计算机体系结构论文剖析

高级计算机体系结构题目:计算机体系结构的发展史2015年12月计算机体系结构的发展史摘要本文回顾了计算机体系的发展历程，并分析了计算机体系的发展和技术研究的关键:Cell和多核等新型处理结构和可重构计算技术。提出了新的计算机体系结构，为计算机研究和应用提供参考。关键词：计算机体系微处理器多处理器可重构多核目录引言................................................................1计算机体系的发展历程................................................1Cell和多核等新型处理器结构带来新的方向.............................3可重构技术与多核技术的融合..........................................61引言现代计算机的发展历程可以分为2个时代：串行计算时代和并行计算时代。并行计算是在串行计算的基础上，由一组处理单元组成，处理单元彼此通过相互之间的通信与协作，共同高速完成一项大规模的计算任务。而每一个计算时代都是从体系结构的发展开始，然后才是基于该结构的系统软件(特别是编译器与操作系统)、应用软件的发展，最后随着问题求解和发展而达到顶峰。计算机系统结构也可以称为计算机体系结构。1964年Amdahl等人提出了计算机系统结构这个概念。他们把系统结构定义为程序员所看到的计算机系统的属性，即计算机系统的概念性结构与功能属性。这些属性是机器语言程序设计者（或者编译程序生成系统）为使其所设计（或生成）的程序能在机器上正常运行，所需遵循的计算机属性。这些属性是计算机系统中由硬件或固件完成的功能，程序员在了解这些属性后才能编出在传统机器级上正确运行的程序。因此，计算机系统结构概念的实质是确定计算机系统中软硬件的界面。界面之上是软件的功能，界面之下是硬件和固件的功能。微电子技术和封装技术的进步，使得高性能的VLSI微处理器得以大批量生产，性能价格比不断合理，这为并行多处理机的发展奠定了重要的物质基础。计算机系统性能增长的根本因素有两个：一是微电子技术，另一个是计算机体系结构技术。五十年代以来，人们先后采用了先行控制技术、流水线技术、增加功能部件甚至多机技术、存储寻址和管理能力的扩充、功能分布的强化、各种互联网络的拓扑结构以及支持多道、多任务的软件技术等一系列并行处理技术，提高计算机处理速度，增强系统性能。多处理机体系结构是计算机体系结构发展中的一个重要内容，已成为并行计算机发展中人们最关注的结构。计算机体系的发展历程随着计算技术的发展，计算机体系也在不断发展变化。20世纪60年代初期，随着晶体管和磁芯存储器的出现，处理单元和存储器实现小型化，并行计算机开始出现。到了20世纪60年代末期，单一处理器中可以集成多个功能单元，产生2了流水线技术。该技术与单纯提高CPU时钟频率相比，大大提高了并行计算机系统的性能。当时，伊利诺依大学和Burroughs公司开始着手实施IlliacⅣ计划，研制1台64颗CPU的SIMD主机系统，涉及到相关硬件技术、体系结构、I/O设备、操作系统、程序设计语言，以及包括应用程序在内的众多研究课题。1975年，随着一台规模大大缩小的原型系统(仅使用了16颗CPU)的面世，新的计算技术也得到了发展。首先是存储系统的概念，提出了虚拟存储和缓存的思想，大大提高了计算机的整体性能。其次是半导体存储器开始代替磁芯存储器，大大缩小了存储器的体积并提高了访存速度。集成电路技术也被广泛而迅速地应用到计算机技术中。1976年Cray-1问世，向量计算技术被应用到高性能计算机中。Cray-1对所使用的逻辑电路是经过精心设计的，采用RISC精简指令集，引入向量寄存器，完成向量运算。20世纪80年代开始，微处理器技术高速发展，随着机器的字长从4位、8位、16位一直增加到32位、64位，其性能也随之显著提高。