計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程

1、19451954 電子管繼電器，用導(dǎo)線連接，組成單CPU，完成定點運算，采用匯編語言和機(jī)器語言。代表：IBM70119551964 采用分立式晶體三極管、二極管和鐵氧體的磁芯，用印制板電路將他們連接，可完成浮點運算，采用編譯程序的高級語言、子程序和批處理的監(jiān)控程序。 代表：IBM 703019651974 采用中小規(guī)模的集成電路和多層印刷電路，運用流水線、高速緩存和先行處理機(jī)的技術(shù)，軟件方面采用多道程序設(shè)計和分時操作系統(tǒng)。 代表：IBM 360370 系列19741991 采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路和半導(dǎo)體存儲器，出現(xiàn)了共享存儲器、分布存儲器等，開發(fā)了并行處理的多處理的操作系統(tǒng)、專用語言和編

2、譯器。代表：IBM/ 3090VF1991至今 采用VLSI工藝更加完善的高密度、速度處理機(jī)和存儲器芯片。最大的特點是大規(guī)模的并行處理，采用可擴(kuò)展和容許時延的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 代表： Cray Research 的MPP計算機(jī)的發(fā)展歷史計算機(jī)性能的高速增長受益于 電路技術(shù)的發(fā)展 體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展第一代 真空管 Vacuum tubes 1.0 計算機(jī)發(fā)展歷史回顧ENIAC - backgroundElectronic Numerical Integrator And Computer電子數(shù)字積分器和計算機(jī)，第一臺通用電子數(shù)字計算機(jī)Mauchly and Eckert ，University of

3、PennsylvaniaTrajectory tables for weapons Started 1943Finished 1946 Used until 1955Too late for war effortENIAC - detailsDecimal (not binary)20 accumulators of 10 digitsProgrammed manually by switches18,000 vacuum tubes30 tons15,000 square feet140 kW power consumption5,000 additions per secondVacuum

4、 tube in ENIACInput Pannel (42)CableProgramingDebug(線路檢查)ENIAC缺點：輸入、修改程序復(fù)雜。若程序能與數(shù)據(jù)同存于存儲器，可簡化編程過程。von Neumann/TuringStored Program concept(設(shè)計新型計算機(jī)ENIAC）Princeton Institute for Advanced Studies IASCompleted 1952現(xiàn)代電子計算機(jī)之父19441945年間，美籍匈牙利科學(xué)家馮諾伊曼在第一臺現(xiàn)代計算機(jī)ENIAC尚未問世時注意到其弱點，并提出一個新機(jī)型EDVAC的設(shè)計方案，其中提到了兩個設(shè)想：采用二進(jìn)

5、制和“存儲程序”。這兩個設(shè)想對于現(xiàn)代計算機(jī)至關(guān)重要，也使馮諾伊曼成為“現(xiàn)代電子計算機(jī)之父”，馮諾伊曼機(jī)體系延續(xù)至今。Von Neumann with the first Institute computer Alan TuringStructure of von Neumann machineMain memory storing programs and dataALU operating on binary dataControl unit interpreting instructions from memory and executingInput and output equipme

6、nt operated by control unitIAS - details1000 x 40 bit wordsBinary number（39+1）2 x 20 bit instructionsSet of registers (storage in CPU)Memory Buffer RegisterMemory Address RegisterInstruction RegisterInstruction Buffer RegisterProgram CounterAccumulatorMultiplier Quotient（乘商寄存器）EDVAC商用計算機(jī)1947 - Ecker

7、t-Mauchly Computer CorporationUNIVAC I (Universal Automatic Computer)用于US Bureau of Census 1950 calculationsBecame part of Sperry-Rand CorporationLate 1950s - UNIVAC IIFasterMore memoryUNIVAC IUNIVAC IIIBMPunched-card processing equipment1953 - the 701IBMs first stored program computerScientific cal

8、culations1955 - the 702Business applicationsLead to 700/7000 series1952年，IBM公司的第一臺機(jī)器IBM7011952年，IBM公司的第一臺機(jī)器IBM701第一代計算機(jī)系統(tǒng)電子管、繼電器存儲器，用絕緣導(dǎo)線連接CPU（PC，累加器）順序執(zhí)行定點運算機(jī)器/匯編語言CPU程序控制I/O第二代 晶體管TransistorsReplaced vacuum tubesSmallerCheaperLess heat dissipationSolid State deviceMade from SiliconInvented 1947 at

9、 Bell LabsTransistor Based ComputersSecond generation machinesNCR & RCA produced small transistor machinesIBM 7000DEC - 1957Produced PDP-1IBM 7030 (1961)數(shù)據(jù)通道多路器世界上第一臺通用流水線機(jī)器IBM7030世界上第一臺通用流水線機(jī)器IBM7030它采用四級流水線結(jié)構(gòu)，以使取指、譯碼和執(zhí)行階段重疊，從而提高速度。DEC PDP-1 (1960)Estimated cost=$120,000 分立晶體二極管、三極管、鐵氧 體磁芯、用印刷電路互連變

