計(jì)算機(jī)組織

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的功能部件包括有中央處理器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入輸出子系統(tǒng)。

中央處理器一般包括運(yùn)算器和控制器。根據(jù)完成操作的種類(lèi)和速度的不同要求，運(yùn)算器可以采用不同的實(shí)現(xiàn)方法?；舅阈g(shù)邏輯操作由硬件實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜操作則既可由硬件、固件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)。在要求速度很高的場(chǎng)合，則采用流水線運(yùn)算部件或陣列乘法器等并行處理組織形式。

中央處理器組織的特點(diǎn)主要反映在寄存單元的選擇上。依照這一特點(diǎn)，可以區(qū)分兩種不同的組織形式。

1.多通用寄存器計(jì)算機(jī)組織

早期的計(jì)算機(jī)采用單一的累加器作為寄存單元，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)則普遍采用多通用寄存器。它們既可提供操作數(shù)和保存操作結(jié)果，也可提供尋址中需要的基址、變址量、主存地址，或保存子程序參量，堆棧指針等。必要時(shí)，還設(shè)置一些專用寄存器，如暫存寄存器、條件碼寄存器等。操作單元主要是算術(shù)邏輯單元，擔(dān)負(fù)基本算術(shù)邏輯運(yùn)算。在有必要由硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算術(shù)運(yùn)算的巨型和大型計(jì)算機(jī)中，還設(shè)置有各種浮點(diǎn)運(yùn)算部件、乘除運(yùn)算部件等。

2.堆棧計(jì)算機(jī)組織

堆棧計(jì)算機(jī)的中央處理器組織與前一種組織形式有所不同。代替通用寄存器的是主存堆棧(可能少數(shù)棧頂單元用寄存器實(shí)現(xiàn))。采用零地址指令實(shí)現(xiàn)堆棧頂部幾個(gè)單元內(nèi)容間的操作，操作結(jié)果仍送回堆棧，代替原來(lái)的操作數(shù)。中央處理器設(shè)置多個(gè)寄存器，用來(lái)保存主存中程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和堆棧的各種指針。利用堆棧的后進(jìn)先出存取原理能使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。

由于輸入輸出控制和通信控制等功能已從中央處理器中分離出來(lái)，而且存儲(chǔ)器、輸入輸出裝置等采用異步工作方式，所以早期計(jì)算機(jī)中統(tǒng)一的控制器逐漸分散到各功能部件內(nèi)部，形成運(yùn)算控制器、指令控制器、存儲(chǔ)控制器、輸入輸出(通道)控制器、外圍設(shè)備控制器等。中央處理器除直接掌握運(yùn)算控制和指令控制功能外，還通過(guò)中斷機(jī)構(gòu)調(diào)用操作系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)和輸入輸出子系統(tǒng)等實(shí)行統(tǒng)一的控制。此外，操作系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)管理功能，為用戶提供批處理、分時(shí)處理、交互式處理、實(shí)時(shí)處理等多種操作方式。因此可以說(shuō)，操作系統(tǒng)是利用存儲(chǔ)程序作為控制手段實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的延伸，補(bǔ)充了控制器硬件功能之不足。

長(zhǎng)期以來(lái)，存儲(chǔ)器的工作速度落后于中央處理器的工作速度，成為處理機(jī)的瓶頸。為了克服這個(gè)障礙，人們提出層次存儲(chǔ)系統(tǒng)和虛擬存儲(chǔ)器的概念。為了提高存儲(chǔ)器的有效工作速度，在原來(lái)的主存儲(chǔ)器與中央處理器之間增加了高速緩沖存儲(chǔ)器;為了擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量，增加了以磁盤(pán)機(jī)為主要設(shè)備的輔助存儲(chǔ)器作為主存儲(chǔ)器的后援。用戶使用時(shí)，可以面向統(tǒng)一的虛擬存儲(chǔ)器邏輯地址空間，而數(shù)據(jù)和指令在各層之間的調(diào)動(dòng)則由硬件(高速緩存-主存層次)或操作系統(tǒng)(主存-輔存層次)自動(dòng)完成。

