第1章微型计算机概述.

第章微型计算机概述本章内容计算机硬件基本结构计算机的常用术语计算机的工作原理1983年，“银河Ⅰ号”巨型计算机研制成功，运算速度达每秒1亿次。1984年，中国第一台10亿次巨型银河计算机Ⅱ型通过鉴定。1994年，银河计算机Ⅱ型在国家气象局投入正式运行，用于天气预报。1995年，曙光1000大型机通过鉴定，其峰值可达每秒25亿次。1997年，银河Ⅲ并行巨型计算机研制成功，每秒运算速度为130亿次。1999年，银河四代巨型机研制成功。2000年，“神威-I”高性能计算机问世，其主要技术指标和性能达到国际先进水平。运算速度达每秒3840亿次，我国成为继美国、日本之后，世界上第三个具备研制高性能计算机能力的国家。计算机的三个发展方向：巨型化、单片化、网络化（１）巨型化：高速度，具有海量数值计算、信息处理、多媒体等功能。中国巨型计算机之父——最高科技奖得主：金怡濂巨型机研究带给我的启示——节选《光明日报》作者：中国工程院院士金怡濂我记得一件事给我很深的刺激，大概在70年代末、80年代初，中国急需一台超级计算机。当时要购买巨型机是很困难的，因为西方国家对我们实行禁运。经过了种种谈判，我们花外汇买到了一台计算机。但是人家还要有一个条件，要有两个专家来监督我们使用这台计算机，许干什么，不许干什么，要他来监督。专家有一个小房子，中国人是不准进的。这件事对我们搞计算机的人来说，大大伤害了我们的自尊心，刺痛了我们。我们也深感自己没能为国分忧。所以，我体会，关键的部位，我们要下决心自己开发，要让我们的计算机在国际上有一席之地。巨型机研究带给我的启示——节选《光明日报》作者：中国工程院院士金怡濂我工作的50年里有两点体会。一是在学校里必须要打好基础。我在苏联学计算机的时候，计算机是每秒一万次，占的地方大概是一百多平方米。而现在一台微机每秒几亿次，就一点大。在这种情况下，这些技术全要从学校学到是不可能的。我在清华大学的时候就没有学过计算机，也不知道计算机是个什么内容。主要靠学校给你的基础知识，给你的工作能力。第二点是要培养思维能力和想象能力。我在清华读书时，有个教授叫闵乃大。他讲的课理论是很深的，公式一写两黑板。但是他每次讲完课以后，他就问学生一个问题，说你抓住了概念没有。这给我很大启示，不管这个问题多么深奥、多么复杂、公式多么长，最重要的是你要抓住它的本质。2002年8月，中科院第一台万亿次／秒超级计算机联想深腾1800问世。它包括20个机柜、256个计算功能节点机、526个高性能处理器，其内存总容量为272GB，系统总硬盘空间为6TB。按照运算速度，这台机器在全球超级计算机当年TOP500中排名43。2003年11月联想公司研制的“联想深腾6800高性能计算平台”---系统峰值5.3万亿次，当年Top500排名142004年6月曙光公司的研制的“曙光4000A”---系统峰值10万亿次，当年Top500排名10---2004年9月曙光4000A落户上海超级计算中心2010年5月，“星云”天津下线事实上1997年8月已研制出每秒1.8万亿次机1998年11月已研制出每秒3.1万亿次机2001年已研制出每秒12.8万亿次机美国还制定了民用超变速计算机研制计划：2003年：每秒40万亿次2005年：每秒100万亿次2010年：每秒1000万亿次日本研制出“地球模拟器”＊2002年4月，日本NEC公司宣布研制出目前世界上运算速度最快的超级计算机:“地球模拟器”5120个处理机;运算峰值:40万亿FLOP/s;投资400亿日元,历经4年;安装在横滨地球模拟研究和开发中心,并已正式投入运行.＊2004底，IBM研制出——系统峰值70万亿次高性能计算机中国龙芯—“龙芯1号”2002年9月28日，我国自主开发的第一款高性能通用CPU——龙芯1号面世，结束了中国计算机产业没有“心脏”的历史。龙芯1号达到20世纪90年代中期国际先进水平。