計算機系統(tǒng)結構論文(2)

時間：2017-03-20 12:01:35 堅烘964由分享

　　計算機系統(tǒng)結構論文篇二

　　《計算機系統(tǒng)結構發(fā)展》

　　摘要：計算機系統(tǒng)結構從1946年誕生開始一直在飛速發(fā)展，而硬件革命也使得系統(tǒng)結構經(jīng)歷了幾次大的變革。如今的計算機系統(tǒng)結構在更多功能和更高性能上取得了突破。本文對計算機系統(tǒng)結構的歷史發(fā)展進行了總結，并簡要介紹了如今的計算機系統(tǒng)結構新技術和未來的發(fā)展趨勢。

　　關鍵詞：計算機系統(tǒng)結構馮・諾依曼結構并行機多核數(shù)據(jù)流計算機

　　中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082(2015)04-0007-03

　　一、前言

　　現(xiàn)代計算機的發(fā)展歷程可以分為2個時代：串行計算時代和并行計算時代。并行計算是在串行計算的基礎上發(fā)展起來的。并行計算將一項大規(guī)模的計算任務交由一組相同的處理單元共同完成。在此期間，各處理單元相互通信與協(xié)作，從而獲得更高的效率。體系結構的發(fā)展是每個計算時代到來的重要標志，其次才是基于該結構的系統(tǒng)軟件(尤其是操作系統(tǒng)和編譯軟件)、應用軟件的發(fā)展，最后隨新問題的發(fā)生發(fā)展解決達到頂峰。

　　計算機體系結構是選擇并相互連接硬件組件的一門科學和藝術，在人們不斷探索研究的過程中，一直在追求計算機的功能、性能、功率以及花費的高度協(xié)調，以期達到各方面的最佳狀態(tài)，在花費、能量、可用性的抑制下，實現(xiàn)計算機的多功能、高性能、低功率、少花費的一個新時代。根據(jù)當前體系結構的發(fā)展現(xiàn)狀，要實現(xiàn)以上全部要求的一臺計算機，還存在著諸多的限制條件，包括邏輯和硬件上的兩方面限制條件。

　　現(xiàn)如今，隨著其他領域，包括數(shù)據(jù)存儲處理、計算機網(wǎng)絡、移動平臺等的飛速發(fā)展，給計算機體系結構的設計帶來了新的挑戰(zhàn)也提出了新的要求，除了需要解決歷史發(fā)展中的遺留問題外，還需融入新的功能?？傊磥碛嬎銠C系統(tǒng)結構的發(fā)展值得期待。

　　二、計算機體系結構的歷史發(fā)展

　　計算機已有近70年的發(fā)展史，一般認為經(jīng)歷了5代的發(fā)展，主要都是以硬件技術的發(fā)展為標志的。其中最蓬勃的時期，當屬1946年ISA計算機提出的最早時期到1972年CRAY_1問世的這一段時間，因為自此期間出現(xiàn)的技術及結構，幾乎囊括了迄今為止所有的新技術、新結構。從1973年開始，因LSI/VLSI技術的發(fā)展和成熟，微處理器及微型計算機紛紛引入該技術，使得計算機技術一時間廣泛應用于各個領域，于是計算機應用開始呈現(xiàn)出前所未有的繁榮景象。雖然如此，計算機的發(fā)展單從體系結構來看并沒有發(fā)生革命性的變化，已被提出的體系結構和所謂非馮・諾依曼結構的并行處理，通常也沒有完全脫離馮・諾依曼的基本思想，不過是多個馮・諾依曼部件的重復。人們尚需不斷創(chuàng)新和努力，才有可能從本質上革新計算機體系結構。

