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1、随着当今社会和科技的飞速发展，自四十年代计算机问世以来，计算机科学更是发展迅速，应用领域不断扩展计算机的普及和广泛应用，现代社会正朝着高度信息化，自动化方向发展。计算机逐渐成为社会必不可少的支柱力量，所以了解计算机体系结构和硬件的发展的相关知识也成为了一种必要的知识能力计算机体系结构（Computer Architecture）是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。一般来说，低级机器的属性对于高层机器程序员基本是透明的，通常所说的计算机体系结构主要指机器语言级机器的系统结构。经典的关于“计算机体系结构（co
2、mputer architecture）”的定义是1964年C.M.Amdahl在介绍IBM360系统时提出的，其具体描述为“计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性”计算机体系结构就是指适当地组织在一起的一系列系统元素的集合，这些系统元素互相配合、相互协作，通过对信息的处理而完成预先定义的目标。计算机体系结构就是通常包含的系统元素有：计算机软件、计算机硬件、人员、数据库、文档和过程。计算机体系结构研究计算机系统中软、硬件的界面，即研究哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件完成。实际上，软件和硬件在逻辑功能上是等效的。就是说由软件实现的功能在原理上可以由硬/固件实现。同样
3、，由硬件实现的功能原理上也可以通过软件模拟来实现。但是，软件和硬件在性能上是不等效的。因此，对于计算机系统软硬件功能分配应保证在满足应用的前提下，充分利用硬件和器件技术的发展，使系统达到较高的性能价格比。以常见的冯诺伊曼计算机的设计为例，体系结构设计包括了：指令集架构(Instruction set architecture；简称 ISA)：被视为一种机器语言，包含了许多相关的指令集(内存寻址、处理器控制，暂存器控制等等.)。微体系结构/微架构(Microarchitecture)或称计算机组织(Computer organization)：是更详细的叙述系统内部各元素如何进行合作与沟通。数据
4、表示，即硬件能直接识别和处理的数据类型和数据格式；寻址方式，包括最小寻址单位和地址运算等；寄存器定义，包括操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器等的定义、数量和使用方式；指令系统，包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机制等；异常机制，包括中断、NMI和内部异常等；机器工作状态的定义和切换，如管态和目态等；输入输出结构，包括处理机、存储器与输入输出设备之间的连接方式、数据传送方式、数据流量、以及数据交换过程的控制等；计算机系统已经经历了四个不同的发展阶段。计算机系统已经经历了四个不同的发展阶段。第一阶段60年代中期以前，是计算机系统发展的早期时代。在这个时期通用硬件已经相当普遍，软件却
5、是为每个具体应用而专门编写的，大多数人认为软件开发是无需预先计划的事情。这时的软件实际上就是规模较小的程序，程序的编写者和使用者往往是同一个(或同一组)人。由于规模小，程序编写起来相当容易，也没有什么系统化的方法，对软件开发工作更没有进行任何管理。这种个体化的软件环境，使得软件设计往往只是在人们头脑中隐含进行的一个模糊过程，除了程序清单之外，根本没有其他文档资料保存下来。第二阶段从60年代中期到70年代中期，是计算机系统发展的第二代。在这10年中计算机技术有了很大进步。多道程序、多用户系统引入了人机交互的新概念，开创了计算机应用的新境界，使硬件和软件的配合上了一个新的层次。实时系统能够从多个信
6、息源收集、分析和转换数据，从而使得进程控制能以毫秒而不是分钟来进行。在线存储技术的进步导致了第一代数据库管理系统的出现。计算机系统发展的第二代的一个重要特征是出现了“软件作坊”，广泛使用产品软件。但是，“软件作坊”基本上仍然沿用早期形成的个体化软件开方法。随着计算机应用的日益普及，软件数量急剧膨胀。在程序运行时发现的错误必须设法改正；用户有了新的需求时必须相应地修改程序；硬件或操作系统更新时，通常需要修改程序以适应新的环境。上述种种软件维护工作，以令人吃惊的比例耗费资源。更严重的是，许多程序的个体化特性使得它们最终成为不可维护的。“软件危机”就这样开始出现了。1968年北大西洋公约组织的计算机