10、址寄存器、浮點運算、多路存儲器、I/O處理器帶編譯程序的高級語言、子程序庫、批處理監(jiān)控程序第二代計算機(jī)系統(tǒng)微電子技術(shù)的出現(xiàn)MicroelectronicsLiterally - “small electronics”A computer is made up of gates, memory cells and interconnectionsThese can be manufactured on a semiconductorGenerations of ComputerVacuum tube - 1946-1957Transistor - 1958-1964Small scale int

11、egration - 1965 onUp to 100 devices on a chipMedium scale integration - to 1971100-3,000 devices on a chipLarge scale integration - 1971-19773,000 - 100,000 devices on a chipVery large scale integration - 1978 to date100,000 - 100,000,000 devices on a chipUltra large scale integrationOver 100,000,00

12、0 devices on a chip第三代計算機(jī)系統(tǒng)主要特征（IBM360/370，PDP-8）微程序控制開始普及流水線、高速緩存、先行處理機(jī)軟件上 多道程序設(shè)計、分時操作系統(tǒng)第四代計算機(jī)系統(tǒng)主要特征（IBM3090，VAX9000）出現(xiàn)共享存儲器、分布存儲器、并行計算機(jī)開發(fā)了用于并行處理的多處理操作系統(tǒng)、專用語言和編譯器等第五代計算機(jī)系統(tǒng)主要特征（Intel Paragon）進(jìn)行大規(guī)模并行處理、采用可擴(kuò)展、容許延時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)IBM 360 series(第三代)1964Replaced (& not compatible with) 7000 seriesFirst planned “fa

13、mily” of computers（系列的概念）Similar or identical instruction setsSimilar or identical O/SIncreasing speedIncreasing number of I/O ports (i.e. more terminals)Increased memory size Increased costMultiplexed switch structure（多路器）1964年，IBM公司宣布了IBM 360系列S/360極強(qiáng)的通用性適用于各方面的用戶，它具有360度”全方位的特點，因此得名。IBM投入了50億美元的研

14、發(fā)費用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)過制造原子彈的“曼哈頓計劃”的20億美元Amdahl和Blauw等人在介紹IBM360時，提出了“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”這一重要概念。采用了微程序技術(shù)。IBM 360 FamilyDEC PDP-8 (第三代)1964First minicomputer Did not need air conditioned roomSmall enough to sit on a lab benchBUS STRUCTUREDEC - PDP-8 Bus StructureOMNIBUSConsoleControllerCPUMain MemoryI/OModuleI/OModulePDP-11 (197

15、3)VAX-11 (1981)Micro VAX1976年，Cray-1第一臺每秒億次浮點計算能力的計算機(jī)。第一臺商業(yè)化的向量超級計算機(jī)。1971年，Intel公司開始出售它的第一種微處理器芯片Intel 4004Intel 80X86系列 世界最快的計算機(jī)2001（IBM）2001年宣布制造出全球運算速度最快的超級電腦，占地達(dá)兩個籃球場之大，重達(dá)106噸，它的運算能力相當(dāng)于擊敗國際象棋世界級棋手的超級電腦“深藍(lán)”的1000倍，達(dá)7 萬億次。2002年世界最快的計算機(jī)NEC地球模擬器35萬億次中國最快的計算機(jī)曙光3000，4,032億次聯(lián)想機(jī)群系統(tǒng)，4萬億次“曙光4000A”采用2560枚美國

16、超微(AMD)公司服務(wù)器芯片，10萬億次浮點運算/s。天河一號超級計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入世界五強(qiáng).我國首臺千萬億次超級計算機(jī)系統(tǒng)“天河一號”，峰值性能每秒1206萬億次雙精度浮點運算，Linpack測試值達(dá)每秒萬億次。是世界上首臺CPU和GPU異構(gòu)混合千萬億次超級計算機(jī)系統(tǒng)。日本展示512核芯片，浮點運算每秒5120億次Grape DR處理器采用90nm制程，由臺積電代工，尺寸為1717mm。PB級的異構(gòu)存儲系統(tǒng)Growth in CPU Transistor CountEvolution of Single-Chip Micros1970s 1980s 1990s2010 Transistor Co

17、unt 10K-100K 100K-1M 1M-100M 1B Clock Frequency 0.2-2MHz 2-20MHz 20M-1GHz10GHz Instruction/Cycle 0.1 0.1-0.9 0.9- 2.0 10 (?) MIPS/MFLOPS 0.2 0.2-20 20-2,000 100,000 Moores Law-1965Increased density of components on chipGordon Moore - cofounder of IntelNumber of transistors on a chip will double every yearSince 1970s development has slowed a littleNumber of tra