龙芯1号是兼顾通用及嵌入式特点的32位CPU，是基于0.18微米CMOS工艺，平均功耗0.5瓦,支持最新版的Linux,Windows等OS;总线频率为75MHz—133MHz.第一台基于龙芯的服务器—“龙腾”也同时面世。龙芯1号CPUIP核是兼顾通用及嵌入式CPU特点的32位处理器内核，采用类MIPSIII指令集，具有七级流水线、32位整数单元和64位浮点单元。龙芯一号CPUIP核具有高度灵活的可配置性，方便集成的各种标准接口。龙芯一号CPUIP核可配置结构，其中虚线部分表示用户可根据自己的需求进行选择配置，从而定制出最适合用户应用的处理器结构。主要的可配置模块包括：浮点部件、多媒体部件、内存管理、Cache、协处理器接口。浮点部件完全兼容MIPS的浮点指令集合，浮点部件及其相关的系统软件完全符合ANSI/IEEE754-1985二进制浮点运算标准。浮点部件主要包括浮点ALU部件和浮点乘法/除法部件，用户可根据自己的实际应用选择是否添加。媒体部件复用了MIPS浮点指令的Format域，并复用了浮点寄存器堆，媒体指令集基本对应了IntelSSE媒体指令集合的各种操作。“龙芯2号”研发成功2004年“龙芯2号”研发成功龙芯2号最高频率为300MHz，功耗1W-2W，成品率约为80%左右。测试表明，相同主频下龙芯2号的性能已经明显超过PII，达到PIII的水平,设计人员称龙芯2号的设计SPECCPU2000分值可达到300分以上,设计频率在500MHz以上.性能可与1GHz以上的PIII或PIV的性能相当。基于龙芯2号的Linux-PC已经投入运行。目前计算机的很多应用，包括流媒体的软解压、GNU2.4的支持、Mozilla浏览器、OpenOffice办公软件等，在龙芯2号中都能比较流畅地运行。尤其是流媒体的软解压，对于标准的MP3播放，龙芯2号只要不到1%的CPU就可以了。龙芯2号CPU采用先进的四发射超标量超流水结构，片内一级指令和数据高速缓存各64KB，片外二级高速缓存最多可达8MB.最高频率为1000MHz，功耗为3-5瓦，远远低于国外同类芯片，其SPECCPU2000测试程序的实测性能是1.3GHz的威盛处理器的2-3倍，已达到中等Pentium4水平“龙芯3号”中科院龙芯工作组及曙光公司联手推出以龙芯3号为内核的两路刀片服务器，这款服务器也是龙芯3号流片成功后推出的首款成品。龙芯总设计师胡伟武：最早认为龙芯是一个项目，后来认为这是一个产品，现在才发现龙芯其实是一个产业链。龙芯仍将继续向安全，通用和嵌入式三个方向同时发展，其中龙芯3B（八核处理器）于2010年6月拿到样品，2011年3月出产品，并与曙光联手推出曙光6000高性能计算机中国首台采用国产高性能通用处理器芯片“龙芯3A”和其他国产器件、设备和技术的万亿次高性能计算机“KD-60”由中国科技大学和深圳大学联合研制成功，并于2010年4月17日通过了专家鉴定。龙芯3A的工作频率为900MHz～1GHz，功耗约15W，频率为1GHz时双精度浮点运算速度峰值达到每秒160亿次，单精度浮点运算速度峰值每秒320亿次。龙芯3A采用意法半导体公司（STMicro）65纳米CMOS工艺生产，晶体管数目达4.25亿个，芯片采用BGA封装，引脚的数目为1121个，功耗小于15瓦。龙芯3A集成了四个64位超标量处理器核、4MB的二级Cache、两个DDR2/3内存控制器、两个高性能HyperTransport控制器、一个PCI/PCIX控制器以及LPC、SPI、UART、GPIO等低速I/O控制器。龙芯3A的指令系统与MIPS64兼容并通过指令扩展支持X86二进制翻译。CB50-A:使用通用性的CPU和OS，曙光龙芯刀片服务器可以无缝平滑的运行X86CPULinuxOS上的应用程序。主板由曙光公司设计，CPU采用龙芯3ACPU，BIOS为曙光研发，操作系统使用的是宏碁公司的redflagLinux。功耗较低，每颗CPU单瓦特能效比是目前X86CPU的2倍以上。