计算机的演变和性能

第2章计算机的演变和性能

①发展历史表明处理器速度大幅度提高关键因素是缩减处理器部件的尺寸和减少部件间的距离。

②计算机系统设计的关键问题：是在各种元器之间的性能平衡；在一个领域内所获得的性能增益不被另一领域的滞后所妨碍。

本章首先介绍计算机的发展简史，概述计算机的结构和功能，将一直保持“计算机资源平衡”的思想

2.1 计算机简史

2.1.1第一代：真空管

1．ENIAC：于1946年2月建成，第一项任务是帮助判断氢弹的可行性

2．冯•诺依曼机

⑴程序存储的思想，归功于冯•诺依曼在1945年EDVAC计划中的构想，1946年，冯•诺依曼在普林斯顿高级研究院设计IAS计算机，成为通用计算机的原型

图2.1给出了IAS计算机的普通结构：

●主存储器

●ALU

●控制器

●I/O

几乎所有的计算机都有与上述论述相类似的结构和功能，被称为冯•诺依曼计算机

图2.2 给出数据和指令的格式，图2.3画出IAS更详细的结构图，含有7个通用寄存器P16图2.4：IAS通过反复执行指令周期来运行，每个指令周期由两个子周期组成

P16表2.1：IAS计算机共有21条指令

3．商用计算机

1947年，埃克特和莫克利制造UNIVAC ，UNIVAC Ⅰ是一台非常成功的商用计算机；UNIVAC Ⅱ诞生于50年代后期，印证了计算机工业发展的几个特征：

①先进的技术能不断推出更大、功能更强的计算机

②新机型向上兼容旧的机型。

IBM于1953年生产了首台程序存储计算机：IBM 701

2.1.2 第二代：晶体管

1．1947年贝尔实验室发明了晶体管，导致了一场电子革命。基于所采用的基本硬件技术来划分各个计算机时代，见P18表 2.2

2．DEC建立于1957年，开发出PDP-1

3．IBM7094 表2.3列出IBM产品的典型演变趋势

4．图2.5表示IBM7094的大型配置环境，是第二代计算机的代表：

①IBM7094使用了数据通道，通道是独立的I/O模块，具有自己的处理器和指令集

②多路器是数据通道、CPU、内存的中心连接点，调度CPU和通道对内存的访问

2.1.3 第三代：集成电路

1958年，集成电路的发明开创了微电子学时代

1．微电子技术

电子计算机只有两种基本类型的元件是必需的：

①逻辑门：是实现布尔或逻辑功能的元件

②内存位元：内存位元是一个能够存储一位数据的元件

使用逻辑门和内存位元可以实现4个基本功能：

①数据存储；②数据处理；③数据移动；④控制

故计算机包含门、内存位元和它们之间的互连结构

早期的集成电路被称SSI。P22图2.8显示著名的摩尔定律：摩尔观察到芯片上的晶体管数每年翻一番，并断言这种态势在不远的将来还会继续下去。

2．摩尔定律的影响是深远的：

（1）芯片集成度快速增长时期，计算机逻辑电路和存储器电路的成本显著下降

（2）芯片中逻辑和存储器单元的位置更靠近，电路长度更短，提高了工作速度

（3）计算机变得更小

（4）减少了电能消耗及对冷却的要求

（5）集成电路内部的连接比焊接连接更可靠

目前，人们普遍认为计算机硬件发展存在6个规律，包括：

①Moore定律：微处理器内晶体管数每18个月翻一翻。

②Bell定律：如果保持计算能力不变，微处理器的价格每18个月减少一半。

③Gilder定律：未来25年（1996年预言），主干网的带宽将每6个月增加1倍。

④Metcalfe定律：网络价值同网络用户数的平方成正比。

⑤半导体存储器发展规律：DRAM的密度每年增加60%，每3年翻4倍。

⑥硬盘存储技术发展规律：硬盘的密度每年增加约1倍。

3．IBM System/360

1964年IBM发布了System/360，System/360在那时获得了成功，巩固了IBM作为计算机销售商的绝对优势地位，IBM占有了70%以上的市场份额。

System/360是工业上第一个计算机系列的发展计划。P23表 2.4给出了1965年System/360各种型号系列计算机的一些关键特征

IBM系列机具有以下特征：

●相同的或相似的指令集

●相似或相同的操作系统

●更高的速度

●更多的I/O端口数

●更大的内存容量

●成本增加

4．DEC公司的PDP-8

1964年DEC公司的PDP-8推出，价格只要1.6万美元，其它制造商可以购买PDP-8，将它集成到自己的系统中再行出售，这些制造商被称为原始设备制造商（OEM）。

IBM采用中央交换结构（图2.5所示）；PDP-8采用总线结构（P24：图2.9所示）；总线包含了96个独立的信号通路，以传送控制、地址和数据信号。图2.10表示了PDP-8/E的一个大型配置系统。

2.1.4 后续几代

1．半导体存储器

20世纪50年代、60年代，所有的计算机存储器由铁磁体环做成，1970年，Fairchild

（仙童公司）生产出了第一个较大容量半导体存储器。

2．微处理器

1971年，Intel开发出Intel4004，1972年出现的Intel8008，是第一个8位微处理器。

1974年出现了Intel8080，8080是为通用微机而设计的中央处理器。

1981年，贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器。Intel于1985年推出了其32位微处理器Intel 80386。

表2-6给出INTEL微处理器的演变历程

2.2 性能设计

2.2.1 微处理器速度

机器的演变遵循前面介绍的摩尔定律，芯片制造商就能每3年发布新一代的芯片，晶体管数为上一代的4倍。当代处理器所包含的技术有：

●转移预测（Branch Prediction）

●数据流分析（Data Flow Analysis）

●推测执行（Speculative Execution）

2.2.2 性能平衡

处理器的性能以惊人的速度向前发展的时候，其他关键部件并没有跟上，导致寻求性能平衡的需要：调整组织和结构，以补偿各种部件之间的能力不匹配。处理器和主存储器间的接口是整个计算机中的关键通路。这一趋势的影响在图2.12中生动地表示出来。平均而言每个系统DRAM芯片数量在减少。

解决问题方法是调整系统结构，结构调整又都反映在计算机设计中。

●使DRAM的接口“更宽”

●通过在DRAM芯片中加入高速缓存机制来改进DRAM接口，提高它的效率。

●在主存和处理器之间引入更复杂、更有效的高速缓存结构，减少存储器访问频度。

●通过高速总线和使用分层总线来缓冲和结构化数据流。

●22端口存储器；多体交叉存储器。

另一个设计焦点是处理I/O设备。解决方法包括缓冲和暂存机制以及加上高速互连总线结构。使用多处理器配置能够帮助满足I/O的需要。

所有问题的关键是“平衡”。设计者始终努力平衡处理器部件、主存储器、I/O设备及互连结构的吞吐量和处理要求。

2.2.3 芯片组成和体系结构的改进

有三种办法可实现处理器的提速:

⑴提供处理器硬件速度

⑵提供CACHE容量和速度

⑶改进处理器的组成和体系结构以提供指令执行的有效速度

随着时钟速度和逻辑密度的提供,几个障碍变得更加显著:

⑴功耗

⑵RC延迟

⑶存储器滞后

图2-12说明近年进展: ⑴增加cache容量；⑵处理器内指令执行逻辑变得越来越复杂