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1945~1954电子管+继电器,用导线连接,组成单CPU,完成定点运算,采用汇编语言和机器语言。代表:IBM7011955~1964采用分立式晶体三极管、二极管和铁氧体的磁芯,用印制板电路将他们连接,可完成浮点运算,采用编译程序的高级语言、子程序和批处理的监控程序。代表:IBM70301965~1974采用中小规模的集成电路和多层印刷电路,运用流水线、高速缓存和先行处理机的技术,软件方面采用多道程序设计和分时操作系统。代表:IBM360~370系列1974~1991采用大规模或超大规模集成电路和半导体存储器,出现了共享存储器、分布存储器等,开发了并行处理的多处理的操作系统、专用语言和编译器。代表:IBM/3090VF1991~至今采用VLSI工艺更加完善的高密度、速度处理机和存储器芯片。最大的特点是大规模的并行处理,采用可扩展和容许时延的系统结构。代表:CrayResearch的MPP计算机的发展历史计算机性能的高速增长受益于电路技术的发展体系结构技术的发展第一代真空管Vacuumtubes1.0计算机发展历史回顾ENIAC-background•ElectronicNumericalIntegratorAndComputer电子数字积分器和计算机,第一台通用电子数字计算机•MauchlyandEckert,UniversityofPennsylvania•Trajectorytablesforweapons•Started1943—Finished1946—Useduntil1955–ToolateforwareffortENIAC-details•Decimal(notbinary)•20accumulatorsof10digits•Programmedmanuallybyswitches•18,000vacuumtubes•30tons•15,000squarefeet•140kWpowerconsumption•5,000additionspersecondVacuumtubeinENIACInputPannel(42)CableProgramingDebug(线路检查)ENIAC缺点:输入、修改程序复杂。若程序能与数据同存于存储器,可简化编程过程。vonNeumann/Turing•StoredProgramconcept(设计新型计算机ENIAC)•PrincetonInstituteforAdvancedStudies–IAS•Completed1952现代电子计算机之父•1944~1945年间,美籍匈牙利科学家冯·诺伊曼在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点,并提出一个新机型EDVAC的设计方案,其中提到了两个设想:•采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要,也使冯·诺伊曼成为“现代电子计算机之父”,冯·诺伊曼机体系延续至今。VonNeumannwiththefirstInstitutecomputerAlanTuringStructureofvonNeumannmachine–Mainmemorystoringprogramsanddata–ALUoperatingonbinarydata–Controlunitinterpretinginstructionsfrommemoryandexecuting–InputandoutputequipmentoperatedbycontrolunitIAS-details•1000x40bitwords–Binarynumber(39+1)–2x20bitinstructions•Setofregisters(storageinCPU)–MemoryBufferRegister–MemoryAddressRegister–InstructionRegister–InstructionBufferRegister–ProgramCounter–Accumulator–MultiplierQuotient(乘商寄存器)EDVAC商用计算机•1947-Eckert-MauchlyComputerCorporation•UNIVACI(UniversalAutomaticComputer)用于USBureauofCensus1950calculations•BecamepartofSperry-RandCorporation•Late1950s-UNIVACII–Faster–MorememoryUNIVACIUNIVACIIIBM•Punched-cardprocessingequipment•1953-the701–IBM’sfirststoredprogramcomputer–Scientificcalculations•1955-the702–Businessapplications•Leadto700/7000series1952年,IBM公司的第一台机器IBM7011952年,IBM公司的第一台机器IBM701第一代计算机系统•电子管、继电器存储器,用绝缘导线连接•CPU(PC,累加器)•顺序执行定点运算•机器/汇编语言•CPU程序控制I/O第二代晶体管Transistors•Replacedvacuumtubes•Smaller•Cheaper•Lessheatdissipation•SolidStatedevice•MadefromSilicon•Invented1947atBellLabsTransistorBasedComputers•Secondgenerationmachines•NCR&RCAproducedsmalltransistormachines•IBM7000•DEC-1957–ProducedPDP-1IBM7030(1961)数据通道多路器世界上第一台通用流水线机器-IBM7030世界上第一台通用流水线机器-IBM7030它采用四级流水线结构,以使取指、译码和执行阶段重叠,从而提高速度。