微型计算机的层次结构,计算机系统层次结构微程序级
計算機系統可按系統的功能、性能或體系結構分類。
① 專用機與通用機:早期計算機均針對特定用途而設計, 具有專用性質。60年代起, 開始制造兼顧科學計算、事務處理和過程控制三方面應用的通用計算機。特別是系列機的出現,標準文本的各種高級程序語言的采用,操作系統的成熟,使一種機型系列選擇不同軟件、硬件配置,就能滿足各行業大小用戶的不同需要,進一步強化了通用性。但特殊用途的專用機仍在發展,例如連續動力學系統的全數字仿真機,超微型的空間專用計算機等。
② 巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機:計算機是以大、中型機為主線發展的。60年代末出現小型計算機,70年代初出現微型計算機,因其輕巧、價廉、功能較強、可靠性高,而得到廣泛應用。70年代開始出現每秒可運算五千萬次以上的巨型計算機,專門用于解決科技、國防、經濟發展中的特大課題。巨、大、中、小、微型機作為計算機系統的梯隊組成部分,各有其用途,都在迅速發展。
③ 流水線處理機與并行處理機:在元件、器件速度有限的條件下,從系統結構與組織著手來實現高速處理能力,成功地研制出這兩種處理機。它們均面向ɑiθbi=ci(i=1,2,3,…,n;θ為算符)這樣一組數據(也叫向量)運算。流水線處理機是單指令數據流(SISD)的,它們用重疊原理,用流水線方式加工向量各元素,具有高加工速率。并行處理機是單指令流多數據流(SIMD)的,它利用并行原理,重復設置多個處理部件,同時并行處理向量各元素來獲得高速度(見并行處理計算機系統)。流水和并行技術還可結合,如重復設置多個流水部件,并行工作,以獲得更高性能。研究并行算法是發揮這類處理機效率的關鍵。在高級程序語言中相應地擴充向量語句,可有效地組織向量運算;或設有向量識別器,自動識別源程序中的向量成分。
一臺普通主機(標量機)配一臺數組處理器(僅作高速向量運算的流水線專用機),構成主副機系統,可大大提高系統的處理能力,且性能價格比高,應用相當廣泛。
④ 多處理機與多機系統、分布處理系統和計算機網:多處理機與多機系統是進一步發展并行技術的必由之路,是巨型、大型機主要發展方向。它們是多指令流多數據流(MIMD)系統,各機處理各自的指令流(進程),相互通信,聯合解決大型問題。它們比并行處理機有更高的并行級別,潛力大,靈活性好。用大量廉價微型機,通過互連網絡構成系統,以獲得高性能,是研究多處理機與多機系統的一個方向。多處理機與多機系統要求在更高級別(進程)上研究并行算法,高級程序語言提供并發、同步進程的手段,其操作系統也大為復雜,必須解決多機間多進程的通信、同步、控制等問題。
分布系統是多機系統的發展,它是由物理上分布的多個獨立而又相互作用的單機,協同解決用戶問題的系統,其系統軟件更為復雜(見分布計算機系統)。
現代大型機幾乎都是功能分布的多機系統,除含有高速中央處理器外,有管理輸入輸出的輸入輸出處理機(或前端用戶機)、管理遠程終端及網絡通信的通信控制處理機、全系統維護診斷的維護診斷機和從事數據庫管理的數據庫處理機等。這是分布系統的一種低級形態。
多個地理上分布的計算機系統,通過通信線路和網絡協議,相互聯絡起來,構成計算機網。它按地理上分布的遠近,分為局部(本地)計算機網和遠程計算機網。網絡上各計算機可相互共享信息資源和軟硬件資源。訂票系統、情報資料檢索系統都是計算機網應用的實例。
⑤ 諾依曼機與非諾依曼機:存儲程序和指令驅動的諾依曼機迄今仍占統治地位。它順序執行指令,限制了所解問題本身含有的并行性,影響處理速度的進一步提高。突破這一原理的非諾依曼機,就是從體系結構上來發展并行性,提高系統吞吐量,這方面的研究工作正在進行中。由數據流來驅動的數據流計算機以及按歸約式控制驅動和按需求驅動的高度并行計算機,都是有發展前途的非諾依曼計算機系統。
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