计算机系统结构概述

1、计算机系统结构课程介绍龚 斌山东大学计算机科学与技术学院2012-2013学年第二学期课程目标 本课程是计算机科学与技术专业的一门的基础课程。通过本课程的学习，使学生理解计算机系统的基本工作原理，以及在硬件、软件界面划分的权衡策略(tradeoff)，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。课程主要内容计算机系统结构概论数据表示、寻址方式与指令系统存储、中断、总线与i/o系统存储体系流水和指令级高速并行的超级机阵列处理机多处理机数据流机和规约机* 课程的重点从整体上掌握计算机系统的工作原理，以讲授计算机系统结构的基本概念和基本原理为主，而不是完整介绍各种系统结构，即不是以具体的机器为实例进行教

2、学让同学们明白计算机技术发展的趋势及影响，激发学习热情、钻研和创新精神了解新技术、新概念，扩大知识面如：risc、raid、smp、cluster等如：网格计算（grid computing），p2p，云计算（cloud computing），gpu计算如：多核（multicore），众核（manycore）,融核（intel xeon phi）如：hadoop&mapreduce，大数据（big data）计算机学科的组织构成 计算机系统结构计算机系统结构计算机软件与理论计算机软件与理论计算机应用计算机应用理科理科 工科工科 农农 医医 管理管理计算机科学与技术专业计算机科学与技术专

3、业说明说明: : 一级学科一级学科 二级学科二级学科软件工程专业软件工程专业计算机技术的发展自1946年以来，计算机近70年有了惊人的发展性能：（加法）速度提高了5个数量级计算机性能以大约每年35%的速度提高价格：今天$1000的机器相当于60年代中$106的机器，这里同性能计算机的价格比，改善了个数量级。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)从发展过程中体会本课程的含义。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指数增长的世界网络 vs. 计算机性能 处理器速度每18个月翻一番 存储密度 每12个月翻一番 网络速度 每9个月翻一番1986 to 2000计算机: x 500网络: x 340,0002001 to 2010计算机: x 60网络: x 4000处理器速度持续提高（广度）从1971年第一颗微处理器intel 4004问世以来，40年间处理器芯片集成的晶体管数目从

6、2300个发展到今天的数十亿个，处理器频率从不到1mhz发展到今天最高接近5ghz，与英特尔4004相比，如今下一代英特尔酷睿处理器的性能是其35万倍，每个晶体管的能耗却降低了5千倍。同期，晶体管的价格下降了约5万倍。 riscmove to multi-processor在30年间计算机系统的速度提高了6个数量级对计算能力的需求持续增长摩尔定律（1979年）假设芯片价格保持不变，则微处理器芯片上的晶体管数，每隔18-24个月便翻一番假设微处理器价格保持不变，则微处理器速度每隔18-24个月便翻一番假设微处理器速度或芯片内存储器容量不变，则微处理器芯片价格每18-24个月将降低约48%摩尔定律

7、即将终结intel公司负责内部芯片设计的首席技术官盖尔欣格认为：以地球文明所拥有的材料环境，如果芯片的耗能和散热问题不解决，则：2005年芯片上集成2亿个晶体管，热的像核反应堆到摩尔定律截至年，2010年，就会达到火箭发射时高温气体喷嘴的水平2015年，就会与太阳的表面一样热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芯片制造工艺在1992年以后，从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纳米一直发展到目前最新的65,45,40,22纳米，而10纳米的制造工艺将是下一代cpu的发展目标。 cpu与mem

12、roy的性能呈现剪刀差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据说，每当它开机时，费城西区的电灯黯然失色（功率过大）eni

16、ac-最早的计算机（1946年）eniac-技术细节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(单总线) 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.目前最快的计算机（2012年11月）世界最快的500台计算机系统

21、2012年11月no1: titan （美国） 27112万亿次/秒 17590no2: sequoia （美国） 20132万亿次/秒 16324no3: 京，k （日本） 11280万亿次/秒 10510.no8: tianhe-1a （中国）4701万亿次/秒 2566no12: 星云一号 （中国） 2984万亿次/秒 1271no28: 神威蓝光（中国） 1070万亿次/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年以前超级计算机发展趋势2000年 每秒10万亿次浮点运算2005年 每秒100万亿次浮点运算2009年 每秒1000万亿次浮点运算（pflop/s）2013年 每秒1亿亿次浮点运算2016年 每秒10亿亿次浮点运算2020年 每秒100亿亿次浮点运算（eflop/s）基本上每10年左右性能提高1000倍超级计算机发展路线图时间2020年2030年2050年器件cmos纳米量子器件量子、生物分子计算速度exaflops(1018)zettaflops

25、(1021)yottaflops(1024)并行度109-101011 -10121013 -1015内存容量25pbeb(1018b)zb(1021b)功耗40mwmwmw用途核聚变模拟蛋白质折叠等地球模拟生命科学等mems优化脑科学模拟等2010202020302050必须突破并行编程模型几十年来由于微处理器一直按照mooremoore定律预测的性能增长速度争发展，使得并行处理得不到强烈的需求牵引，导致以并行计算机为主业的公司几乎全部夭折。单处理器性能的提高遇到阻碍以后，计算机要提高性能基本上只剩下一条路可走依靠并行处理。过去几十年的编程模式主要的串行，现在必须转到并行编程，这一迫不得已的

26、转变，对软件界既是挑战也是机遇。未来的微处理器少则几个十几个核，多则数千个核，连每个用户手中的终端都是多核处理器，如何让一个任务分解到多个核中运行成为今后编程的大问题。在现有串行编程模型上做并行化没有出路，一定回到原始问题，从新考虑并行算法和并行编程，这可能是今后几十年计算机科学和软件界必须突破的科学问题和关键技术。功耗与绿色hpc每个节点耗电在300到1500瓦之间，而一个机柜耗能在20到30千瓦左右。以百万亿次超级计算机-曙光5000a为例，其采用近7000颗四核处理器构建，总内存容量超过100tb，存储容量达700tb，总体功耗达到700千瓦（不含冷却系统），其每年的电费开销预期为1000万元人民币。其效能虽然在世界目前的高性能计算机里面已经相当优越的了，但依旧让我们普通人感到十分震惊。而一台持续千万亿次计算的超级计算机系统每小时需要消耗20兆瓦或更高的电能，其每年的电费开销也将高达亿元人民币以上www