種各樣數(shù)量龐大的非數(shù)值計(jì)算任務(wù)。處理非數(shù)值數(shù)據(jù)涉及到的核心問題是如何對(duì)人類知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，這就需要保證知識(shí)一致性和快速實(shí)時(shí)響應(yīng)。然而傳統(tǒng)馮・諾依曼機(jī)卻不能有效保證這兩點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī)和知識(shí)庫(kù)機(jī)的概念的產(chǎn)生真是基于以上需求。數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī)和知識(shí)庫(kù)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足一下幾點(diǎn)要求：
具有快速查詢數(shù)據(jù)和知識(shí)的能力；
能夠存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)和知識(shí)；
采用模塊化結(jié)構(gòu)，一邊能夠充分利用VLSI技術(shù)提供性能良好的用戶接口，使數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)機(jī)能與各種前端機(jī)連接，以便讓更多用戶訪問。
3.新型體系結(jié)構(gòu)
3.1 后PC時(shí)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展
文獻(xiàn)[7]提出，由于個(gè)人移動(dòng)電腦將是后PC時(shí)代上的主流產(chǎn)品，因此對(duì)當(dāng)今的微處理器在實(shí)時(shí)響應(yīng)、DSP支持、高效能量供給等方面提出了新的挑戰(zhàn)。新的微處理器實(shí)際上是通用處理器與數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的結(jié)合。因此主要需要滿足下列4個(gè)條件。
高性能：首先是實(shí)時(shí)響應(yīng)，能保證在效率最差的情形下也能對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)(如視頻) 作出反應(yīng)。連續(xù)媒體數(shù)據(jù)類型，要求系統(tǒng)能處理連續(xù)數(shù)據(jù)流的輸入，并不間斷輸出結(jié)果.其它還要求高存儲(chǔ)器帶寬、高網(wǎng)絡(luò)帶寬、細(xì)粒度并行性、粗粒度并行性、高指令參照定位等。
高效率能童系統(tǒng)：這種裝里預(yù)計(jì)功耗應(yīng)小于2w，處理器的功耗應(yīng)設(shè)計(jì)在1w 以下，且仍能處理像語(yǔ)音識(shí)別這樣的高性能操作?，F(xiàn)今高性能徽處理器數(shù)十W 的功耗是不能接受的。
小巧玲瓏：尺寸小、重量輕也是重要條件之一這就需減少芯片數(shù)，提高集成度，像在PD A 里一樣，要節(jié)省內(nèi)存的開銷，減小代碼和程序的大小。
設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和可縮放性：一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該不僅在性能上而且在物理計(jì)上，能有效地縮放。臺(tái)式計(jì)算機(jī)芯片間長(zhǎng)線互連的方式在未來(lái)處理器狹小空間里是不合適的，應(yīng)該避免。
3.2 其他
中國(guó)工程院院士鄔江興在2013年“高效能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”國(guó)際戰(zhàn)略高端論壇上發(fā)布了“基于認(rèn)知的主動(dòng)重構(gòu)計(jì)算體系”(簡(jiǎn)稱PRCA)的新概念高效能計(jì)算機(jī)體系，鄔院士稱該體系經(jīng)初步原理驗(yàn)證，效能至少比傳統(tǒng)高性能計(jì)算機(jī)提高10倍以上。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革是同器件變革以及技術(shù)變革相輔相成的，目前量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等新型計(jì)算機(jī)正處于研測(cè)試用或設(shè)想階段，未來(lái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展必將出現(xiàn)飛躍。
參考文獻(xiàn)
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