計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹龔 斌山東大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2012-2013學(xué)年第二學(xué)期課程目標(biāo) 本課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門的基礎(chǔ)課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理，以及在硬件、軟件界面劃分的權(quán)衡策略(tradeoff)，建立完整的、系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟硬件整體概念。課程主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論數(shù)據(jù)表示、尋址方式與指令系統(tǒng)存儲(chǔ)、中斷、總線與i/o系統(tǒng)存儲(chǔ)體系流水和指令級(jí)高速并行的超級(jí)機(jī)陣列處理機(jī)多處理機(jī)數(shù)據(jù)流機(jī)和規(guī)約機(jī)* 課程的重點(diǎn)從整體上掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理，以講授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念和基本原理為主，而不是完整介紹各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即不是以具體的機(jī)器為實(shí)例進(jìn)行教

2、學(xué)讓同學(xué)們明白計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)及影響，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、鉆研和創(chuàng)新精神了解新技術(shù)、新概念，擴(kuò)大知識(shí)面如：risc、raid、smp、cluster等如：網(wǎng)格計(jì)算（grid computing），p2p，云計(jì)算（cloud computing），gpu計(jì)算如：多核（multicore），眾核（manycore）,融核（intel xeon phi）如：hadoop&mapreduce，大數(shù)據(jù)（big data）計(jì)算機(jī)學(xué)科的組織構(gòu)成 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)軟件與理論計(jì)算機(jī)軟件與理論計(jì)算機(jī)應(yīng)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用理科理科 工科工科 農(nóng)農(nóng) 醫(yī)醫(yī) 管理管理計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專

3、業(yè)說明說明: : 一級(jí)學(xué)科一級(jí)學(xué)科 二級(jí)學(xué)科二級(jí)學(xué)科軟件工程專業(yè)軟件工程專業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展自1946年以來，計(jì)算機(jī)近70年有了驚人的發(fā)展性能：（加法）速度提高了5個(gè)數(shù)量級(jí)計(jì)算機(jī)性能以大約每年35%的速度提高價(jià)格：今天$1000的機(jī)器相當(dāng)于60年代中$106的機(jī)器，這里同性能計(jì)算機(jī)的價(jià)格比，改善了個(gè)數(shù)量級(jí)。today, less than $500 will purchase a mobile computer that has more performance, more main memory, and more disk storage than a computer bought in

4、 1985 for $1 million. (john l. hennessy and david a. patterson)從發(fā)展過程中體會(huì)本課程的含義。computing systems todayscalable, reliable,secure servicesmems for sensor netsinternetconnectivityclustersmassive clustergigabit ethernetdatabasesinformation collectionremote storageonline gamescommercethe world is a large

5、parallel systemmicroprocessors in everythingvast infrastructure behind themrobotsrouterscarssensornetsrefrigerators指數(shù)增長(zhǎng)的世界網(wǎng)絡(luò) vs. 計(jì)算機(jī)性能 處理器速度每18個(gè)月翻一番 存儲(chǔ)密度 每12個(gè)月翻一番 網(wǎng)絡(luò)速度 每9個(gè)月翻一番1986 to 2000計(jì)算機(jī): x 500網(wǎng)絡(luò): x 340,0002001 to 2010計(jì)算機(jī): x 60網(wǎng)絡(luò): x 4000處理器速度持續(xù)提高（廣度）從1971年第一顆微處理器intel 4004問世以來，40年間處理器芯片集成的晶體管數(shù)目從

6、2300個(gè)發(fā)展到今天的數(shù)十億個(gè)，處理器頻率從不到1mhz發(fā)展到今天最高接近5ghz，與英特爾4004相比，如今下一代英特爾酷睿處理器的性能是其35萬倍，每個(gè)晶體管的能耗卻降低了5千倍。同期，晶體管的價(jià)格下降了約5萬倍。 riscmove to multi-processor在30年間計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的速度提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)對(duì)計(jì)算能力的需求持續(xù)增長(zhǎng)摩爾定律（1979年）假設(shè)芯片價(jià)格保持不變，則微處理器芯片上的晶體管數(shù)，每隔18-24個(gè)月便翻一番假設(shè)微處理器價(jià)格保持不變，則微處理器速度每隔18-24個(gè)月便翻一番假設(shè)微處理器速度或芯片內(nèi)存儲(chǔ)器容量不變，則微處理器芯片價(jià)格每18-24個(gè)月將降低約48%摩爾定律