硬件技術(shù)水平的提高，特別是集成電路、磁盤(pán)機(jī)和終端設(shè)備的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)硬件的面貌發(fā)生了根本變化。硬件對(duì)軟件提供了有力的支持，但與此同時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備量顯著增加。計(jì)算機(jī)組織成分有了新的劃分方法。輔助存儲(chǔ)器和輸入-輸出裝置組成計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備，受輸入-輸出子系統(tǒng)的單獨(dú)控制。它們對(duì)系統(tǒng)的價(jià)格比重已經(jīng)由60年代的30%~40%上升到80%。中央處理器、主存儲(chǔ)器和輸入-輸出接口等，組成處理機(jī)與輸入-輸出子系統(tǒng)并列。

計(jì)算機(jī)組織的發(fā)展過(guò)程體現(xiàn)了下列幾條基本原則。

計(jì)算機(jī)組織的發(fā)展是一個(gè)不斷爭(zhēng)取高運(yùn)算速度、大存儲(chǔ)容量、強(qiáng)處理功能、低機(jī)器價(jià)格的過(guò)程。為了發(fā)揮所有功能部件的總效能，必須謀求計(jì)算機(jī)各部件間的信息流量平衡。因此，各功能部件工作速度的相互匹配是計(jì)算機(jī)組織合理性的標(biāo)志。例如，層次和并行存儲(chǔ)系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展是謀求中央處理器和存儲(chǔ)器之間信息流量平衡的結(jié)果。

采用層次概念來(lái)研究計(jì)算機(jī)組織可以達(dá)到兩個(gè)目的。一是把外層的標(biāo)準(zhǔn)化與內(nèi)層的多樣化結(jié)合起來(lái),如用標(biāo)準(zhǔn)的輸入-輸出通道或接口經(jīng)過(guò)設(shè)備控制器驅(qū)動(dòng)多種特性迥異、類(lèi)型不一的外圍設(shè)備;二是實(shí)現(xiàn)虛擬系統(tǒng)，這與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各層虛擬機(jī)器的原理類(lèi)似。例如，虛擬存儲(chǔ)器就是在層次組織的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，使用戶無(wú)需介入實(shí)際存儲(chǔ)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，以接近于高速緩沖存儲(chǔ)器的存取速度使用比主存容量大得多的主、輔存儲(chǔ)統(tǒng)一的地址空間。

無(wú)論是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全局或是局部,都可以利用模塊化概念劃分為相對(duì)獨(dú)立的部分，各部分至少具有一定程度上完整的處理功能和獨(dú)立的自治控制能力。各部分之間經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口或界面相互連接，這樣使它們能隨意增減或替換，而不致影響其余部分的正常工作。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)層次都存在利用模塊化方法加以實(shí)現(xiàn)的可能性。以硬件的層次來(lái)說(shuō)，按功能劃分模塊是縱向劃分，而設(shè)置多個(gè)并行的運(yùn)算部件和存儲(chǔ)模塊等是橫向劃分。在各個(gè)部件內(nèi)部，模塊化也是有效利用大規(guī)模集成電路的必要條件。

在模塊化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分散控制功能，從集中式控制走向分布式控制。這樣，有利于多個(gè)部件的并行操作，也為不同工作速度的部件之間實(shí)現(xiàn)異步控制創(chuàng)造條件。上述的統(tǒng)一控制器向多個(gè)分散控制器的發(fā)展，是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的功能分散方案。許多巨型和大型計(jì)算機(jī)也可利用功能分散原理做成高性能的功能分布多處理機(jī)系統(tǒng)。

