計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論文(2)

時間：2017-03-20 12:01:35 堅烘964由分享

　　計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論文篇二

　　《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展》

　　摘要：計算機系統(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。如今的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在更多功能和更高性能上取得了突破。本文對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的歷史發(fā)展進行了總結(jié)，并簡要介紹了如今的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新技術(shù)和未來的發(fā)展趨勢。

　　關(guān)鍵詞：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 馮・諾依曼結(jié)構(gòu) 并行機多核數(shù)據(jù)流計算機

　　中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082(2015)04-0007-03

　　一、前言

　　現(xiàn)代計算機的發(fā)展歷程可以分為2個時代：串行計算時代和并行計算時代。并行計算是在串行計算的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。并行計算將一項大規(guī)模的計算任務(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)展是每個計算時代到來的重要標志，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)展解決達到頂峰。

　　計算機體系結(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，一直在追求計算機的功能、性能、功率以及花費的高度協(xié)調(diào)，以期達到各方面的最佳狀態(tài)，在花費、能量、可用性的抑制下，實現(xiàn)計算機的多功能、高性能、低功率、少花費的一個新時代。根據(jù)當(dāng)前體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀，要實現(xiàn)以上全部要求的一臺計算機，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)存儲處理、計算機網(wǎng)絡(luò)、移動平臺等的飛速發(fā)展，給計算機體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來了新的挑戰(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?，未來計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展值得期待。

　　二、計算機體系結(jié)構(gòu)的歷史發(fā)展

　　計算機已有近70年的發(fā)展史，一般認為經(jīng)歷了5代的發(fā)展，主要都是以硬件技術(shù)的發(fā)展為標志的。其中最蓬勃的時期，當(dāng)屬1946年ISA計算機提出的最早時期到1972年CRAY_1問世的這一段時間，因為自此期間出現(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，微處理器及微型計算機紛紛引入該技術(shù)，使得計算機技術(shù)一時間廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，于是計算機應(yīng)用開始呈現(xiàn)出前所未有的繁榮景象。雖然如此，計算機的發(fā)展單從體系結(jié)構(gòu)來看并沒有發(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)上革新計算機體系結(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)計算機的主要特點

　　包括運算器、控制器、存儲器以及輸入/輸出設(shè)備五大部分，其中運算器為中心。

　　存儲器是一維順序模型，含有定長存儲單元，訪問需按地址。

　　一個存儲器同時存儲程序和數(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)移指令時改變指令執(zhí)行順序。

　　程序和數(shù)據(jù)均采用二進制編碼及二進制運算。

　　最初的計算機，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、目前以及未來相當(dāng)長的一段時間，都將作為計算機體系結(jié)構(gòu)的主要模式，影響著計算機的發(fā)展。

　　2.改進的馮・諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機的主要特點

　　以存儲器為中心，外部設(shè)備與中央處理的運算以及不同的外設(shè)之間均采取并行方式。

　　為縮小數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法之間的語義間隔，增加了新的數(shù)據(jù)表示，包括：常數(shù)、浮點數(shù)、字節(jié)、字符串、可變長10進制、隊列等。

　　引入堆棧，更加方便實現(xiàn)與鏈接相關(guān)的操作以及程序載入、遞歸計算等。

　　為訪問復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對象引入變址寄存器，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，形成三級存儲結(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。

　　加提高存儲器帶寬，采用存儲器交叉訪問等技術(shù)。

　　使程序和數(shù)據(jù)的存儲空間分開，以增加存儲器帶寬。

　　采用頁式存儲管理及段式存儲管理等虛擬存儲技術(shù)，使計算機運行方式上從單作業(yè)單通道處理發(fā)展為批處理、多道程序處理等。

　　改進的馮・諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的能夠很好地進行較大規(guī)模的數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理，但還不能很好地對圖象和自然語言數(shù)據(jù)對象等進行處理。

　　3.并行處理結(jié)構(gòu)的發(fā)展

　　雖然計算機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。并行性包括時間并行性和空間并行性兩部分。一般時間并行性的開發(fā)采用資源共享和時間重疊的方法，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)在計算機的不同硬件不同層次結(jié)構(gòu)上，這里只針對存儲系統(tǒng)的并行性進行討論闡述。

　　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，多功能部件，以及向量處理機等技術(shù)的發(fā)展，一時間單處理機系統(tǒng)的吞吐量和其他性能達到幾乎飽和的狀態(tài)。問題規(guī)模的持續(xù)擴大催生了多處理器系統(tǒng)的發(fā)展，同時也導(dǎo)致了共享存儲結(jié)構(gòu)(SMP)的產(chǎn)生。