双处理器架构，共有8个处理器核心，峰值性能达32Gflops，支持最大64GB内存，单刀片功耗不超过110W。一个42U高的机柜中，可安装6台TC2600，每个TC2600支持10片双路CB50-A，累计每个机柜最多拥有120个龙芯3A四核处理器，480个处理器核心，最大处理能力1920Gflops，最大功率不超过8KW，具有很高的计算密度和能效比。龙芯年谱2001年5月，在（中国大陆）中科院计算所知识创新工程的支持下，龙芯课题组正式成立。2001年8月19日，龙芯1号设计与验证系统成功启动linux操作系统，10月10日通过由中国科学院组织的鉴定。2002年8月10日，首片龙芯1号龙芯XIA50流片成功2002年9月22日龙芯1号通过由中国科学院组织的鉴定，9月28日举行龙芯1号发布会。中国人大常委会副委员长路甬祥、全国政协副主席周光召参加了龙芯1号发布会。2003年10月17日，龙芯2号首片MZD110流片成功。2004年9月28日，经过多次改进后的龙芯2C芯片DXP100流片成功。2004年11月，中国国务院总理温家宝视察中科院计算所听取龙芯研发情况汇报。2005年2月，中国国家主席胡锦涛等党和国家领导人在参观中科院建院55周年展览时参观了龙芯处理器展览。2005年1月31日举行了由中国科学院组织的龙芯2号鉴定会，2005年4月18日在北京人民大会堂召开了由科技部、中科院和信息产业部联合举办的龙芯2号发布会，人大常委会副委员长顾秀莲参加了龙芯2号发布会。2006年3月18日，龙芯2号增强型处理器CZ70流片成功。2006年10月，中法两国在北京签署了关于中国科学院与意法半导体公司关于龙芯处理器的战略合作协议，中国国家主席胡锦涛与法国总统希拉克共同出席了协议的签字仪式。2007年7月31日，龙芯2F（代号PLA80）流片成功，龙芯2F为龙芯第一款产品芯片。2008年3月，北京龙芯中科技术服务中心有限公司正式成立，龙芯开始产业探索。2009年9月28日，我国首款四核CPU龙芯3A（代号PRC60）流片成功。2010年9月，龙芯大CPU系列的首款多核处理器产品——龙芯3A开始量产，中CPU系列的最新产品龙芯2G流片成功。龙芯2G在设计规格上相当于龙芯3A的单核版。与上一代龙芯2F相比，在二级缓存容量、IO总线带宽，配套桥片性能上都有大幅提升。龙芯2G目前在1GHz情况下运行稳定，可提供更好地用户体验，并适用于笔记本电脑与瘦客户机等移动与桌面市场。2011年初，龙芯一号系列芯片家族中的新成员——龙芯1B芯片流片成功，龙芯1B是一款32位SoC芯片，片内集成32位处理器核、LCD显示接口、以及丰富的IO接口。该款芯片延续了龙芯处理器高性能、低功耗的优势，能够满足超低价位云终端、工业控制/数据采集、网络设备、消费类电子等领域需求。2011年4月，龙芯3B流片成功。龙芯3B仍采用65纳米生产工艺，在单个芯片上集成8个增强型龙芯GS464处理器核，它可以与MIPS64兼容，并支持X86虚拟机和向量扩展。在1G主频下可实现128Gflops的运算能力。在存储设计方面，龙芯3B最多可同时处理64个访问请求，可提供12.8GB/S的访存带宽。在I/O接口方面，龙芯3B实现2个16位的HyperTransport接口，可提供高达12.8GB/S的IO吞吐能力。八核龙芯3号的芯片对外接口与四核龙芯3号完全一致，两款芯片引脚完全兼容，可实现无缝更换。2011年底，在国家核高基项目的支持下，龙芯历史上最为复杂，也是设计难度最高的一款芯片－－龙芯2H流片成功。2012年10月，龙芯3B1500流片成功。处理器采用32纳米工艺，硅片面积182.5mm2。支持1.15v-1.3v变压，动态变频。实测核心频率1.3GHz-1.5GHz，HT总线频率1600MHz，DDR3总线频率600MHz以上。龙芯3B1500集成8核向量处理器，峰值运算能力可达192GFLOPS