計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程及未來(lái)展望

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程及未來(lái)展望一、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)什么是體系結(jié)構(gòu)經(jīng)典的關(guān)于“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(computerArchitecture)”的定義是1964年C.M.Amdahl在介紹IBM360系統(tǒng)時(shí)提出的，其具體描述為“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是程序員所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性”。按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，不同級(jí)程序員所看到的計(jì)算機(jī)具有不同的屬性。一般來(lái)說(shuō)，低級(jí)機(jī)器的屬性對(duì)于髙層機(jī)器程序員基本是透明的，通常所說(shuō)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要指機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)就是適當(dāng)?shù)亟M織在一起的一系列系統(tǒng)元素的集合，這些系統(tǒng)元素互相配合、相互協(xié)作，通過(guò)對(duì)信息的處理而完成預(yù)先定義的目標(biāo)。通常包含的系統(tǒng)元素有：計(jì)算機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)硬件、人員、數(shù)據(jù)庫(kù)、文檔和過(guò)程。其中，軟件是程序、數(shù)據(jù)庫(kù)和相關(guān)文檔的集合，用丁?實(shí)現(xiàn)所需要的邏輯方法、過(guò)程或控制：硬件是提供計(jì)算能力的電子設(shè)備和提供外部世界功能的電子機(jī)械設(shè)備(例如傳感器、馬達(dá)、水泵等)：人員是硬件和軟件的用戶和操作者；數(shù)據(jù)庫(kù)是通過(guò)軟件訪問(wèn)的大型的、有組織的信息集合：文檔是描述系統(tǒng)使用方法的手冊(cè)、表格、圖形及其他描述性信息；過(guò)程是一系列步驟，它們定義了每個(gè)系統(tǒng)元素的特定使用方法或系統(tǒng)駐留的過(guò)程性語(yǔ)境。體系結(jié)構(gòu)原理計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)解決的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在總體上、功能上需要解決的問(wèn)題，它和計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是不同的概念。一種體系結(jié)構(gòu)可能有多種組成，一種組成也可能有多種物理實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)器內(nèi)部數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。其目標(biāo)是合理地把各種部件、設(shè)備組成計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足所希塑達(dá)到的性能價(jià)格比。一般而言，計(jì)算機(jī)組成研究的范圍包括：確定數(shù)據(jù)通路的寬度、確定各種操作對(duì)功能部件的共享程度、確定專用的功能部件、確定功能部件的并行度、設(shè)計(jì)緩沖和排隊(duì)策略、設(shè)計(jì)控制機(jī)構(gòu)和確定采用何種可靠技術(shù)等。計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接，專用器件的設(shè)計(jì)，信號(hào)傳輸技術(shù)，電源、冷卻及裝配等技術(shù)以及相關(guān)的制造工藝和技術(shù)。主要研究?jī)?nèi)容?機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)表示：碩件能直接辨識(shí)和操作的數(shù)據(jù)類型和格式2?尋址方式：最小可尋址單位、尋址方式的種類、地址運(yùn)算3?寄存器組織：操作寄存器、變址寄存器、控制寄存器及專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則7-輸入輸出結(jié)構(gòu)：輸入輸出的連接方式、處理機(jī)/存儲(chǔ)器與輸入輸出設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換方式、數(shù)據(jù)交換過(guò)程的控制8?信息保護(hù)：信息保護(hù)方式、硬件信息保護(hù)機(jī)制。根據(jù)指令流、數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類1?