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1、计算机系统结构现状与发展,谢长生 华中科技大学计算机学院 计算机科学与工程系 信息存储系统国家专业实验室 武汉 430074 2002年2月25日于华工,内容提要,计算机系统结构四个层次的认识 国内系统结构研究的现状 华中科技大学计算机系统结构学科介绍 国内系统结构学科发展机会何在,计算机系统结构四个层次的认识,哲学：信息与数字 数字的力量 科学：后图灵理论 软硬件的新定义；软硬件互动现象； 终极信念 技术：系统结构的AIPSN三角形 处理、存储、传输技术前沿与走向 应用：无所不在的计算与后台支持； 流式多媒体是未来应用的方向,哲学层次,信息与数字（为什么信息化等于数字化） 数字的极其强大的表
2、达信息的能力 系统结构：研究对数字进行操作的机器系统计算机的结构,人类自然信息状态（不借助任何工具和技术的状态）,输入（获取）：看、听、闻、尝、感 处理：大脑，世间最强大的处理器 传输：声音、手势 存储：大脑 输出（表达）：语言、手势、表情 自然状态的不足,信息技术与工具,和人类发明了机械和交通技术和工具一样（主要是材料和能量技术），人类也发明了非常丰富多彩的信息技术和工具： 输入（获取）：望远镜、传感器（发展较晚） 处理：算筹、算盘、计算器、计算机 传输：烽火台、旗语、鼓语、邮递、书籍、交通、电报、电话、无线电、电视、Internet 存储：结绳计数、文字、绘画、纸和印刷（非常伟大的发明，现
3、代技术很多方面都没有超过它）、照相、录音、录像、数字存储 输出（表达）：文字、绘画、声音（音响）、图形、图像（显示技术）（包括电影电视）,现象：九九归一，数字化大潮,世纪之交的技术大转移：数字化大转移 时间：世纪之交前后50年 50年前开始，50年后成熟，信息领域数字技术一统天下 目前正是转移的高峰期： 计算机与Internet、数字控制、数字录音、数据通讯（目前主干，即将用户）、数字电视、数字广播、数字相机、数字摄像、数字城市、数字流域、数字地球 . 数字化生存 50年后，不是数字的信息产品很难见到（成熟）,信息统一于数字！,潜在的真理WHY?,“电”是人类至今为止找到的最佳能量媒介（电统治
4、了能量领域） 终于找到了！ “bit”是人类至今为止找到的最佳信息媒介（信息统一于数字）,数字的力量the power of data,1.可表达各种信息形式（人能接受的信息：文字、声音、图形、图像、视频；触觉？嗅觉？味觉？ ；机器能接受的信息：电流、电压等） （“比特”强大的表达能力） 2.可表达人的思想、办法、事物的规律 （程序的力量） 3.可用单一的形式进行处理、传输、存储 （实现的简单性） (任何信息设备都是相似的）,与数学的比较,数学是抽象描述客观世界的静态符号系统 “比特”在计算机的操作下，成为客观世界动态的符号系统 “bit”表达信息的范围 数学表达信息的范围 所以，计算机始于计
5、算，但高于计算 计算机真正的能力在于对“bit”进行操作（有步骤的处理、传输、存储）,科学层次,计算科学的开山之作：图灵机模型,图灵理论,希尔伯特问：存不存在一个解决所有数学问题的一般算法？ 图灵答道：有！ 图灵理论的俗解： 如果不考虑时间，只要对bit进行处理、移动、存储操作，就能解决任何数学计算问题！ 这个理论指明了bit的强大功能，也包含了计算机的设计思想,后图灵理论,只要对bit进行处理、传输、存储，就能解决几乎一切信息问题！ 系统结构的信念：只要处理、传输速度足够快，存储容量足够大，一切信息问题都能解决！（存在着这样的可能性） 这个结论给我们一个信念： 数字化信息世界一定能实现！,硬
6、件、软件的新定义,硬件： 转换域硬件： 1、将各种形式的信息转换为数字信息； 2、将数字信息转换为各种形式的信息（图像、声音、文字输入输出设备） 数字域硬件：对数字进行处理、传输、和存储的硬件（计算机系统结构研究的对象）,数字域的三种操作,处理：对数字进行改变性操作 CPU, DSP, ASIC, 逻辑电路 传输：对数据进行有目的的移动操作 总线、网络（机器内部网，LAN，WAN，INTERNET，无线网络） 存储：对数据进行不变性的保存 RAM，ROM，FLASH，硬盘，光盘，存储系统（RAID，NAS，SAN）,软件新定义,（可运行的）思想和内容的数字化 思想：算法、规律、办法（由程序承担
7、） 内容：图形、图像、数据、声音、文字等,所有的硬件都是相似的，软件则各有各的不同,各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏 各个领域都有自己的软件，但也有共性软件（这就是我们从事计算机行业的人要干的事，系统软件：OS，数据库，普遍使用的应用软件）,软硬件独立原理和互动原理,独立原理：软件理论上能实现的功能本质上与硬件是独立的（不管硬件是何种形式） 互动原理：软件实际能实现的功能受制于硬件， 硬件发展一个台阶，软件就能发展一大步,终极信念,数字表示信息的能力是极为强大的 最强大之处在于表达人的思想 人的思想是无限的 所以，利用数字进行创造的可能性也是无限的 只要足够快，就能实现某种创造 历史的回顾
8、 跟随法与超前法,计算机系统结构的总趋势,加快处理的速度 加快传输的速度 加大存储的容量和加快存储的速度 加快：1。器件快 2。结构快（系统结构研究的课题）,工程层次,利用已有的器件技术，在一定的价格限制下，设计出性能最好的计算机（系统结构的任务） 计算机-数字操作机 器件的变化：机械、继电器、电子管、 晶体管、集成电路、LSI、VLSI、ULSI、 量子计算机、光计算机、生物计算机,A,P,S,N,I,系统结构AIPSN图,系统结构AIPSN图 总目标：加速Acceleration,A：Architecture, Amdalhs law I: Instruction, Interface P
