未來計算機系統的一種新設想

摘要：計算機技術的發展日新月異，然而現有計算機系統框架始終未有大的突破。作者在該文中提出了一種新的計算機系統框架，并提出這種系統應具有的簡單、安全、快速高效的特性。

關鍵詞：計算機系統；即插即用；操作系統

中圖分類號：TP316文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)24-1322-02

Prospect of Future Computer Systems

WANG Dong， WU Peng， WANG Hong-tao

(1.Computer Center，Henan University，Kaifeng 475001，China)

Abstract: Computer technology is advancing rapidly， but the framework of the existing computer system has failed to achieve major breakthroughs. In this paper we propose a new framework of the computer system， and such a system should be simple， safe， quick and efficient features.

Key words: computer system; plug and play; operating system

1 引言

史自計算機的發明日，馮.諾依曼結構的計算機系統一直在以摩爾定律飛速發展，集成電路的密度越來越高，計算機的運行速度越來越快，操作系統越做越龐大。摩爾定律有其極限，人們正在進行除硅晶體以外的其他材料為基礎的計算機系統的研究，有的甚至已有了原型機[1]。

2 當代計算機系統

當代計算機系統的結構如圖1所示，其中裸機和附屬設備構成計算機系統的硬件部分，在此基礎上操作系統和驅動程序等系統軟件建立對上層應用及用戶的支持。

圖1

這樣的計算機系統是個緊密耦合系統，系統的各個部分相互依賴，各附屬設備不能脫離主機系統的控制而獨立完成某種任務。應用軟件依附于操作系統，很難作到跨平臺實現，同樣，硬件的驅動程序也附屬于操作系統，因此，操作系統順理成章地占據核心地位。

在此作者仍然將目光放在硅晶體框架內，大膽提出一種新的計算機系統框架。

3 一種新的計算機系統框架

3.1 系統設想

新的計算機系統框架如圖2所示。其中主控機同附屬子系統之間通過統一接口相互連接，主控機無需附屬子系統的驅動程序的支持便可調用附屬子系統的系統功能及交換數據。主控機聯合附屬子系統共同對用戶及外部功能請求客體提供服務。

圖2

3.2 系統特性分析

3.2.1 系統簡單性分析

簡單性體現在軟硬件方面。

硬件方面，接口規范統一，該規范包含物理連接的規范、功能調用以及數據傳輸的規范。不同硬件連接使用相同接口可以簡化計算機系統的設計，從而降低計算機的系統成本。復雜的附屬子系統可以有自己的操作系統及運行于其上的應用軟件支持，簡單的附屬子系統由駐留在子系統中的微控制程序控制。這樣的計算機系統能夠實現真正的即插即用（Plug and Play）。實現了接口規范的統一，甚至可以取消計算機硬件驅動程序，從而不必為每一個配件提供不同操作系統平臺上的驅動程序，操作系統也因之得以精簡。當然，這個實現有相當的難度，各計算機主導廠商都會希望其他廠商采用自己所開發的接口技術標準，這是其一；其二，隨著計算機硬件技術的發展，某種接口在原有設計框架內其技術已達極限，如果突破原有設計框架，也許就要改變接口設計，這個也是很困難的事情。雖然困難，但應該成為計算機系統設計的一個理念。

軟件方面，操作系統的結構簡單，這一點人們已經做了很多工作，比如各流行操作系統基本上都采用的微內核技術[2]，如果同時擺脫驅動程序的困擾，與硬件的簡單性相配合，便可實現硬件驅動的即插即用。

操作系統是純操作系統，它的職責就是管理好計算機的各種軟硬件資源，提供軟硬件接口，而更多的附加功能則留給應用軟件去實現，從而節約用戶的軟硬件資源，用戶可以按需購買，沒有必要在操作系統里塞入也許用戶一輩子都可能用不到的功能，在這一點上，應該提倡夠用就好。對應用軟件進行綠色安裝，微軟的注冊表方案并不是一個很好的解決方案，使用微軟Windows操作系統的用戶都會有這樣的體驗，安裝一個軟件后，很可能會在系統內留下一些垃圾信息，普通用戶根本無法對這些垃圾信息進行處理，而綠色安裝應該實現完美的封裝，如同硬件的即插即用，在表象上操作系統就如同書架，而應用軟件就像書。真正做到應用軟件的跨平臺，當今，具有跨平臺特性的只有java的虛擬機系統。