　　SMP采用多處理器共享內(nèi)存的方式，同時也采用高速緩存的多級存儲結(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分布存儲多處理機結(jié)構(gòu)(DMP)，又稱為非共享存儲結(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)點并發(fā)地訪問分布的存儲器。其特點是主存分布，不共享。然而這種存儲結(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在主流機上很快消失。

　　3.2非一致存儲訪問(NUMA)結(jié)構(gòu)，把實際分布的各存儲器看成連續(xù)的存儲的空間，解決了DMP地址空間不連續(xù)的問題。其特點是物理上分布存儲，邏輯上統(tǒng)一編址，存儲器共享，Cache不共享。由于Cache不共享，又會導(dǎo)致Cache一致性問題。

　　3.3大規(guī)模并行處理(MPP)結(jié)構(gòu)，其特點是不共享存儲器，各處理器節(jié)點獨立工作，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可方便擴展節(jié)點，具有很好的伸縮性。目前優(yōu)選的節(jié)點通訊互連網(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)的這些特點嚴重制約了并行技術(shù)的發(fā)展，人們將焦點再次聚集到解決NUMA結(jié)構(gòu)Cache一致性的問題上來，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)點負載均衡問題，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，說明大規(guī)模并行處理結(jié)構(gòu)并沒有新東西，實屬無奈和被動。馮・諾依曼結(jié)構(gòu)的一維順序存儲模型嚴重地制約了并行體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上進行并行性的挖掘只能有限地提高計算機性能。[1]

　　四、計算機系統(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)帶來新的方向

　　現(xiàn)代科技對科學(xué)計算的精度要求日益提高，處理問題的規(guī)模也日益擴大，這些都加快了計算機體系機構(gòu)的發(fā)展。由于微電子技術(shù)發(fā)展的制約以及單機并行處理結(jié)構(gòu)的限制，計算機系統(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)，共享存儲器資源被多個處理單元共享。Cell采用的是稱為協(xié)處理器的技術(shù)，并依靠多個處理單元并行來提高運算速度。Cell架構(gòu)的綜合效率高、功耗低、可擴展性好，因此被廣泛應(yīng)用在服務(wù)器、大型機、移動設(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器上運行。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)變革帶來福音。

　　與Cell架構(gòu)不同，多核處理器的出現(xiàn)則是另一種計算方式的體現(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機中普及，從而使PC機也演變?yōu)椴⑿杏嬎銠C，多核處理器由此占據(jù)大部市場。由此帶來的是利用多核優(yōu)勢進行并行程序設(shè)計的研究。多核設(shè)計也使得摩爾定律轉(zhuǎn)變?yōu)榛粮穸沙蔀榭赡?。英特爾、AMD、IBM、SUN公司等計算機行業(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)的高性能計算領(lǐng)域的發(fā)展。

　　2.可重構(gòu)計算技術(shù)帶來新的亮點

　　過去的計算機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)計算采用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和CPLD編程技術(shù)等底層技術(shù)實現(xiàn)硬件可編程，繼而可以根據(jù)不同計算任務(wù)需求實時改變硬件的結(jié)構(gòu)以滿足實際應(yīng)用環(huán)境中的多元性和可變性，進一步提高了計算機的性能。

　　可重構(gòu)計算技術(shù)主要應(yīng)用在處理器芯片體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中，其基本目標是支持不同類型的并行性計算模型以達到不同級別的高性能，并提高芯片上硬件資源的利用率。該技術(shù)的基本實現(xiàn)思路是動態(tài)配置芯片上大量的處理單元、存儲單元和互連結(jié)構(gòu)。由于可重構(gòu)計算技術(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，同時還降低了設(shè)計復(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)計和實現(xiàn)也發(fā)生了相應(yīng)的巨大變化。

　　可重構(gòu)計算技術(shù)在很大程度上降低了計算機硬件的復(fù)雜度，因為硬件也被賦予了軟件特性，變得可“編程”，因而也就具有高計算能力和低硬件復(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)并進行動態(tài)配置，進而達到提高計算機系統(tǒng)性能，減低設(shè)計復(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)在過去的計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。同時，計算機硬件和軟件，尤其是CPU和存儲技術(shù)也在不斷發(fā)展著。隨著信息時代的到來，現(xiàn)有的技術(shù)也許遠無法滿足人們的需求。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和信息化社會使得計算機的應(yīng)用需求從簡單的科學(xué)計算、資源共享功能的需求逐步發(fā)展為對大規(guī)模不同類型數(shù)據(jù)信息進行處理、智能升級等能力的需求?？芍貥?gòu)技術(shù)與多核技術(shù)作為基礎(chǔ)，比將帶動計算機體系結(jié)構(gòu)的后續(xù)發(fā)展。對于未來計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展，有學(xué)者提出以下幾個方面的構(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]取代存儲器，成為體系結(jié)構(gòu)的中心;(3)計算機的構(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€信息處理節(jié)點構(gòu)成，且每個節(jié)點的智能化和集成化程度逐步提高;(4)硬件設(shè)計也將被納入程序設(shè)計的范疇;(5)生產(chǎn)商提供中間件，用戶無需關(guān)心程序設(shè)計本身，從而獲取更好的體驗感。