9、: Processing, Parallel S: Storage, System N: Network, coNnection,硬件前沿,处理 以处理器的发展为核心 发展动力：1.晶体管数按摩尔定律增加 2.频率提高 过去水平（1978）：Intel 8086, 3微米工艺，2.9万个晶体管，6MHz 目前水平（2001）：Alpha 21464, 0.125微米工艺，25000万个晶体管,大与2GHz 将来水平（2005）：10亿晶体管，频率？,处理器芯片内的技术,现有技术：以指令级并行技术为主 流水线：指令流水线、数据流水线 超标量：多套部件、片内SIMD、VLIW 后RISC、多媒体扩
10、展指令 前沿技术：多个处理核心集成在单个芯片中,摩尔定律( Moores Law),假设价格保持不变，处理器芯片上的晶体管数每18个月翻一番 1979-2001，22年精确的符合 还要符合10年以上 印度舍汉姆国王与大臣的故事（64方格棋） （最后一个方格放18446744073709551615粒麦子，20位数，要数5840亿年！）,世界第一台电子计算机ENIAC,18000个晶体管70000电阻器 18000电容器 30吨,V-IRAM1: 0.25 m, Fast Logic, 200 MHz1.6 GFLOPS(64b)/6.4 GOPS(16b)/16MB,Memory Crossb
11、ar Switch,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,M,+,Vector Registers,x,Load/Store,16K I cache,16K D cache,2-way Superscalar,Vector,Processor,4 x 64,4 x 64,4 x 64,4 x 64,4 x 64,4 x 64 or 8 x 32 or 16 x 16,4 x 64,4 x 64,Queue,Instruction,Serial I/O,处理能力的需求无止境,科学计算、商业应用、网络应用对计算能力的需求
12、是单个处理器所无法满足的 解决办法：系统技术 并性处理：多处理器（SMP,cc-NUMA） 多计算机（MPP，CLUSTER, GRID),无所不在的计算Pervasive Computing,计算机发展的特点： 1. 无所不在的含有 智能的小装置； 2. 支持服务的后台 巨型计算机,将来的处理技术,量子计算（最令人鼓舞的进展） 光计算（目前状况，速度快，集成度低） 生物计算（DNA计算机，起步阶段）,存储的前沿,半导体存储：RAM, ROM, FLASH 的高速发展 目前硬盘存储： 100GB 2万转/分 实验室水平： 一道一G,存储前沿（续）,光存储：CD-ROM，DVD，MO 近场光记录
13、，全息存储,数字化信息的增长趋势,爆炸性增长（主要爆发点：多媒体，Internet)- 容量需求 不断的增长-可扩展性需求,70s80s90s00s10s,数据信息爆炸式增长,典型的存储容量需求挑战,从现在起的18个月内,新的存储量等于有史以来老的存储量之和! 1998年图灵奖获得者Jim Gray,性能：瓶颈的转移 应用的转移,共享处理机,共享存储器里的数据 Make the common case fast!,网站的存储：几十万用户同时点击到一个站点去获得海量存储系统中的信息。 WWW: world wide web 变为world wide wait,数据是最宝贵的财富,对很多领域，数据
14、是比硬件设备宝贵得多的资源: 银行、电信、保险、电子商务、网站、企业信息 信息安全（数据备份，灾难恢复）,现有的存储体系结构,Direct attatched storage（DAS）直连存储 Centralized storage 集中式存储 Network-attatched storage(NAS) 附网存储 Storage area networks(SANs) 存域网,Directattached storage（DAS）直连存储结构图,Centralized storage集中式存储结构图,Network-Attached storage（NAS）附网存储结构图,Storage A
15、rea Networks（SAN）存域网结构图,SAN的构成,IBM,SUN,SymmetrixStorage,Hub S10/L10,Switch F16,Integrated Management,HP JBODs & Arrays,TapeLibraries,NT,Bridge FC4/2,High Speed Network,HPUX Servers,Servers,SAN,StorageDevices,FC10,FC30,12H,MC256,HP EQUATION ARCHITECTURE,HP SureSpan,传输前沿,宽带网络 主干网已完全光纤化（传输容量10-100Tbps，路由交换10G-1Tbps) 接入网的瓶颈正在攻克(xDSL, ISDN,Cable modem,FTTH) （Internet movie) 无线网方兴未艾(视频手机，移动计算，Bluetooth技术）,不同的应用对计算机的要求是很不一样的 科学计算：浮点性能 商业应用：事务处理能力 网络服务：响应时间、传输能力 通用机：综合性能