再者，在操作系統的易用性上，提供給一般用戶更加直觀簡單的使用界面。人們正在朝著這方面努力，比如說目前被廣泛使用的GUI，但是目前水平的GUI使用還是過于復雜，作者認為應該走得更遠一點，讓人們能夠最自然的使用計算機系統。比如Microsoft公司新近推出的vista操作系統有著華麗的GUI外表，但是筆者認為在操作上還是不夠“傻瓜”，如要使用操作系統的某些功能，還是要費盡周折。而Linux遠未被普通用戶接受的主要原因就在于它的易用性還是太差，所以大多存在于專業領域或成為學院派的玩具。

計算機語言系統的簡單性，這主要是指高級語言系統。隨著計算機系統的發展，計算機高級語言也在向自然語言不斷地演變和發展，在現階段，計算機語言編程還是專業人員手中的工具，而且即使是專業人員也需要經過大量的專業訓練才能較好的使用高級語言，有過學習C語言及C＋＋語言學習經歷的程序員都會有被它們靈活的語法所迷惑及被龐大的系統函數及類庫所困惑的經歷。未來的計算機語言應該有簡單的邏輯控制，封裝良好的類似于黑匣子的類庫。甚至隨著軟件工程技術的發展，在軟件的需求被精確定義之后，能夠實現軟件的自動生成。

3.2.2 系統安全性分析

計算機系統的安全性很重要，原計算機系統的安全性很差，為防范病毒及黑客的攻擊，大都采用防病毒、防火墻及入侵檢測等來維護計算機系統的安全，這種做法比較被動，二十世紀八十年代初提出的可信計算基（TCB）概念成為TCSEC的主線[3]。其中TPM[4]技術正在得到逐步的推廣和應用，可信計算技術正在方興未艾地發展中，在安全的可信計算基的基礎上，安全操作系統增強安全機制與功能，保障計算資源使用的保密性、完整性和可用性。基于可信計算基的計算機系統雖然安全但也有其局限性，比如可信計算基如果發生損壞的話，那么對基于該基的數據搶救與恢復就會非常困難，甚至是不可能的，因為可信計算基是整個可信計算的根，根的安全將會是整個系統安全的安全焦點。

3.2.3 系統效率分析

計算機系統應該是快速高效的。計算機系統的核心部件為CPU，以intel為代表的CPU制造商在市場競爭地推動下正在不遺余力地提高CPU的核心頻率及計算速度。在這種競爭態勢下， CPU目前已經進入到了雙核時代，而且計算機的計算位數也由32位提高到64位，有消息稱intel要推出四核CPU，那么可以肯定地是不久八核甚至更多核封裝的CPU也會順次推出，以前只有在大型機上才有的并行技術會逐步應用到微機系統中來，也昭示著微機的并行計算時代已經到來。

目前大量的本地計算任務仍然集中在CPU，CPU應專注于核心計算，其他附加的任務應該進一步下放給附屬子系統去執行，由子系統來完成自己的專業任務。比如：DMA技術就很好的將數據的傳輸功能進行了功能轉移。由此設想是不是可以將GUI中窗口的勾畫完全交給附屬顯示子系統去處理呢？答案應該是可以的。

在提高單機計算能力的基礎上，應該賦予計算機系統分布式計算[5]能力，使得單機成為分布式計算中的一個節點，將單機富裕的計算能力提供給大型計算任務，同時也可將自己的分布式任務提交到分布式計算網絡。這樣，我們所面對的分布式計算網絡將會是一個超級計算機。

4 結束語

計算機系統應該向松散耦合方向發展，每一個功能部件都應該是一個功能主體，在主控計算機的有限控制下完成

自己的專門任務。嵌入式系統將被普遍采用，每一個嵌入式系統就是一個計算機子系統，將這些系統組合起來就是一個大的計算機系統。計算機系統真正會象孩子手中的積木，如想完成某種功能只需要購買相應功能的子系統就可以了。計算機主控系統將會非常便宜而且迷你，并隨著電子技術的進步，計算機系統中的機械依賴部分會越來越少。

參考文獻：

[1] 張潔.未來計算機與計算機技術發展展望[J].廣東科技，2006，10(總第160):140-141.

[2] 付長冬，孟慶余，潘清.基于微內核的操作系統綜述[J].計算機工程與科學，1997，19(3):72-75.

[3] 沈昌祥.可信計算平臺與安全操作系統[J].網絡安全技術與應用，2005，4:8-9.

[4] TPM Main Part 1 Design Principles[EB/OL].https://www.trustedcomputinggroup.org/specs/TPM/Main_Part1_Rev94.zip.

[5] 周曉峰，王志堅.分布式計算技術綜述[J].計算機時代，2004，(12):3-5，10.