　　五、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展

　　縱觀目前各大高校計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方向的研究生院專業(yè)設(shè)置，以及各種計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)會議和論文，網(wǎng)格計算、高性能計算與并行處理、容錯計算、光計算機系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)，都是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)未來發(fā)生重大突破的契機。

　　1.現(xiàn)階段研究領(lǐng)域的突破

　　截止前不久第十五屆全國計算容錯會議落下帷幕，我國容錯計算領(lǐng)域已經(jīng)走過了超過18個年頭。文獻[5]研究和分析了幾種面向通用的容錯計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在充分考慮成本、可靠性、處理能力、升級、開發(fā)周期、靈活性等因素的基礎(chǔ)上，提出了一種開放的、高性價比的、通用的計算機結(jié)構(gòu)。

　　隨著云計算、大數(shù)據(jù)逐漸滲透進計算機各個領(lǐng)域，并行計算也成為目前計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要研究方向。文獻[6]為我們介紹了可擴展并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展?？梢钥吹剑⑿袡C的發(fā)展取得了很多成就，國內(nèi)外有許多優(yōu)秀的并行機也已經(jīng)投入使用，而我國在這個領(lǐng)域也具有相當(dāng)?shù)挠绊懥Α?/p>

　　在計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展中，除了處理器的發(fā)展受到廣泛關(guān)注外，其他如存儲器和總線的發(fā)展也至關(guān)重要。文獻[8]為我們介紹了計算機總線技術(shù)的發(fā)展。

　　2.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢分析

　　計算模型是計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要標志，后者是前者的具體體現(xiàn)。因此，計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展可以參照計算模型的發(fā)展?；诳刂乞?qū)動和共享數(shù)據(jù)的計算模型是傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的主要控制機制，未來主要有三個研究趨勢：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)，分別對應(yīng)數(shù)據(jù)流計算機、歸約計算機和智能計算機。[4]

　　計算模型有如下四種控制機制：控制驅(qū)動、數(shù)據(jù)驅(qū)動、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)動和消息傳送的計算模型。智能機主要應(yīng)用在知識處理領(lǐng)域。

　　2.1 數(shù)據(jù)流計算機

　　數(shù)據(jù)流計算機顧名思義是基于數(shù)據(jù)流的計算機，它采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的計算模型，較傳統(tǒng)計算機具有更高的并行性。

　　數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(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，一旦操作數(shù)全部準備就緒，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)動執(zhí)行。采用這種方式的CPU將不再需要程序計數(shù)器。由于指令的執(zhí)行完全受數(shù)據(jù)流驅(qū)動，指令并非按所屬的程序存儲順序，而是基本無序的。

　　文獻[10]為展示了一種數(shù)據(jù)流計算機的實現(xiàn)，介紹了數(shù)據(jù)流機的數(shù)據(jù)驅(qū)動二種、數(shù)據(jù)流程圖、數(shù)據(jù)流程序設(shè)計語言以及其特殊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　2.2 歸約機

　　歸約機同樣是基于數(shù)據(jù)流，但其驅(qū)動方式與數(shù)據(jù)流機不同，歸約機采用的是需求驅(qū)動的計算模型。在歸約機中，指令的執(zhí)行受其他指令的驅(qū)動，即指令因其他指令的需要而執(zhí)行。

　　歸約是指將表達式不斷化簡直到獲得最簡表達式的過程，得到最簡表達式也就得到了最終的計算結(jié)果。歸約機的設(shè)計是面向函數(shù)式程序設(shè)計語言的。這種程序設(shè)計語言也簡稱為函數(shù)式語言，是一種面向問題的說明性問題，即它是描述問題而非解決問題的程序設(shè)計語言。

　　函數(shù)式語言通過對表達式的歸約產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù)，進而驅(qū)動歸約機中指令的執(zhí)行，由此產(chǎn)生指令執(zhí)行順序。