　　三、馮・諾依曼結構的發(fā)展

　　1.最初的馮・諾依曼結構計算機的主要特點

　　包括運算器、控制器、存儲器以及輸入/輸出設備五大部分，其中運算器為中心。

　　存儲器是一維順序模型，含有定長存儲單元，訪問需按地址。

　　一個存儲器同時存儲程序和數(shù)據(jù)，指令和數(shù)據(jù)具有相同的地位。

　　采用存儲程序并順序執(zhí)行的思想，由程序控制器控制按序指，當遇轉移指令時改變指令執(zhí)行順序。

　　程序和數(shù)據(jù)均采用二進制編碼及二進制運算。

　　最初的計算機，元器件可靠性較低，因而采用馮・諾依曼結構是較為合適的，它作為所有串行算法的基礎，在過去、目前以及未來相當長的一段時間，都將作為計算機體系結構的主要模式，影響著計算機的發(fā)展。

　　2.改進的馮・諾依曼體系結構計算機的主要特點

　　以存儲器為中心，外部設備與中央處理的運算以及不同的外設之間均采取并行方式。

　　為縮小數(shù)據(jù)結構和算法之間的語義間隔，增加了新的數(shù)據(jù)表示，包括：常數(shù)、浮點數(shù)、字節(jié)、字符串、可變長10進制、隊列等。

　　引入堆棧，更加方便實現(xiàn)與鏈接相關的操作以及程序載入、遞歸計算等。

　　為訪問復雜數(shù)據(jù)結構對象引入變址寄存器，并增加了間接尋址方式。

　　為解決CPU和內存間信息交換的速度不匹配問題，增加CPU內的通用寄存器數(shù)量;為減少CPU與主存的信息交換頻率，增加高速緩沖器Cache，形成三級存儲結構。

　　為提高處理器的吞吐量和效率，采取先行控制、指令重疊、流水線等技術，在指令內、指令間、任務間、作業(yè)間等不同層次上開發(fā)并行性。

　　加提高存儲器帶寬，采用存儲器交叉訪問等技術。

　　使程序和數(shù)據(jù)的存儲空間分開，以增加存儲器帶寬。

　　采用頁式存儲管理及段式存儲管理等虛擬存儲技術，使計算機運行方式上從單作業(yè)單通道處理發(fā)展為批處理、多道程序處理等。

　　改進的馮・諾依曼結構計算機的能夠很好地進行較大規(guī)模的數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理，但還不能很好地對圖象和自然語言數(shù)據(jù)對象等進行處理。

　　3.并行處理結構的發(fā)展

　　雖然計算機性能的提高很大程度上取決于元器件的發(fā)展，但是另一方面，體系結構的發(fā)展也扮演著相當重要的角色。尤其是并行技術的引入和發(fā)展。并行性包括時間并行性和空間并行性兩部分。一般時間并行性的開發(fā)采用資源共享和時間重疊的方法，而空間并行性的提高則采用資源重復的方法。由于并行性的開發(fā)體現(xiàn)在計算機的不同硬件不同層次結構上，這里只針對存儲系統(tǒng)的并行性進行討論闡述。

　　在雙核系統(tǒng)還未出現(xiàn)的早期，并行技術主要應用于單機系統(tǒng)。微指令、指令、程序等不同粒度的流水線，多道程序設計，多功能部件，以及向量處理機等技術的發(fā)展，一時間單處理機系統(tǒng)的吞吐量和其他性能達到幾乎飽和的狀態(tài)。問題規(guī)模的持續(xù)擴大催生了多處理器系統(tǒng)的發(fā)展，同時也導致了共享存儲結構(SMP)的產(chǎn)生。

　　SMP采用多處理器共享內存的方式，同時也采用高速緩存的多級存儲結構，提高處理器訪存速度。然而這必將出現(xiàn)訪問沖突問題。為進一步提高SMP結構的并行規(guī)模和系統(tǒng)性能，有如下幾種策略解決該問題。

　　3.1分布存儲多處理機結構(DMP)，又稱為非共享存儲結構，它利用資源重復的并發(fā)性策略，使各處理器節(jié)點并發(fā)地訪問分布的存儲器。其特點是主存分布，不共享。然而這種存儲結構存在地址空間的不連續(xù)問題，造成單處理器程序向DMP上移植的困難性，加大了程序員在該結構上編程的難度，因而DMP在主流機上很快消失。