卡内基·梅隆大学提出共享存储多处理器体系结构，并在当时流行的DECPDP-11小型计算机的基础上研制出1台由16台PDP-11/40处理机通过交叉开关与16个共享存储器模块相连接而成的共享存储多处理器系统C.mmp。伯克利加州大学对基于SMP方式的总线协议进行扩展，提出了Cache一致性问题的处理方案。从此，C.mmp开创出的共享存储多处理器体系结构便成为服务器和桌面工作站的主流。20世纪80年代中期，基于消息传递机制的并行计算机开始出现，加州理工学院将64个i8086/i8087处理器通过超立方体互连结构连接起来。此后，便先后出现了InteliPSC系列、INMOSTransputer系列、IntelParagon，以及IBMSP的前身Vulcan等基于消息传递机制的并行计算机。RISC精简指令集计算机，用20%指令的组合实现了CISC计算机指令系统不常用的80%指令的功能。在提高性能方面，RISC采用了超级流水线、超级标量、超长指令字并行处理结构；多级指令Cache；编译优化等技术，充分利用RISC的内部资源，发挥其内部操作的并行性，从而提高流水线的执行效率。320世纪80年代后期，RISC处理机的性能指标几乎以每年翻一番的速度发展，它对于提高计算机系统的性能和应用水平起着巨大的作用。目前，由Intel和HP两家公司联合开发的基于IA—64架构的Merced芯片，并由其共同定义的显式并行指令计算技术EPIC(ExplicitlyParallelInstructionComputing)，将为微处理器技术的发展带来突破性进展。EPIC技术主要指编译器在微处理器执行指令之前就对整个程序的代码作出优化安排，编译器分析指令间的依赖关系，将没有依赖关系的指令(最多3个)组成一“组”，由Merced内置的执行单元读入被分成组的指令群并执行。从理论上讲，EPIC可以并行执行3倍于执行单元数的指令。64位体系结构的Merced芯片还采用了指令预测、数据预装等技术，可以显著地减少实际执行程序的长度，同时增强语句执行的并行性，经过代码的重组，程序的执行时间比基于传统体系结构的微处理器几乎减少了一半；更加不同凡响的是，可以消除分支预测错误的三分之二。IA—64微处理器具有128个通用寄存器以及128个浮点寄存器，而目前基于RISC的微处理器通常只有32个寄存器。它还具有更为丰富的与大量寄存器相连的附属功能部件，使得其应用更为广泛，同时内部各功能部件之间的可伸缩性扩展了机器的“宽度”，提高了系统的性能。容量更大的Cache以及更多的读写端口，使得基于IA—64微处理器的速度不再受到存储延迟的限制。EPIC设计的Merced芯片可并行处理十几个运算，而当今最优秀的芯片也只能并行处理4个运算操作。EPIC芯片用并行方式执行任务而不用顺序执行，这将使其速度比现在的CISC和RISC芯片至少快两倍。只有0.18微米微小距离的迹线间宽度也使芯片时钟能够达到900MHZ。使用EPIC设计的Merced是第一个被分为三部分的芯片：一部分运行CISC，另一部分运行RISC，第三部分运行EPIC。把三种体系结合于一块芯片意味着现存的应用程序将仍然可以运行在基于新芯片的服务器上。Cell和多核等新型处理器结构带来新的方向随着人们对计算机CPU速度的不断追求和微电子技术的发展及限制，一种新的处理器结构开始出现，它就是Cell和多核架构技术的实现。Cell架构是1个单芯片多核处理单元，处理单元之间共享存储器资源。与多核处理器不同，Cell主要采用协处理器方式，然后依靠多个处理器并行技术来实4现运算速度的提高。尽管存在应用程序难以充分利用的弊病，但是其综合效率以及功耗控制都非常理想，开创了完全可扩展的架构模式。从而为大型机、服务器、以至包括手机在内的所有消费类电子产品提供1个统一的架构平台。只需要改变频率、内核数量等相关参数，即可保证在1个机器上开发、在所有机器上运行，大大节省了软件移植所带来的费用。