處理機

處理機的操作是首先將用戶程序和數據通過輸入－輸出設備輸入到主存儲器（主存）或輔助存儲器。中央處理器從主存取出指令，完成對指令的解釋，執行控制操作；若是運算型指令，還須從主存取出數據，由運算器完成運算。結果通常暫存在運算器或送回主存。

處理機執行程序過程涉及輸入-輸出操作、主存-輔存的信息交換，這些都要經過輸入、輸出介面部件。處理機與外界的這種信息交換有三種方式。①中斷方式：即程序I/O。每傳送一個位組（如一個字或位元組）產生一次中斷，由CPU執行相應的中斷程序完成。這種方式主要用於慢速輸入-輸出設備。②直接存儲器存取(DMA)方式：在硬體線路控制下直接在快速輸入-輸出設備和主存之間完成一條輸入－輸出指令規定的信息量交換。③通道控制方式：各通道各有自己的通道程序，實現輸入-輸出指令規定的主存和輸入-輸出設備之間的信息交換。

從系統結構角度，按處理機執行的指令流和與指令流相關的數據流的關係，有單指令流單數據流（SISD）處理機、單指令流多數據流（SIMD）處理機和多指令流多數據流（MIMD）處理機。SISD處理機的程序是按單一指令序列執行的，操作數據亦按對應的指令確定的單一順序逐個處理。大多數處理機都屬於這一類。SIMD和MIMD處理機又稱并行處理機。并行處理機的目的在於提高處理機的數據處理能力。SIMD處理機以處理向量數據為主，故又稱向量處理機。其中以單個指令執行部件和多個相同的運算處理器構成的處理機稱為陣列（式）處理機，如美國的伊利阿克ILLIAC-Ⅳ。以生產流水線方式組織指令部件(稱先行控制)和運算功能部件的SIMD處理機，稱為流水線處理機，如中國1983年研製成功的“銀河”計算機的處理機。聯想處理機則是採用按內容檢索的聯想存儲器為主要特徵的SIMD處理機。至於MIMD處理機，實際上是多處理機系統，它是多個相同的處理機通過公共主存儲器相互耦合構成有多重處理能力的系統。

處理機又可根據在計算機系統中的功能來分類。一般情況下，處理機的指令系統可以反映出處理機功能的強弱和它的適用範圍。通用中央處理器具有很強的指令功能，適用於科學計算、數據處理、商業應用、事務管理各個領域或某一個和某幾個領域。某些處理機的指令系統只有局部的功能,往往以其用途來命名。①輸入-輸出處理機：解釋和執行輸入-輸出指令,具有一定的字元處理能力,它完成輸入-輸出操作和設備控制操作。②通信控制處理機：在計算機網中實現各個處理機之間的通信並協調它們的操作。③支持和維護處理機：具有系統控制台功能，能實現系統維護和故障診斷。④數組處理機：結構上適合於數組和矩陣運算尤其是信號處理演演算法運算，與前置處理機或主機配接后可大大增強系統的向量處理能力。此外還有：具有資料庫管理功能的資料庫處理機；實現虛擬存儲器頁面調度的處理機等。

處理機的處理能力有多種指標和參數。通常用每秒最快執行的百萬條指令數(MIPS)來度量。對具有向量處理能力的處理機，則用每秒最多能給出的百萬個浮點處理結果數（MFLOPS）來度量。此外，還常用處理數據率(PDR)來評價處理機的處理能力。處理數據率(PDR)的定義是執行每條指令傳送的平均位數與指令處理平均速率的乘積。在早期的計算機中，處理機的結構是以運算器為中心的，大多採用串列工作方式。數據的輸入－輸出(I/O)傳送都要經過運算器。隨著固態電子器件替代真空電子器件,中央處理器(CPU)的數據處理能力大為提高。機電式外圍設備的數據傳送速度已無法與它相比。因而輸入－輸出操作的傳輸控制部件從中央處理器分離出來成為介面部件、通道或直接存儲器存取（DMA）部件,並且出現了中斷系統的設計技術，從而有效地增強了處理機的處理能力。同時，處理機結構轉變成為以主存儲器為中心。之後，又出現了互連處理機各部件的匯流排結構。隨著微電子技術的進步和計算機系統結構的發展，已能用大規模集成電路構成不同結構的和適應不同用途的處理機，如陣列處理機、向量處理機、數組處理機、資料庫處理機、輸入－輸出處理機和將整個處理機製作在幾個矽片上的微處理器等。