　　3.2非一致存儲訪問(NUMA)結構，把實際分布的各存儲器看成連續(xù)的存儲的空間，解決了DMP地址空間不連續(xù)的問題。其特點是物理上分布存儲，邏輯上統(tǒng)一編址，存儲器共享，Cache不共享。由于Cache不共享，又會導致Cache一致性問題。

　　3.3大規(guī)模并行處理(MPP)結構，其特點是不共享存儲器，各處理器節(jié)點獨立工作，只交換必要的信息，即打包的數(shù)據(jù)和程序，這樣就能夠徹底解決Cache一致性的問題。MPP可方便擴展節(jié)點，具有很好的伸縮性。目前優(yōu)選的節(jié)點通訊互連網(wǎng)絡有超立方體和網(wǎng)絡加“蟲蛀式”路由，均難以解決系統(tǒng)效率的問題。然而這種不共享的方式，導致數(shù)據(jù)流路徑選擇困難，可編程性大大降低，程序執(zhí)行效率也隨之下降。鑒于MPP結構的這些特點嚴重制約了并行技術的發(fā)展，人們將焦點再次聚集到解決NUMA結構Cache一致性的問題上來，產(chǎn)生了Cache一致性NUMA結構――CC-NUMA。

　　目前，大規(guī)模并行結構尚有三大難題：節(jié)點負載均衡問題，Cache一致性問題和通訊同步問題，均為全局優(yōu)化問題。一系列并行處理結構的發(fā)展，說明大規(guī)模并行處理結構并沒有新東西，實屬無奈和被動。馮・諾依曼結構的一維順序存儲模型嚴重地制約了并行體系結構的發(fā)展，在此基礎上進行并行性的挖掘只能有限地提高計算機性能。[1]

　　四、計算機系統(tǒng)結構的新技術

　　1.Cell和多核等新型處理器結構帶來新的方向

　　現(xiàn)代科技對科學計算的精度要求日益提高，處理問題的規(guī)模也日益擴大，這些都加快了計算機體系機構的發(fā)展。由于微電子技術發(fā)展的制約以及單機并行處理結構的限制，計算機系統(tǒng)結構發(fā)展有了新思路，即Cell和多核架構技術。

　　Cell采取單芯片多核處理單元的結構，共享存儲器資源被多個處理單元共享。Cell采用的是稱為協(xié)處理器的技術，并依靠多個處理單元并行來提高運算速度。Cell架構的綜合效率高、功耗低、可擴展性好，因此被廣泛應用在服務器、大型機、移動設備等應用環(huán)境。Cell的可移植性也值得一提，不同的機器雖然頻率和內核數(shù)量等參數(shù)可能不同，然而在同款機器上開發(fā)的程序，僅需改變相應的參數(shù)，即可被一直到所有機器上運行。正是由于Cell極佳的可移植性，Cell可以方便使用相同架構的移動設備和服務器的通信和資源的共享，從而使得網(wǎng)絡資源整合成為可能，為電子信息網(wǎng)絡變革帶來福音。

　　與Cell架構不同，多核處理器的出現(xiàn)則是另一種計算方式的體現(xiàn)。從多核處理器出現(xiàn)開始，多核處理器逐漸發(fā)展，已經(jīng)從僅限于高端服務器演變?yōu)樵赑C機中普及，從而使PC機也演變?yōu)椴⑿杏嬎銠C，多核處理器由此占據(jù)大部市場。由此帶來的是利用多核優(yōu)勢進行并行程序設計的研究。多核設計也使得摩爾定律轉變?yōu)榛粮穸沙蔀榭赡?。英特爾、AMD、IBM、SUN公司等計算機行業(yè)巨頭均相繼推出各自的多核處理器，從雙核到四核，從四核到八核，升值96核，192核的芯片也相繼誕生，預計千核處理器也有望在2020年誕生。由此衍生出基于多核技術的高性能計算領域的發(fā)展。