因此，使用Cell的手机完全可以与相应的服务器进行直接沟通和资源共享，从而把这些小资源集合成为一个庞大的计算资源，构成一个真正的信息化时代。在这个资源体系中，每个资源节点可能是微不足道的，但是每个节点的运算都可能被整个资源库无穷放大，从而构成一个完整的Cell网络，为消费类电子的信息网络化带来真正的革命。多核处理器的出现则是一场新的计算方式的革命[1，2]。2006年，处理器开始从单核向多核处理器发展，多核处理器已不再局限于高端服务器，开始向PC机普及，多核处理器使PC机变成并行式计算机。在多核处理器逐渐成为市场主导后，怎样利用多核的优势来优化并行程序设计成为一个需要研究和解决的问题。多核设计的出现为摩尔定律转向基辛格规则带来了生命力。英特尔推出了双核、四核至强和双核安腾处理器，AMD也推出了双核、四核皓龙芯片，IBM的Power5+芯片也是双核设计，针对HPC和图形运算的Cell芯片更是拥有1+8个核，SUN公司的UltrasparcT1拥有8个核，Clearspeed(96核)、思科NPU（192核）、RIKEN（512核）更是推出了拥有数十个甚至数百个核的芯片，预计到2020年，千核CPU也会诞生。同时，多核技术在高性能计算中也已获得了广泛应用。3可重构计算技术带来新的亮点5以前的计算机硬件技术都是固件化的，无法随着环境的改变而改变，产生大量的电子垃圾，不利于环保经济的发展，而可重构计算技术的出现则为我们带来了曙光。可重构计算就是通过实现硬件的可编程技术来满足不同计算任务的需求，从而达到最佳性能，且要求这种硬件结构的变化能实时地适应计算任务要求的变化。这种体系结构可变的特点，可以满足实际应用中的多元化需求。实现可重构计算的底层技术有FPGA（现场可编程门阵列）和CPLD编程技术。在处理器芯片体系结构设计中采用可重构计算技术的基本思想是通过动态配置片上大量的处理单元、存储单元和互连单元，来支持各种不同类型并行性的计算模型，从而能在一个很宽的应用范围内达到高性能，提高片上硬件资源的利用率。基于可重构计算技术实现的多型微处理芯片体系结构能够很好地利用半导体技术发展提供的能力，在解决应用的多样性问题的同时，还可解决片上资源利用率、设计复杂性、系统可靠性以及降低成本和功耗等多方面的问题。可重构计算技术在处理器芯片设计中的应用改变了传统的指令集体系结构、微体系结构设计和实现技术。可重构计算技术[3-5]使计算机硬件的设计不再复杂，硬件不再只是“硬”，也具备“软”的特性，即硬件可“编程”。在可编程的介质中提供强大的计算能力和密度，使得在单片系统上以低硬件复杂度开发出各种类型的应用,同时能够针对应用中固有的并行性特征动态配置多个微体系结构模型，从而大幅度提高计算系统性能、降低功耗和设计的复杂性。在设计中通常采用“自顶向下”的方法，即把系统分为若干模块。原则是使得每个模块有较独立的功能，模块之间的耦合尽可能小（通常表现为相互通信尽量简单）。划分之后，再分别实现每个模块，最后把模块像搭积木似地组装起来。其中某些模块可以做成现成的，可供设计时使用，即IP核心，它可以重复使用，从而提高了设计效率。再配合成熟的EDA工具作为设计流程的工具链，这样设计就显得相对容易。当然相对使用高级语言的软件编程，仍然是难于设计和缺乏灵活性的，其实IP的思想与软件的静态链接库很相似。可以把IP核心封装成软件可调用的库的形式。库分为静态库和动态库，动态库允许在程序执行时按需加载和卸载。这相当于硬件在设计运行时，IP核心可以动态地载入和卸出，当然前提是并不破坏原有程序和数据。把IP核心封装成动态库，将是可重构计算平6台最为核心的思想。随着芯片设计技术的SoC化，如何在1个芯片中集成很多现有的IP核，快速设计系统成为未来研究发展的重点。这时，IP核的可重用性和可更改性就成了最关键的技术，而开放源码的IP核将提供方向。中国有案可查的开放源码硬件项目是2001年3月启动的OpenARM项目，在“中国芯”盛行的那几年里，不少学校和研究单位参考开放源码的处理器设计