單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）SISD其實(shí)就是傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的單處理器計(jì)算機(jī)，其指令部件每次只對(duì)一條指令進(jìn)行譯碼，并只對(duì)一個(gè)操作部件分配數(shù)據(jù)。?單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）SIMD以并行處理機(jī)為代表，結(jié)構(gòu)如圖，并行處理機(jī)包括多個(gè)重復(fù)的處理單元PU1?Pin,由單一指令部件控制，按照同一指令流的要求為它們分配各口所需的不同的數(shù)據(jù)。?多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）MISD的結(jié)構(gòu)，它具有n個(gè)處理單元，按n條不同指令的要求對(duì)同一數(shù)據(jù)流及其中間結(jié)果進(jìn)行不同的處理。一個(gè)處理單元的輸出乂作為另一個(gè)處理單元的輸入。?多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）HIMD的結(jié)構(gòu)，它是指能實(shí)現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、指令等各級(jí)全面并行的多機(jī)系統(tǒng)，多處理機(jī)就屬于MIMDo二、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)己經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)不同的發(fā)展階段。第一階段60年代中期以前，是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的早期時(shí)代。在這個(gè)時(shí)期通用碩件已經(jīng)相當(dāng)普遍，軟件卻是為每個(gè)具體應(yīng)用而專門編寫的，大多數(shù)人認(rèn)為軟件開發(fā)是無(wú)需預(yù)先計(jì)劃的事情。這時(shí)的軟件實(shí)際上就是規(guī)模較小的程序，程序的編寫者和使用者往往是同一個(gè)（或同一組）人。由于規(guī)模小，程序編寫起來(lái)相當(dāng)容易，也沒有什么系統(tǒng)化的方法，對(duì)軟件開發(fā)工作更沒有進(jìn)行任何管理。這種個(gè)體化的軟件環(huán)境，使得軟件設(shè)計(jì)往往只是在人們頭腦中隱含進(jìn)行的一個(gè)模糊過(guò)程，除了程序清單之外，根本沒有其他文檔資料保存下來(lái)。第二階段從60年代中期到70年代中期，是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的第二代。在這10年中計(jì)算機(jī)技術(shù)有了很大進(jìn)步。多道程序、多用戶系統(tǒng)引入了人機(jī)交互的新概念，開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新境界，使碩件和軟件的配合上了一個(gè)新的層次。實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠從多個(gè)信息源收集、分析和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，從而使得進(jìn)程控制能以亳秒而不是分鐘來(lái)進(jìn)行。在線存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了第一代數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的出現(xiàn)。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的第二代的一個(gè)重耍特征是出現(xiàn)了“軟件作坊”，廣泛使用產(chǎn)品軟件。但是，“軟件作坊”基本上仍然沿用早期形成的個(gè)體化軟件開發(fā)方法。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益普及，軟件數(shù)量急劇膨脹。在程序運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤必須設(shè)法改正：用戶有了新的需求時(shí)必須相應(yīng)地修改程序；硬件或操作系統(tǒng)更新時(shí),通常需要修改程序以適應(yīng)新的環(huán)境。上述種種軟件維護(hù)工作，以令人吃驚的比例耗費(fèi)資源。更嚴(yán)重的是，許多程序的個(gè)體化特性使得它們最終成為不可維護(hù)的?！败浖C(jī)”就這樣開始出現(xiàn)了。1968年北大西洋公約組織的計(jì)算機(jī)科學(xué)家在聯(lián)邦徳國(guó)召開國(guó)際會(huì)議，討論軟件危機(jī)課題，在這次會(huì)議上正式提出并使用了“軟件工程”這個(gè)名詞，一門新興的工程學(xué)科就此誕生了。第三階段計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的第三代從20世紀(jì)70年代中期開始，并II跨越了整整10年。在這10年中計(jì)算機(jī)技術(shù)乂有了很大進(jìn)步。