計算機硬件組成架構

喬 斌

（蕪湖職業技術學院 信息工程系，安徽 蕪湖 241006）

0 引 言

隨著社會的進步和信息時代的發展，計算機已成為人們生活和工作中不可缺少的一部分，人們對計算機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器芯片技術水平的不斷提高，計算機硬件的整體水平取得了快速發展。計算機硬件作為計算機技術的重要組成部分，其體系架構也越發先進和復雜，這對人們掌握計算機硬件知識的要求也越來越高：不僅需要人們了解計算機的基本組成硬件及功能，更需要人們對現有的計算機硬件組成架構及組成原理有一定理解。

文中從計算機硬件的基本組成部分及功能開始，對經典的和現有的計算機硬件組成架構進行深入的分析和探討，以完整闡述計算機的硬件組成架構。

1 計算機基本硬件及其功能

計算機的硬件系統是由基礎硬件按照一定的設計框架所組成的，主要可分為中央處理器、存儲器、輸入設備、輸出設備。各個組成部分的基本功能如下：

1）中央處理器是由運算器和控制器組成的，是計算機系統中必備的核心部件。運算器是主要用來對數據進行加工處理的部件，負責進行各種基本的邏輯計算、算術計算和其它操作；控制器作為整個計算機系統的運行指揮中心，負責分析指令，并根據指令的要求有序、有目的地向系統的各個部件發出控制信號，使整個系統各部件協調一致地工作。

2）存儲器是計算機系統內最主要的記憶裝置，它既能接收計算機內的數據和程序，又能保存數據和程序，還可以根據命令讀取已保存的數據和程序。根據與CPU的接近程度，存儲器可以劃分為內存儲器與外存儲器，簡稱內存與外存。內存儲器又常被稱為主存儲器（簡稱主存），屬于計算機系統的組成部分；外存儲器又常被稱為輔助存儲器（簡稱輔存），屬于外部設備。

3）輸入設備用來向計算機輸入數據和信息，是用戶和計算機進行人機交互的橋梁，主要設備有：鍵盤、鼠標、攝像頭、掃描儀、光筆、手寫輸入板、語音輸入裝置等。計算機主要是通過輸入設備來獲取原始數據和處理這些數據的程序。

4）輸出設備作為計算機的終端設備，主要對系統中的數據進行輸出，即是將計算機中的各種數據或信息以數字、字符、圖像、聲音等形式表示出來。常見的輸出設備有：顯示器、打印機、繪圖儀、影像輸出系統、語音輸出系統等。

2 計算機硬件組成架構原型

計算機硬件組成框架的原型為馮·諾依曼型計算機體系結構。根據馮·諾依曼的存儲程序控制原理，計算機硬件主要有控制器和運算器、存儲器、輸入、輸出設備，對應于現實生活中常見的CPU、內存、主板、鼠標、鍵盤等。馮·諾依曼計算機體系結構如圖1所示。

圖1 典型的計算機硬件系統架構圖

當然，馮·諾依曼型計算機體系結構存在著一定的優缺點，如各計算機組成部件便于局部升級、單元條例化可以局部刪除重排列、二進制運算速率快等均屬于其優點，而因其體系結構屬串行方式，因此導致了延長計算機數據輸入和處理的時間，限制電腦的計算處理速度的明顯缺點。因此，隨著時代的進步，人們對馮·諾依曼型計算機體系結構進行了發展，其發展成果主要包括數據流計算機 DFM 和智能計算機［1－2］。

3 現代的計算機硬件組成架構分析［3－5］

由于經典的馮·諾依曼體系結構存在性能上的瓶頸，而時代的快速發展對計算機的處理數據能力提出了越來越高的要求。因此，計算機硬件組成架構朝著并行計算機體系結構和量子計算機體系結構等方向發展。

3.1 并行計算機體系架構

并行計算機是由多個處理器組成的計算機系統，通過一定設計使這些處理器能夠相互通信并協作，從而快速、高效地求解大型復雜問題。5種并行結構模型如圖2所示。

圖2 5種并行機結構模型

3.1.1 并行向量處理機（PVP）［6－8］

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

3.1.2 對稱多處理機（SMP）

對稱多處理機的結構見圖2（b），該類典型機器有曙光1號、EC Alpha服務器8400S、IBM R50和DGI Power Challenge等。對稱多處理機系統中使用了具有片上或外置高速緩存的通用微處理器，它們連向共享存儲器采用的方式是高速總線或交叉開關。

3.1.3 大規模并行處理機（MPP）

圖2（c）為大規模并行處理機結構示意圖，該類典型機器有我國的曙光－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：處理節點采用通用CPU；系統中有物理上的分布存儲器；采用專門設計和定制的高通信帶寬和低延遲的互連網絡；能同時容納成百上千個CPU；程序系由多個進程組成，是一種異步的MIMD機器，每個程序都有其私有地址空間，進程間通過傳遞消息來進行交互。