處理任務(wù)的高度集中和數(shù)據(jù)流量的迅速增長(zhǎng)，要求采用多運(yùn)算部件和多存儲(chǔ)模塊。它們與數(shù)量眾多、品種繁雜的外圍設(shè)備之間如何互相連接，成為計(jì)算機(jī)組織的中心問(wèn)題之一。早期計(jì)算機(jī)(圖1 以中央處理器為中心的計(jì)算機(jī)組織)中那種以中央處理器為中心，由它包攬一切指令操作和輸入輸出控制任務(wù)的做法，不但不利于提高中央處理器自身的使用效率，而且也無(wú)法應(yīng)付數(shù)量龐大的外圍設(shè)備對(duì)處理的需求。代之而起的是以存儲(chǔ)器為中心的互連方式(圖2 以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)組織。批量的輸入輸出數(shù)據(jù)可以越過(guò)中央處理器，經(jīng)過(guò)輸入輸出通道進(jìn)出于主存儲(chǔ)器，只是在最必要的時(shí)候才用中斷方式請(qǐng)求中央處理器進(jìn)行短暫干預(yù)。

在設(shè)備數(shù)量很多的情況下，全部設(shè)備都與存儲(chǔ)器分別單獨(dú)相連是不現(xiàn)實(shí)的，而且也不能適應(yīng)擴(kuò)展數(shù)量和更換品種的需要。如果所有外圍設(shè)備都經(jīng)過(guò)統(tǒng)一的總線和標(biāo)準(zhǔn)接口與中央處理器和存儲(chǔ)器模塊相連，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組織就要靈活得多。這就是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織普遍采用的總線互連方式(圖3 以總線互連的計(jì)算機(jī)組織)。

總線以簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)靈活可變的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置，能較好地滿足不同用戶對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通用性的要求。但是，它必須按時(shí)間分割或優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)的原則工作，使同一時(shí)間內(nèi)一套總線只能為一對(duì)功能模塊之間傳送信息服務(wù)?？偩€是互連網(wǎng)絡(luò)最簡(jiǎn)單的一種型式，在設(shè)備量更多、速度要求更高的場(chǎng)合，還可選用其他互連型式。

計(jì)算機(jī)對(duì)信息的加工過(guò)程可以從概念上表示為數(shù)據(jù)流和控制流的結(jié)合。數(shù)據(jù)流發(fā)生于計(jì)算機(jī)各功能模塊之間，存儲(chǔ)或寄存的信息經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)路徑流動(dòng)并接受加工;而控制流則對(duì)數(shù)據(jù)流的存儲(chǔ)、傳送和加工過(guò)程進(jìn)行時(shí)序控制。數(shù)據(jù)路徑表示計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)單元(包括存儲(chǔ)器和寄存器)和操作單元(包括運(yùn)算、計(jì)數(shù)、移位、傳送)相互連接的空間關(guān)系?？刂茣r(shí)序表示正被處理中的信息經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)路徑作用的時(shí)間關(guān)系。二者相結(jié)合，信息便能按照相應(yīng)的時(shí)間順序經(jīng)過(guò)有關(guān)的數(shù)據(jù)單元和操作單元，完成由確定的算法所描述的信息處理過(guò)程。這就是計(jì)算機(jī)組織中用來(lái)分析和設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)功能部件相互作用的一種普遍方法，為諾伊曼型計(jì)算機(jī)所采用。