7、科学家在联邦德国召开国际会议，讨论软件危机课题，在这次会议上正式提出并使用了“软件工程”这个名词，一门新兴的工程学科就此诞生了。第三阶段计算机系统发展的第三代从20世纪70年代中期开始，并且跨越了整整10年。在这10年中计算机技术又有了很大进步。分布式系统极大地增加亍计算机系统的复杂性，局域网、广域网、宽带数字通信以及对“即时”数据访问需求的增加，都对软件开发者提出了更高的要求。但是，在这个时期软件仍然主要在工业界和学术界应用，个人应用还很少。这个时期的主要特点是出现了微处理器，而且微处理器获得了广泛应用。以微处理器为核心的“智能”产品随处可见，当然，最重要的智能产品是个人计算机。在不到10年
8、的时间里，个人计算机已经成为大众化的商品。第四阶段 在计算机系统发展的第四代已经不再看重单台计算机和程序，人们感受到的是硬件和软件的综合效果。由复杂操作系统控制的强大的桌面机及局域网和广域网，与先进的应用软件相配合，已经成为当前的主流。计算机体系结构已迅速地从集中的主机环境转变成分布的客户机服务器(或浏览器服务器)环境。世界范围的信息网为人们进行广泛交流和资源的充分共享提供了条件。软件产业在世界经济中已经占有举足轻重的地位。随着时代的前进，新的技术也不断地涌现出来。面向对象技术已经在许多领域迅速地取代了传统的软件开发方法。摩尔定律摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（Gordon
9、 Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。计算机 PC和PC XT PC AT 80386 PC 80486 PC Pentium PCPentium II PCPentium III PCPentium 4 PC时间19811982198519891993199719992000处理器8088802868038680486PentiumPentium IIPentium IIIPentium 4字宽16位16位32位
10、32位32位32位32位32位主要I/O总线PC总线AT（ISA）ISA/EISAISA+VLISA+PCIISA+PCI+AGPPCI+AGP+USBPCI-X+AGP+USB存储空间20位24位32位32位32位32位32位32位主要操作系统DOSDOS、XENIXDOS、Windows 3.0 DOS、Windows 3.1DOS、Windows 3.1Windows 95Windows 98、2000Windows Me、XP表表1.1 PC1.1 PC系列机典型特性比较系列机典型特性比较 1946年第一台通用电子计算机ENIAS诞生至今仅56年每秒5000次运算加法计算机技术以惊人速
11、度发展，并将继续高速发展1980年百万美元机器的性能比不上今年1千美元的机器今天最高性能的微处理器超过10年前的超级计算机主要原因1.构建计算机的各种技术进步2.计算机本身的创新设计技术的发展年代性能的年提高率原因1970年代初25%-30%1970年代末35%微处理器芯片广泛应用1980年代末58%RISC体系结构、Cache等创新设计技术计算机创新设计对每年58%性能提高率的贡献 超过技术进步贡献达15倍之多说明：计算机体系结构学科的重要性！用户拥有越来越高的性能和功能，今天最高性能的微处理器已经超出10年前超级计算机的性能。基于微处理器的计算机成为计算机设计的主流现状：PC机、工作站成为
12、主流产品 小型机被采用微处理器的服务器所代替 大型机被采用数十个至上百个微处理器构成的多 处理器计算机所代替 超级计算机正在被成千上万个微处理器构成的 多处理器计算机所代替 传统的计算机分类：大型机、小型机、巨型机（成熟超级计算机）按机器规模指令（字长，内外存储器容量，速度等指标），价格等指标进行分类（PC）机、工作站，服务器 1980年代产生了新的机型：个人（PC）机、工作站、服务器主要按用途来分类 1990年代产生了嵌入式系统：高性能家电、机顶盒、电子游戏机、手机、网络路由器、交换机等这里微处理器成为设备的一个组件，如马达所起的作用，主要不是作计算用 到21世纪，高性能的笔记本电脑，非常方