　　2.可重構計算技術帶來新的亮點

　　過去的計算機硬件由于采用固化方式，硬件僅能使用一種環(huán)境，環(huán)境變更必將造成大量電子垃圾的產(chǎn)生，不利于可持續(xù)發(fā)展?？芍貥嬘嬎慵夹g[3-5]的出現(xiàn)，則很好的解決了這一問題?？芍貥嬘嬎悴捎肍PGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和CPLD編程技術等底層技術實現(xiàn)硬件可編程，繼而可以根據(jù)不同計算任務需求實時改變硬件的結構以滿足實際應用環(huán)境中的多元性和可變性，進一步提高了計算機的性能。

　　可重構計算技術主要應用在處理器芯片體系結構設計中，其基本目標是支持不同類型的并行性計算模型以達到不同級別的高性能，并提高芯片上硬件資源的利用率。該技術的基本實現(xiàn)思路是動態(tài)配置芯片上大量的處理單元、存儲單元和互連結構。由于可重構計算技術能夠很好地把握半導體技術發(fā)展的內在動力，采用該技術的多型微處理芯片體系結構不僅能夠適應應用環(huán)境的多樣性，同時還降低了設計復雜性、成本、功耗，提高了資源利用率和系統(tǒng)可靠性。該技術的應用，使得傳統(tǒng)處理器芯片設計過程中的指令集體系結構和微體系結構的設計和實現(xiàn)也發(fā)生了相應的巨大變化。

　　可重構計算技術在很大程度上降低了計算機硬件的復雜度，因為硬件也被賦予了軟件特性，變得可“編程”，因而也就具有高計算能力和低硬件復雜度。在這類單片系統(tǒng)上開發(fā)各種類型的應用，同時根據(jù)應用本身的并行性特征，采取體系結構模型的資源重復技術并進行動態(tài)配置，進而達到提高計算機系統(tǒng)性能，減低設計復雜度和功耗的目的。

　　3.可重構技術與多核技術的融合

　　馮・諾依曼體系結構在過去的計算機體系結構發(fā)展中一直占據(jù)著主導地位。同時，計算機硬件和軟件，尤其是CPU和存儲技術也在不斷發(fā)展著。隨著信息時代的到來，現(xiàn)有的技術也許遠無法滿足人們的需求。網(wǎng)絡環(huán)境和信息化社會使得計算機的應用需求從簡單的科學計算、資源共享功能的需求逐步發(fā)展為對大規(guī)模不同類型數(shù)據(jù)信息進行處理、智能升級等能力的需求?？芍貥嫾夹g與多核技術作為基礎，比將帶動計算機體系結構的后續(xù)發(fā)展。對于未來計算機系統(tǒng)結構發(fā)展，有學者提出以下幾個方面的構想：(1)CPU將發(fā)展為Cell結構和多核結構融合結構，即多Cell結構處理器;(2)信息通路[2]取代存儲器，成為體系結構的中心;(3)計算機的構成部件由馮・諾依曼體系結構五大部件轉變?yōu)橛啥鄠€信息處理節(jié)點構成，且每個節(jié)點的智能化和集成化程度逐步提高;(4)硬件設計也將被納入程序設計的范疇;(5)生產(chǎn)商提供中間件，用戶無需關心程序設計本身，從而獲取更好的體驗感。

　　五、計算機系統(tǒng)結構的未來發(fā)展

　　縱觀目前各大高校計算機系統(tǒng)結構方向的研究生院專業(yè)設置，以及各種計算機系統(tǒng)結構的學術會議和論文，網(wǎng)格計算、高性能計算與并行處理、容錯計算、光計算機系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)，都是計算機系統(tǒng)結構未來發(fā)生重大突破的契機。

　　1.現(xiàn)階段研究領域的突破

　　截止前不久第十五屆全國計算容錯會議落下帷幕，我國容錯計算領域已經(jīng)走過了超過18個年頭。文獻[5]研究和分析了幾種面向通用的容錯計算機系統(tǒng)結構，在充分考慮成本、可靠性、處理能力、升級、開發(fā)周期、靈活性等因素的基礎上，提出了一種開放的、高性價比的、通用的計算機結構。

　　隨著云計算、大數(shù)據(jù)逐漸滲透進計算機各個領域，并行計算也成為目前計算機系統(tǒng)結構領域的重要研究方向。文獻[6]為我們介紹了可擴展并行計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展?？梢钥吹?，并行機的發(fā)展取得了很多成就，國內外有許多優(yōu)秀的并行機也已經(jīng)投入使用，而我國在這個領域也具有相當?shù)挠绊懥Α?/p>