控制流的設(shè)計(jì)反映在指令控制器中，就是制定各類(lèi)指令的時(shí)序控制過(guò)程,包括取指令、形成操作數(shù)地址、取操作數(shù)、執(zhí)行指令操作、形成結(jié)果數(shù)地址、保存結(jié)果、判斷和響應(yīng)中斷請(qǐng)求等一系列指令步驟。實(shí)現(xiàn)這些指令步驟既可以用硬聯(lián)邏輯控制方法，也可以用微程序控制方法。為了獲得盡可能高的指令吞吐率，可以采用使連續(xù)的指令相互重疊和按流水線執(zhí)行的組織方法;也可以設(shè)立指令緩沖站以減少?gòu)闹鞔鎯?chǔ)器重復(fù)讀取指令的時(shí)間，并采用先行控制的方法以越過(guò)前面執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)的指令而盡可能把具備條件的后續(xù)指令提前執(zhí)行。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為從程序設(shè)計(jì)者角度所看到的計(jì)算機(jī)屬性，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)中處于機(jī)器語(yǔ)言級(jí);而計(jì)算機(jī)組織作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)和物理實(shí)現(xiàn)，其任務(wù)就是圍繞提高性能價(jià)格比的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在機(jī)器指令級(jí)的功能和特性。研究和建立各功能部件間的相互連接和相互作用，完成各個(gè)功能部件內(nèi)部的邏輯設(shè)計(jì)等是邏輯實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容;把邏輯設(shè)計(jì)深化到元件、器件級(jí)，則是物理實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容。有時(shí)把前者稱為計(jì)算機(jī)組織，把后者稱為計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。但是，隨著集成電路規(guī)模的日益增大。這兩步實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容很難分開(kāi)，因此將它們統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)組織。

計(jì)算機(jī)的許多重要特性，如快速性、通用性、準(zhǔn)確性、邏輯性等，均來(lái)源于最主要的結(jié)構(gòu)原理，即存儲(chǔ)程序原理，它是了解計(jì)算機(jī)組織的關(guān)鍵。根據(jù)存儲(chǔ)程序原理構(gòu)造的計(jì)算機(jī)稱為存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)，又稱諾伊曼型計(jì)算機(jī)。

存儲(chǔ)程序原理的基本點(diǎn)是指令驅(qū)動(dòng)，即程序由指令組成，并和數(shù)據(jù)一起存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。機(jī)器一經(jīng)啟動(dòng)，就能按照程序指定的邏輯順序把指令從存儲(chǔ)器中讀出來(lái)逐條執(zhí)行，自動(dòng)完成由程序所描述的處理工作。這是計(jì)算機(jī)與一切手算工具的根本區(qū)別。

存儲(chǔ)程序概念最早是由匈牙利人J.諾伊曼于1946年提出來(lái)的。他同時(shí)提出了一個(gè)完整的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)雛型，其基本組成就是上述五種功能部件。它的存儲(chǔ)器是4096個(gè)40位存儲(chǔ)字的集合體，利用示波管存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。存儲(chǔ)單元按線性編址，同等地存放數(shù)據(jù)和程序。運(yùn)算器包含一個(gè)算術(shù)邏輯單元和一個(gè)用來(lái)提供操作數(shù)和存放操作結(jié)果的累加寄存器(另一個(gè)操作數(shù)來(lái)自存儲(chǔ)器)。

控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)20位半字長(zhǎng)指令的時(shí)序控制。在一條指令中6位表示操作碼,給出64種不同操作;12位表示地址碼，給出存儲(chǔ)器每一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址;另有 2位未用。輸入和輸出設(shè)備包括電傳打字機(jī)、磁帶設(shè)備等，輸入輸出操作的控制通過(guò)運(yùn)算器完成。

現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)組織與諾伊曼當(dāng)時(shí)提出的計(jì)算機(jī)組織相比雖已發(fā)生了重大變化，但就其結(jié)構(gòu)原理來(lái)說(shuō)，占有主流地位的仍是以存儲(chǔ)程序原理為基礎(chǔ)的諾伊曼型計(jì)算機(jī)。它的特征可概括為:①存儲(chǔ)器是字長(zhǎng)固定的、順序線性編址的一維組織;②存儲(chǔ)器提供可按地址訪問(wèn)的一級(jí)地址空間，每個(gè)地址是唯一定義的;③由指令形式的低級(jí)機(jī)器語(yǔ)言驅(qū)動(dòng);④指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。