7、即將終結(jié)intel公司負(fù)責(zé)內(nèi)部芯片設(shè)計(jì)的首席技術(shù)官蓋爾欣格認(rèn)為：以地球文明所擁有的材料環(huán)境，如果芯片的耗能和散熱問題不解決，則：2005年芯片上集成2億個(gè)晶體管，熱的像核反應(yīng)堆到摩爾定律截至年，2010年，就會(huì)達(dá)到火箭發(fā)射時(shí)高溫氣體噴嘴的水平2015年，就會(huì)與太陽的表面一樣熱memory capacity (and cost) have memory capacity (and cost) have changed dramatically in the last 20 yearschanged dramatically in the last 20 years.sizey ye ea ar

8、rb bi it ts s10001000010000010000001000000010000000010000000001970197519801985199019952000year size(mb)cyc time19800.0625250 ns19830.25220 ns19861190 ns19894165 ns199216145 ns199664120 ns2000256100 nsbased on speed, the cpu has increased dramatically, but memory based on speed, the cpu has increased

9、 dramatically, but memory and disk have increased only a little. this has led to dramatic and disk have increased only a little. this has led to dramatic changed in architecture, operating systems, and programming changed in architecture, operating systems, and programming practices.practices.capaci

10、tyspeed (latency) logic2x in 3 years2x in 3 yearsdram4x in 3 years2x in 10 yearsdisk4x in 3 years2x in 10 yearsscaling to 0.1msemiconductor industry association, 1992 technology workshopprojected future technology based on past trends19921995 1998200120042007feature size:0.50.320.10 indu

11、stry is slightly ahead of projectiondram capacity: 16m 64m 256m 1g 4g 16g doubles every 1.5 years prediction on trackchip area (cm2): 2.54.06.08.010.012.5 way off! chips staying small芯片制造工藝在1992年以后，從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90納米一直發(fā)展到目前最新的65,45,40,22納米，而10納米的制造工藝將是下一代cpu的發(fā)展目標(biāo)。 cpu與mem

12、roy的性能呈現(xiàn)剪刀差defining computer architecture“old” view of computer architecture:instruction set architecture (isa) designi.e. decisions regarding:registers, memory addressing, addressing modes, instruction operands, available operations, control flow instructions, instruction encoding“real” computer ar

13、chitecture:specific requirements of the target machinedesign to maximize performance within constraints: cost, power, and availabilityincludes isa, microarchitecture, hardwaredefining computer architecturetanenbaum, structured computer organization, fifth edition, (c) 2006 pearson education, inc. al

14、l rights reserved. 0-13-148521-0 milestones in computer architecture (1)some milestones in the development of the modern digital computer.tanenbaum, structured computer organization, fifth edition, (c) 2006 pearson education, inc. all rights reserved. 0-13-148521-0 milestones in computer architectur

15、e (2)some milestones in the development of the modern digital computer.eniac - backgroundelectronic numerical integrator and computereckert and mauchlyuniversity of pennsylvaniatrajectory tables for weapons started 1943finished 1946too late for war effortused until 1955據(jù)說，每當(dāng)它開機(jī)時(shí)，費(fèi)城西區(qū)的電燈黯然失色（功率過大）eni

16、ac-最早的計(jì)算機(jī)（1946年）eniac-技術(shù)細(xì)節(jié)decimal (not binary) 20 accumulators of 10 digitsprogrammed manually by switches18,000 vacuum tubes30 tons15,000 square feet140 kw power consumption5,000 additions per secondcommercial computers1947 - eckert-mauchly computer corporationunivac i (universal automatic computer

17、) became part of sperry-rand corporationlate 1950s - univac iifastermore memoryibm 360 series1964replaced (& not compatible with) 7000 seriesfirst planned “family” of computerssimilar or identical instruction setssimilar or identical o/sincreasing speedincreasing number of i/o ports (i.e. more t

18、erminals) increased memory size increased costemulators for the 7000-/1400-series tanenbaum, structured computer organization, fifth edition, (c) 2006 pearson education, inc. all rights reserved. 0-13-148521-0 ibm 360the initial offering of the ibm product line.dec pdp-81964first minicomputerdid not

19、 need air conditioned roomsmall enough to sit on a lab bench$16,000 $100k+ for ibm 360embedded applications & oembus structure-unibus(單總線) tanenbaum, structured computer organization, fifth edition, (c) 2006 pearson education, inc. all rights reserved. 0-13-148521-0 pdp-8 innovation single busth