　　在計算機體系結構發(fā)展中，除了處理器的發(fā)展受到廣泛關注外，其他如存儲器和總線的發(fā)展也至關重要。文獻[8]為我們介紹了計算機總線技術的發(fā)展。

　　2.計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展趨勢分析

　　計算模型是計算機體系結構發(fā)展的主要標志，后者是前者的具體體現(xiàn)。因此，計算機體系結構的發(fā)展可以參照計算模型的發(fā)展?；诳刂乞寗雍凸蚕頂?shù)據(jù)的計算模型是傳統(tǒng)體系結構的主要控制機制，未來主要有三個研究趨勢：數(shù)據(jù)流系統(tǒng)結構、歸約系統(tǒng)結構、智能系統(tǒng)結構，分別對應數(shù)據(jù)流計算機、歸約計算機和智能計算機。[4]

　　計算模型有如下四種控制機制：控制驅動、數(shù)據(jù)驅動、消息傳送和模式匹配。數(shù)據(jù)流系統(tǒng)結構基于數(shù)據(jù)驅動和消息傳送。圖歸約和串歸約均為歸約系統(tǒng)結構，其中，圖歸約系統(tǒng)結構是基于需求驅動和消息傳送的計算模型。智能機主要應用在知識處理領域。

　　2.1 數(shù)據(jù)流計算機

　　數(shù)據(jù)流計算機顧名思義是基于數(shù)據(jù)流的計算機，它采用數(shù)據(jù)驅動的計算模型，較傳統(tǒng)計算機具有更高的并行性。

　　數(shù)據(jù)驅動的數(shù)據(jù)流方式是指：一條指令或一組指令的執(zhí)行由其所需的操作數(shù)驅動，一旦操作數(shù)全部準備就緒，指令立即被激發(fā)執(zhí)行。而下一條或下一組指令的執(zhí)行，同樣由上條或上組指令的輸出結果及其他所需操作數(shù)驅動執(zhí)行。采用這種方式的CPU將不再需要程序計數(shù)器。由于指令的執(zhí)行完全受數(shù)據(jù)流驅動，指令并非按所屬的程序存儲順序，而是基本無序的。

　　文獻[10]為展示了一種數(shù)據(jù)流計算機的實現(xiàn)，介紹了數(shù)據(jù)流機的數(shù)據(jù)驅動二種、數(shù)據(jù)流程圖、數(shù)據(jù)流程序設計語言以及其特殊的系統(tǒng)結構。

　　2.2 歸約機

　　歸約機同樣是基于數(shù)據(jù)流，但其驅動方式與數(shù)據(jù)流機不同，歸約機采用的是需求驅動的計算模型。在歸約機中，指令的執(zhí)行受其他指令的驅動，即指令因其他指令的需要而執(zhí)行。

　　歸約是指將表達式不斷化簡直到獲得最簡表達式的過程，得到最簡表達式也就得到了最終的計算結果。歸約機的設計是面向函數(shù)式程序設計語言的。這種程序設計語言也簡稱為函數(shù)式語言，是一種面向問題的說明性問題，即它是描述問題而非解決問題的程序設計語言。

　　函數(shù)式語言通過對表達式的歸約產(chǎn)生結果數(shù)據(jù)，進而驅動歸約機中指令的執(zhí)行，由此產(chǎn)生指令執(zhí)行順序。

　　按照函數(shù)表達式存儲結構不同，歸約機分為串行歸約機和圖歸約機兩類。前者以字符串形式存儲函數(shù)表達式而后者以圖的形式存儲。

　　2.3 智能機

　　智能機用于知識信息處理，它由以下幾個部分組成：推理系統(tǒng)、智能機口、數(shù)據(jù)庫系機和知識庫機。其中，后兩者是包含存儲器及處理器的專用機，用來獲取、表達、存儲和處理龐大的數(shù)據(jù)和各種人類知識。智能機的發(fā)展跟數(shù)據(jù)挖掘、信息抽取、人工智能等領域的研究密不可分。