3.1.4 分布共享存儲多處理機（DSM）

分布共享存儲多處理機結構見圖2（d），采用此類結構的計算機有SGI／Gray Origin2000、Cray公司的T3D和Stanford DASH。該種結構的計算機在物理上分布在各節點中的存儲器，從而形成了一個共享的存儲器，因此它相對于規模并行處理機而言編程較容易。

3.1.5 工作站機群（COW）

工作站機群結構見圖2（e），此結構類型的計算機包括Berkeley NOW，Alpha Farm等，其主要特征是：每個節點都是“無源工作站”，一個節點也可以是一臺PC或SMP；各節點通過一種低成本的以太網、FDDI和ATM開關等商品網絡互相連接；各節點內都有本地存儲磁盤；節點內的網絡接口都分布在松耦合到I／O總線上的；操作系統是工作站UNIX，為了支持單一系統映像、并行度、通信和負載平衡等，另外添加了一個附加的軟件層。

文中比較了上述5種結構的特性，見表1。

表1 CANopen節點通信對象

3.2 量子計算機（quantum computer）

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行邏輯運算、高速數學計算和存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機可以解決目前很多通用計算機無法解決的問題，如對量子物理系統的模擬和進行大數據處理。

量子計算機由量子器件組成，量子器件的工作基礎是量子效應。常規器件的信息位處于0態／1態，而量子器件的量子位除了0態／1態外，還有疊加態。疊加態是0和1的疊加，它們出現的概率相等。例如：常規計算機的8位寄存器只能存放一個8位數，而8位量子寄存器則可以存放256個數。量子計算機的架構如圖3所示。

圖3 通用量子計算機體系結構示意圖

量子計算機組成架構為：通用計算機為主控端，負責量子計算中的算術計算和邏輯計算，并對量子計算部分進行控制；量子計算設備為協同處理端，其主要功能是處理以量子態形式所表示的數據。

文中將上述基本框架與馮·諾依曼型計算機組成架構進行類比，從以下5個方面進行分析：

1）運算器。通用量子機體系結構中，量子運算器受主控端控制，專門用來處理量子計算。量子運算器負責對指定量子位進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構下的基本量子指令，量子運算器在量子存儲器內的量子態產生作用。

2）控制器。通用量子計算機的控制器對應于主控端馮·諾依曼型計算機的控制器。控制器不僅量子協同處理端的各個部件，通常在相應系統軟件的操縱下通過主控端、量子計算部分的接口和通信設備對部件進行控制，還控制著經典計算部分的運算。所以該體系結構中起控制作用的核心部件是控制器，它與量子存儲器、ALU、經典存儲器、子運算器以及經典輸入／輸出設備和量子輸入設備／接口交互。

3）存儲器。存儲器主要用來儲存量子計算中所涉及的數據，可謂量子數據的中間結果或最終結果，也可以是經典數據。這里存儲器分為兩類：一類是量子存儲器，負責儲存量子計算所產生的量子態，包括運算中間結果和最終結果；一類是經典存儲器。與馮·諾依曼型計算機體系結構不同的是，不管是在量子存儲器還是在量子運算發生的場所，量子數據是不流動的。由于量子計算的特殊物理背景，這樣設計量子存儲器可以有效避免“計算”中，并可以提高量子計算的性能和容錯性。

4）輸入設備。量子計算部分的輸入設備，其主要功能是把通用計算所用的數據轉換為量子計算所用數據。它接受主控端的指令，并把通用數據信息轉換為量子計算所需要的概率幅信息。特別需要關注的是，量子輸入界面設備僅受控于產生量子態的概率幅信息，需要通過量子運算器把概率幅信息轉換為量子數據的物理態并置入量子存儲器。量子運算器與量子輸入界面設備之間存在單向數據流，并通過通信接口與控制器進行控制流交互。

5）輸出設備。量子計算部分的輸出設備，其功能是把量子態轉換為經典數據。它既具有量子物理屬性，又具有經典物理屬性。量子輸出界面屬于量子設備，設備中內置一個量子測量器件。量子輸出界面設備直接根據地址訪問量子存儲器中的某個量子位，由主控端控制它；由量子測量器件對其進行投影測量，測量造成該量子位的狀態向其本征值坍縮，坍縮導致反映量子態的某個物理量發生可測的變化。測量器件探測到這個變化，并根據其相位或者矢量的正負，把它映射為經典數值1或者0，然后將它以比特的形式輸出。

4 結 語

隨著計算機硬件包括處理機、主存等部件的發展，器件的集成度越來越高且運算速度越來越快，信號傳輸技術、電源、冷卻及裝配等技術工藝也越來越精湛，因此，計算機的硬件組成架構也將不斷突破技術瓶頸，為人們的生活和工作提供更好的幫助。

只有在對經典計算機硬件組成框架和現有的計算機硬件組成框架有深入的了解和掌握后，才能掌握計算機未來硬件組成框架的發展方向。在未來的計算機中，計算機硬件組成框架將繼續獲得發展，計算機的性能也將得到進一步的提高。

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