DECPDP-1(1960)Estimatedcost=$120,000•分立晶体二极管、三极管、铁氧体磁芯、用印刷电路互连•变址寄存器、浮点运算、多路存储器、I/O处理器•带编译程序的高级语言、子程序库、批处理监控程序第二代计算机系统微电子技术的出现Microelectronics•Literally-“smallelectronics”•Acomputerismadeupofgates,memorycellsandinterconnections•ThesecanbemanufacturedonasemiconductorGenerationsofComputer•Vacuumtube-1946-1957•Transistor-1958-1964•Smallscaleintegration-1965on–Upto100devicesonachip•Mediumscaleintegration-to1971–100-3,000devicesonachip•Largescaleintegration-1971-1977–3,000-100,000devicesonachip•Verylargescaleintegration-1978todate–100,000-100,000,000devicesonachip•Ultralargescaleintegration–Over100,000,000devicesonachip第三代计算机系统主要特征(IBM360/370,PDP-8)•微程序控制开始普及•流水线、高速缓存、先行处理机•软件上多道程序设计、分时操作系统第四代计算机系统主要特征(IBM3090,VAX9000)•出现共享存储器、分布存储器、并行计算机•开发了用于并行处理的多处理操作系统、专用语言和编译器等第五代计算机系统主要特征(IntelParagon)•进行大规模并行处理、采用可扩展、容许延时的系统结构IBM360series(第三代)•1964•Replaced(¬compatiblewith)7000series•Firstplanned“family”ofcomputers(系列的概念)–Similaroridenticalinstructionsets–SimilaroridenticalO/S–Increasingspeed–IncreasingnumberofI/Oports(i.e.moreterminals)–Increasedmemorysize–Increasedcost•Multiplexedswitchstructure(多路器)1964年,IBM公司宣布了IBM360系列S/360极强的通用性适用于各方面的用户,它具有360度”全方位的特点,因此得名。IBM投入了50亿美元的研发费用,远远过制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元Amdahl和Blauw等人在介绍IBM360时,提出了“系统结构”这一重要概念。采用了微程序技术。。IBM360FamilyDECPDP-8(第三代)•1964•Firstminicomputer•Didnotneedairconditionedroom•Smallenoughtositonalabbench•BUSSTRUCTUREDEC-PDP-8BusStructureOMNIBUSConsoleControllerCPUMainMemoryI/OModuleI/OModulePDP-11(1973)VAX-11(1981)MicroVAX1976年,Cray-1第一台每秒亿次浮点计算能力的计算机。第一台商业化的向量超级计算机。1971年,Intel公司开始出售它的第一种微处理器芯片-Intel4004Intel80X86系列世界最快的计算机2001(IBM)2001年宣布制造出全球运算速度最快的超级电脑,占地达两个篮球场之大,重达106吨,它的运算能力相当于击败国际象棋世界级棋手的超级电脑“深蓝”的1000倍,达7万亿次。2002年世界最快的计算机NEC地球模拟器35万亿次中国最快的计算机曙光3000,4,032亿次联想机群系统,4万亿次“曙光4000A”采用2560枚美国超微(AMD)公司服务器芯片,10万亿次浮点运算/s。天河一号超级计算机系统进入世界五强.我国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”,峰值性能每秒1206万亿次双精度浮点运算,Linpack测试值达每秒563.1万亿次。是世界上首台CPU和GPU异构混合千万亿次超级计算机系统。日本展示512核芯片,浮点运算每秒5120亿次GrapeDR处理器采用90nm制程,由台积电代工,尺寸为17×17mm。PB级的异构存储系统GrowthinCPUTransistorCountEvolutionofSingle-ChipMicros1970’s1980’s1990’s2010TransistorCount10K-100K100K-1M1M-100M1BClockFrequency0.2-2MHz2-20MHz20M-1GHz10GHzInstruction/Cycle0.10.1-0.90.9-2.010(?)MIPS/MFLOPS0.20.2-2020-2,000100,000Moore’sLaw---1965•Increaseddensityofcomponentsonchip•GordonMoore-cofounderofIntel•Numberoftransistorsonachipwilldoubleeveryyear•Since1970’sdevelopmenthasslowedalittle–Numberoftransistorsdoublesevery18months•CostofachiphasremainedalmostunchangedMoore定律:微处理器内晶体管数每十八个月翻一番。Bell定律:如保持计算能力不变,微处理器的
本文标题:计算机系统发展历程
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