　　隨著計算機網(wǎng)絡的飛速發(fā)展，信息時代計算機需要處理的遠不止傳統(tǒng)的馮・諾依曼機復雜的數(shù)值計算任務，更多的是應對各種各樣數(shù)量龐大的非數(shù)值計算任務。處理非數(shù)值數(shù)據(jù)涉及到的核心問題是如何對人類知識進行存儲和處理，這就需要保證知識一致性和快速實時響應。然而傳統(tǒng)馮・諾依曼機卻不能有效保證這兩點。數(shù)據(jù)庫機和知識庫機的概念的產(chǎn)生真是基于以上需求。數(shù)據(jù)庫機和知識庫機結構的設計應滿足一下幾點要求：

　　具有快速查詢數(shù)據(jù)和知識的能力；

　　能夠存儲大量數(shù)據(jù)和知識；

　　采用模塊化結構，一邊能夠充分利用VLSI技術提供性能良好的用戶接口，使數(shù)據(jù)庫和知識庫機能與各種前端機連接，以便讓更多用戶訪問。

　　3.新型體系結構

　　3.1 后PC時代的計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展

　　文獻[7]提出，由于個人移動電腦將是后PC時代上的主流產(chǎn)品，因此對當今的微處理器在實時響應、DSP支持、高效能量供給等方面提出了新的挑戰(zhàn)。新的微處理器實際上是通用處理器與數(shù)字信號處理器(DSP)的結合。因此主要需要滿足下列4個條件。

　　高性能：首先是實時響應，能保證在效率最差的情形下也能對實時信號(如視頻) 作出反應。連續(xù)媒體數(shù)據(jù)類型，要求系統(tǒng)能處理連續(xù)數(shù)據(jù)流的輸入，并不間斷輸出結果.其它還要求高存儲器帶寬、高網(wǎng)絡帶寬、細粒度并行性、粗粒度并行性、高指令參照定位等。

　　高效率能童系統(tǒng)：這種裝里預計功耗應小于2w，處理器的功耗應設計在1w 以下，且仍能處理像語音識別這樣的高性能操作?，F(xiàn)今高性能徽處理器數(shù)十W 的功耗是不能接受的。

　　小巧玲瓏：尺寸小、重量輕也是重要條件之一這就需減少芯片數(shù)，提高集成度，像在PD A 里一樣，要節(jié)省內存的開銷，減小代碼和程序的大小。

　　設計的復雜性和可縮放性：一個系統(tǒng)結構應該不僅在性能上而且在物理計上，能有效地縮放。臺式計算機芯片間長線互連的方式在未來處理器狹小空間里是不合適的，應該避免。

　　3.2 其他

　　中國工程院院士鄔江興在2013年“高效能計算機體系結構”國際戰(zhàn)略高端論壇上發(fā)布了“基于認知的主動重構計算體系”(簡稱PRCA)的新概念高效能計算機體系，鄔院士稱該體系經(jīng)初步原理驗證，效能至少比傳統(tǒng)高性能計算機提高10倍以上。

　　計算機系統(tǒng)結構的變革是同器件變革以及技術變革相輔相成的，目前量子計算機、光子計算機、生物計算機、納米計算機等新型計算機正處于研測試用或設想階段，未來計算機系統(tǒng)結構發(fā)展必將出現(xiàn)飛躍。

　　參考文獻

　　[1]呂麗娟，丁毅民. 淺談計算機體系機構的發(fā)展，計算機工程與應用. 1999：56-57.

　　[2]肖朝暉.計算機體系結構的發(fā)展及技術問題探討，信息化縱橫. 2009：第12期.1-3.

　　[3]我國成功研制世界首臺結構動態(tài)可變的擬態(tài)計算機.

　　[4]王麗暉. 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)結構發(fā)展趨勢分析，開發(fā)展望. 2005：4-5.

　　[5]歐中宏，袁由光，李海山等. 一種高性價比的容錯計算機結構，第十屆全國容錯計算學術會議.