20、e pdp-8 omnibustanenbaum, structured computer organization, fifth edition, (c) 2006 pearson education, inc. all rights reserved. 0-13-148521-0 intel computer familythe intel cpu family. clock speeds are measured in mhz (megahertz) where 1 mhz is 1 million cycles/sec.目前最快的計(jì)算機(jī)（2012年11月）世界最快的500臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

21、2012年11月no1: titan （美國(guó)） 27112萬億次/秒 17590no2: sequoia （美國(guó)） 20132萬億次/秒 16324no3: 京，k （日本） 11280萬億次/秒 10510.no8: tianhe-1a （中國(guó)）4701萬億次/秒 2566no12: 星云一號(hào) （中國(guó)） 2984萬億次/秒 1271no28: 神威藍(lán)光（中國(guó)） 1070萬億次/秒 795three decades of microprocessorthe decade of the 1970s microprocessorsprogrammable controllersingle-chip

22、 microprocessorspersonal computers (pc)the decade of the 1980s quantitative architectureinstruction pipeliningfast cache memoriesworkstationsthe decade of the 1990s instruction-level parallelismsuperscalar processorsspeculative micro-architecturesaggressive code schedulinglow-cost desktop supercompu

23、tingcomputer architecture- changing definition1950s to 1960scomputer arithmetic1970s to mid 1980s instruction set design, especially isa appropriate for compilers1990sdesign of cpu, memory system, i/o system, multiprocessors, networks2000smulti-core architecture, power aware architecture, energy awa

24、re architecture, non von-neumann architecture, dynamic reconfigurable2020年以前超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)2000年 每秒10萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算2005年 每秒100萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算2009年 每秒1000萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算（pflop/s）2013年 每秒1億億次浮點(diǎn)運(yùn)算2016年 每秒10億億次浮點(diǎn)運(yùn)算2020年 每秒100億億次浮點(diǎn)運(yùn)算（eflop/s）基本上每10年左右性能提高1000倍超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展路線圖時(shí)間2020年2030年2050年器件cmos納米量子器件量子、生物分子計(jì)算速度exaflops(1018)zettaflops

25、(1021)yottaflops(1024)并行度109-101011 -10121013 -1015內(nèi)存容量25pbeb(1018b)zb(1021b)功耗40mwmwmw用途核聚變模擬蛋白質(zhì)折疊等地球模擬生命科學(xué)等mems優(yōu)化腦科學(xué)模擬等2010202020302050必須突破并行編程模型幾十年來由于微處理器一直按照mooremoore定律預(yù)測(cè)的性能增長(zhǎng)速度爭(zhēng)發(fā)展，使得并行處理得不到強(qiáng)烈的需求牽引，導(dǎo)致以并行計(jì)算機(jī)為主業(yè)的公司幾乎全部夭折。單處理器性能的提高遇到阻礙以后，計(jì)算機(jī)要提高性能基本上只剩下一條路可走依靠并行處理。過去幾十年的編程模式主要的串行，現(xiàn)在必須轉(zhuǎn)到并行編程，這一迫不得已的

26、轉(zhuǎn)變，對(duì)軟件界既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。未來的微處理器少則幾個(gè)十幾個(gè)核，多則數(shù)千個(gè)核，連每個(gè)用戶手中的終端都是多核處理器，如何讓一個(gè)任務(wù)分解到多個(gè)核中運(yùn)行成為今后編程的大問題。在現(xiàn)有串行編程模型上做并行化沒有出路，一定回到原始問題，從新考慮并行算法和并行編程，這可能是今后幾十年計(jì)算機(jī)科學(xué)和軟件界必須突破的科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)。功耗與綠色hpc每個(gè)節(jié)點(diǎn)耗電在300到1500瓦之間，而一個(gè)機(jī)柜耗能在20到30千瓦左右。以百萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)-曙光5000a為例，其采用近7000顆四核處理器構(gòu)建，總內(nèi)存容量超過100tb，存儲(chǔ)容量達(dá)700tb，總體功耗達(dá)到700千瓦（不含冷卻系統(tǒng)），其每年的電費(fèi)開銷預(yù)期為1000萬元人民幣。其效能雖然在世界目前的高性能計(jì)算機(jī)里面已經(jīng)相當(dāng)優(yōu)越的了，但依舊讓我們普通人感到十分震驚。而一臺(tái)持續(xù)千萬億次計(jì)算的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)每小時(shí)需要消耗20兆瓦或更高的電能，其每年的電費(fèi)開銷也將高達(dá)億元人民幣以上www