　　按照函數(shù)表達式存儲結(jié)構(gòu)不同，歸約機分為串行歸約機和圖歸約機兩類。前者以字符串形式存儲函數(shù)表達式而后者以圖的形式存儲。

　　2.3 智能機

　　智能機用于知識信息處理，它由以下幾個部分組成：推理系統(tǒng)、智能機口、數(shù)據(jù)庫系機和知識庫機。其中，后兩者是包含存儲器及處理器的專用機，用來獲取、表達、存儲和處理龐大的數(shù)據(jù)和各種人類知識。智能機的發(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。

　　隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，信息時代計算機需要處理的遠不止傳統(tǒng)的馮・諾依曼機復(fù)雜的數(shù)值計算任務(wù)，更多的是應(yīng)對各種各樣數(shù)量龐大的非數(shù)值計算任務(wù)。處理非數(shù)值數(shù)據(jù)涉及到的核心問題是如何對人類知識進行存儲和處理，這就需要保證知識一致性和快速實時響應(yīng)。然而傳統(tǒng)馮・諾依曼機卻不能有效保證這兩點。數(shù)據(jù)庫機和知識庫機的概念的產(chǎn)生真是基于以上需求。數(shù)據(jù)庫機和知識庫機結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)滿足一下幾點要求：

　　具有快速查詢數(shù)據(jù)和知識的能力；

　　能夠存儲大量數(shù)據(jù)和知識；

　　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)庫和知識庫機能與各種前端機連接，以便讓更多用戶訪問。

　　3.新型體系結(jié)構(gòu)

　　3.1 后PC時代的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展

　　文獻[7]提出，由于個人移動電腦將是后PC時代上的主流產(chǎn)品，因此對當(dāng)今的微處理器在實時響應(yīng)、DSP支持、高效能量供給等方面提出了新的挑戰(zhàn)。新的微處理器實際上是通用處理器與數(shù)字信號處理器(DSP)的結(jié)合。因此主要需要滿足下列4個條件。

　　高性能：首先是實時響應(yīng)，能保證在效率最差的情形下也能對實時信號(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.其它還要求高存儲器帶寬、高網(wǎng)絡(luò)帶寬、細粒度并行性、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)計功耗應(yīng)小于2w，處理器的功耗應(yīng)設(shè)計在1w 以下，且仍能處理像語音識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)計的復(fù)雜性和可縮放性：一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該不僅在性能上而且在物理計上，能有效地縮放。臺式計算機芯片間長線互連的方式在未來處理器狹小空間里是不合適的，應(yīng)該避免。

　　3.2 其他

　　中國工程院院士鄔江興在2013年“高效能計算機體系結(jié)構(gòu)”國際戰(zhàn)略高端論壇上發(fā)布了“基于認知的主動重構(gòu)計算體系”(簡稱PRCA)的新概念高效能計算機體系，鄔院士稱該體系經(jīng)初步原理驗證，效能至少比傳統(tǒng)高性能計算機提高10倍以上。

　　計算機系統(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，目前量子計算機、光子計算機、生物計算機、納米計算機等新型計算機正處于研測試用或設(shè)想階段，未來計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展必將出現(xiàn)飛躍。

　　參考文獻

　　[1]呂麗娟，丁毅民. 淺談計算機體系機構(gòu)的發(fā)展，計算機工程與應(yīng)用. 1999：56-57.

　　[2]肖朝暉.計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展及技術(shù)問題探討，信息化縱橫. 2009：第12期.1-3.

　　[3]我國成功研制世界首臺結(jié)構(gòu)動態(tài)可變的擬態(tài)計算機.

　　[4]王麗暉. 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢分析，開發(fā)展望. 2005：4-5.

　　[5]歐中宏，袁由光，李海山等. 一種高性價比的容錯計算機結(jié)構(gòu)，第十屆全國容錯計算學(xué)術(shù)會議.

　　[6]曾慶華，陳天麟. 可擴展并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和發(fā)展現(xiàn)狀，計算機科學(xué). 2003：第30卷，第9期. 158-161.

　　[7]龔明. 后PC時代計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，計算機工程. 2001年3月：第27卷，第3期. 1-2.

　　[8]范玲玲. 計算機硬件知識體系的結(jié)構(gòu)框架研究，信息產(chǎn)業(yè). 2013：178.

　　[9]王群. 計算機總線技術(shù)的發(fā)展，煤炭技術(shù). 2013：第32卷，第3期. 81-83.

　　[10]尹志宇，姜興華，張慶秀. 數(shù)據(jù)流計算機―一種新型的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報. 2002年6月：第14卷，第2期. 15-16.