13、便携带的平板电脑，以及能满足需求的分布式电脑，更是日新月异，计算机的性能得到长足的发展。计算机的新分类 台式机服务器嵌入式计算机它们分别面向不同应用，具有不同要求，采用不同技术 计算机体系结构解决的是计算机系统在总体上、功能上需要解决的问题，它和计算机组成、计算机实现是不同的概念。一种体系结构可能有多种组成，一种组成也可能有多种物理实现。计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。其目标是合理地把各种部件、设备组成计算机，以实现特定的系统结构，同时满足所希望达到的性能性价比。一般而言，计算机组成研究的范围包括：确定数据通路的宽度、确定各种操作对功能部件的共享程度、
14、确定专用的功能部件、确定功能部件的并行度、设计缓冲和排队策略、设计控制机构和确定采用何种可靠技术等。计算机组成的物理实现。包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，信号传输技术，电源、冷却及装配等技术以及相关的制造工艺和技术。指令集设计这是传统计算机体系结构的任务，即程序员面对的（看得见的）指令系统的设计计算机组织设计存储器设计，CPU设计，I/O总线结构设计等高层内容，同一个指令集可以对应不同组织设计硬件设计芯片的逻辑设计、封装、冷却。相同的指令集和组织可以对应不同的硬件实现形成一个产品系列，如Pentium和Celeron，使
15、Celeron适用于低端产品 计算机体系结构学科应包含上述三方面的内容明确具体的功能要求，因为来自市场的功能要求往往是不明确的 明确最主要的任务是什么，最主要的功能往往是使用最频繁的部件，做好了最主要部件的设计对提高性能影响最大。优化设计根据不同准则来选择最优的设计方案，例如前面介绍过对于个人机、服务器和嵌入式计算机的不同优化目标 技术发展u影响最大的四种关键技术 集成电路技术 半导体DRAM 磁盘技术 网络技术晶体管密度每年增加35%，即每4年增加4倍 集成电路芯片的尺寸每年提高10%-20%综合上述两个参数，芯片的晶体管数每年提高55%芯片密度每年递增40%-60%，即每3-4年增加4倍存
16、取周期缩短相对较慢，每10年缩短1/3DRAM接口改进提高了存取带宽 近年来磁盘的存储密度以每年100%速度递增，并将继续一段时间 （1990年以前每年以30%速度递增）磁盘的存取周期缩短相对较慢，每10年缩短1/3 网络性能与交换机和发射端的性能有关衡量网络的指标有：延迟时间和带宽等，带宽是主要指标近年来带宽提高速度较快如以太网从10Mbps提高到100Mbps花了10年时间，而从100Mbps提高到1Gbps只用了5年 由于计算机技术发展十分快速，一个成功的指令集设计不应该因为技术发展而遭淘汰 计算机体系结构设计师应预见到技术发展的趋向，在设计下一代产品时，预见到产品大规模进入市场时恰好是
17、所用的下一代技术的性价比达到最佳的时候，从而使其设计的产品生命周期得以延长 RISC与CISCCISC即复杂指令集计算机（Complex Instruction set Computer）RISC思想在1980年代初提出1980年代末大规模投入实际使用1980年代中期以前的微处理器可统称为CISC体系结构微处理器 RISC体系结构追求精减的指令集数据类型、寻址主式精减，指令长度统一，格式统一，提高流水线的效率，实现了每一时钟周期能执行一条指令（CPI=1）RISC体系结构进一步提出指令多发射技术即每一时钟周期可发射多条指令，执行多条指令，进一步实现CPI1RISC体系结构追求精减的指令集数据类
18、型、寻址主式精减，指令长度统一，格式统一，提高流水线的效率，实现了每一时钟周期能执行一条指令（CPI=1）RISC体系结构进一步提出指令多发射技术即每一时钟周期可发射多条指令，执行多条指令，进一步实现CPI1传统CISC体系结构计算机的CPI5-8原因：以DEC公司的VAX机器为例，指令系统复杂，指令集有304条指令，指令长度：1 Byte64 Byte，操作数不足：0-6个，操作数达十几种，寻址方式达几十种；采用微程序控制 导致流水线结构复杂，效率低下，速度提高有困难目前几乎所有微处理器，包括传统著名的CISC微处理器，如Intel系列和Motorola系列微处理器都采用RISC体系结构 这
