计算机体系结构发展

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（ComputerArchitecture）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（computerarchitecture）”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，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(Instructionsetarchitecture；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(Computerorganization)：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。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（GordonMoore）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。8088/80286CPU(a)PC、XT和PCAT存储器I/O设备PC/AT总线80386/80486CPU(b)80386/80486PC存储器I/O设备ISA总线总线控制器处理器总线/VL总线VL设备PentiumCPU存储器PCI设备PCI总线总线控制器1处理器总线(c)PentiumPCI/O设备ISA总线总线控制器2PentiumII/ⅢCPU存储器PCI设备PCI总线总线控制器1处理器总线(d)PentiumII/ⅢPCI/O设备ISA总线总线控制器2AGP总线AGP显示卡Pentium4CPU存储器PCI设备PCI/PCI-E总线总线控制器1处理器总线(e)Pentium4PCUSB设备USB总线总线控制器2PCI-E设备计算机PC和PCXTPCAT80386PC80486PCPentiumPCPentiumIIPCPentiumIIIPCPentium4PC时间19811982198519891993199719992000处理器8088802868038680486PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4字宽16位16位32位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、Windows3.0DOS、Windows3.1DOS、Windows3.1Windows95Windows98、2000WindowsMe、XP表1.1PC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、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PentiumⅡ和Celeron，使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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存取周期缩短相对较慢，每10年缩短1/3DRAM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100Mb