19、是理想流水线的性能：达到每一个时钟周期可以完成一条指令与指令串行执行相比较，速度提高5倍 多处理器技术多处理器技术目前的服务器应用，要求高的吞吐率和在多处理器上的多线程应用;Internet的应用、P2P和普适计算的应用都促使了计算机性能的不断提升，多核技术已经成为服务器技术的重要技术支点。多核处理器是处理器发展的必然趋势，无论是移动与嵌入式应用、桌面应用还是服务器应用，都将采用多核的架构，因此我们可以肯定地说：多核技术应用前景广阔，并将会持续发展下去。混合体系结构已成为HPC发展的趋势建在东京技术研究所的TSUBAME采用的就是混合体系，除了使用10368个AMD双核Opteron外，360
20、块加速卡为系统贡献了24的性能，仅增加了1 的功耗而IBM 将在2008年完成的名为RoadRunner的1600万亿次HPC中，总共采用了16 000个Opteron和Cell两种不同架构的处理器可以说，多核微处理器和面向领域的混合体系结构已成为HPC发展的趋势集群将成为超级计算系统的主流集群架构的超级计算系统，特别是以采用普通商用芯片和内联技术组成的所谓“贝奥伍尔夫集群(Beowulf Cluster)”系统，在近几年获得突飞猛进的发展，迅速成为目前高性能计算架构的主流在最新的全球500强排名上，确实已有超过70的系统属于集群系统它大受欢迎的主要原因在于其经济有效性和公开性，与MPP的不同
21、之处在于，它一般采用廉价的普通IA服务器为运算节点，小规模的系统一般用以太网进行内联，规模大一点的和性能要求较高的系统多采用InfiniBand、QsNET 或Myrinet作为内联网络，外加免费的、公开的、通用的操作系统(Linux)和并行编程接口(MPI)，使超级计算机的造价告别了天文数字基于刀片式服务器的集群架构兴起刀片式服务器技术经历了不同的研究发展阶段，从19992001年最初的Blade Swich领域，及其后的体系结构(architecture)、存储虚拟化，到2004年刀片式服务器整体性能提升技术研究，再到2005年刀片式服务器的专用化研究，可以说刀片式服务器产品在多核、低功耗
22、技术的推动下已完成从追求高计算密度的第一代刀片，发展到强调整体综合性能、高生产力的第三代刀片产品未来的两到三年，刀片式服务器将以其高服务密度、敏捷式部署维护、全方位监控管理融合、高可扩展性、高可用性，全面取代传统的基于机架式服务器的Linux集群体系架构预期基于刀片式服务器的Linux集群架构将兴起集群标准化深人泛高性能计算时代2005年9月，国内服务器厂商曙光公司把泛高性能计算时代下集群技术总结为10大标准，为Linux集群技术及应用推广打下了非常好的基础继此之后，集群在远程异地操作控制、一体化监控、集群负载均衡、智能机柜、异构支持、集群简易管理、集群快速部署、集群高速并行吞吐、集群安全、行
23、业应用等方面的技术标准慢慢浮出水面，并被高性能计算行业所接受标准化是行业应用成熟化的标志，预计集群标准技术会有更进一步的发展和普及虚拟计算技术在集群应用中的深层次发展基于应用级集群虚拟计算技术不仅将带来更高的集群部件利用率，同时也会带来支持应用动态迁移、故障自动隔离、系统自动重构的高可靠集群应用环境，以及更为简洁、统一的Linux集群管理模式伴随Microsoft的Virtual Server、VMware 的vMware Workstation和Xensource的Xen，以及Inte1的Vanderpool、AMD的Pacifica等部件级及系统级虚拟技术的兴起，预计未来几年虚拟技术在集群
24、系统应用中将会有更深一步的发展 集群可信计算环境构造技术基于商业计算及信息化应用对集群架构的普及推动，预计基于内外网隔离、统一身份认证、访问控制、分布式入侵检测、流量分析、应用层及传输层加密传输协议、主动防护等技术催生全新的集群应用可信计算环境构造技术框架，从而使计算机获得从物理层到应用层全方位的、多层次的、立体的集群应用安全环境，为高性能计算机的商业应用打下了良好的基础从高性能计算发展的体系结构分布来看，MPP取代向量机和集群逐步替代MPP这两个进程的背后都是摩尔定律在起作用，高性能计算机体系结构的创新必须与半导体技术和产业发展相结合，否则很难变成主流技术，这也是SIMD系统、阵列机、数据流等新型体系结构没有流行起来的主要原因目前，单处理器和SIMD方式来构建高性能计算系统的方式已不复存在；MPP仍然是HPC结构的主流，但是集群(尤其是SMP集群)将在不久的将来取代MPP结构的主流地位综上所述，超级计算机正在完成一个从科研工具和实验产品到产业应用的转变，具有广阔的发展空间但高性能计算机的发展一直面临着挑战，其巨大的计算潜力与性能始终没有被充分应用起来效率一直是高性能计算机最为突出的关键性问题之一，高性能计箅机实际利用效率的高可用性将成为下一阶段的研究方向The end Thank you!