分布式系統(tǒng)極大地增加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性，局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、寬帶數(shù)字通信以及對(duì)“即時(shí)”數(shù)據(jù)訪問(wèn)需求的增加，都對(duì)軟件開發(fā)者提出了更高的要求。但是，在這個(gè)時(shí)期軟件仍然主要在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界應(yīng)用，個(gè)人應(yīng)用還很少。這個(gè)時(shí)期的主要特點(diǎn)是出現(xiàn)了微處理器，而且微處理器獲得了廣泛應(yīng)用。以微處理器為核心的“智能”產(chǎn)品隨處可見，當(dāng)然，最重要的智能產(chǎn)品是個(gè)人計(jì)算機(jī)。在不到10年的時(shí)間里，個(gè)人計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為大眾化的商品。第四階段在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的第四代已經(jīng)不再看重單臺(tái)計(jì)算機(jī)和程序，人們感受到的是硬件和軟件的綜合效果。由復(fù)朵操作系統(tǒng)控制的強(qiáng)大的桌面機(jī)及局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，與先進(jìn)的應(yīng)用軟件相配合，已經(jīng)成為當(dāng)前的主流。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)己迅速地從集中的主機(jī)環(huán)境轉(zhuǎn)變成分布的客戶機(jī)/服務(wù)器（或?yàn)g覽器/服務(wù)器）環(huán)境。世界范圍的信息網(wǎng)為人們進(jìn)行廣泛交流和資源的充分共享提供了條件。軟件產(chǎn)業(yè)在世界經(jīng)濟(jì)中己經(jīng)占有舉足輕重的地位。隨著時(shí)代的前進(jìn)，新的技術(shù)也不斷地涌現(xiàn)出來(lái)。面向?qū)ο蠹夹g(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域迅速地取代了傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法。軟件開發(fā)的“第四代技術(shù)”改變了軟件界開發(fā)計(jì)算機(jī)程序的方式。專家系統(tǒng)和人工智能軟件終于從實(shí)驗(yàn)室中走出來(lái)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用，解決了大量實(shí)際問(wèn)題。應(yīng)用模糊邏輯的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件，展現(xiàn)了模式識(shí)別與擬人信息處理的美好前景。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與多媒體系統(tǒng)，使得與用戶的通信可以采用和以前完全不同的方法。遺傳算法使我們有可能開發(fā)出駐留在大型并行生物計(jì)算機(jī)上的軟件。二、未來(lái)展望現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)體系研究中，愈來(lái)愈多的問(wèn)題被發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)以圖靈機(jī)理論為基礎(chǔ)，屬于馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)。本質(zhì)上，圖靈機(jī)理論和馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)是一維串行的，而多核處理器則屬于分布式離散的并行結(jié)構(gòu)，需要解決二者的不匹配問(wèn)題。而J1馮?諾依曼的核心只有3個(gè)：二進(jìn)制、存儲(chǔ)模型和一個(gè)時(shí)候只有一個(gè)操作的串行機(jī)制。這在長(zhǎng)久以來(lái)推動(dòng)了計(jì)算機(jī)體系的發(fā)展和革新，但也就是這3個(gè)核心，阻礙了計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。首先，串行的圖靈機(jī)模型和物理上分布實(shí)現(xiàn)的多核處理器的匹配問(wèn)題。圖靈機(jī)模型意味著串行的編程模型。串行程序很難利用物理上分布實(shí)現(xiàn)的多個(gè)處理器核獲得性能加速.與此同時(shí)，并行編程模型并沒有獲得很好的推廣，僅僅局限在科學(xué)計(jì)算等有限的領(lǐng)域.研究者應(yīng)該尋求合適的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)串行的圖靈機(jī)模型和物理上分布實(shí)現(xiàn)的多核處理器的匹配問(wèn)題或縮小二者之間的差距，解決“并行程序編程困難，串行程序加速小”的問(wèn)題。在支持多線程并行應(yīng)用方面，未來(lái)多核處理器應(yīng)該從如下兩個(gè)方向加以考慮。第一是引入新的能夠更好的能夠表示并行性的編程模型。由于新的編程模型支持編程者明確表示程序的并行性，因此可以極大的提升性能。比如Cell處理器提供不同的編程模型用于支持不同的應(yīng)用。其難點(diǎn)在丁?如何有效推廣該編程模型以及如何解決兼容性的問(wèn)題。第二類方向是提供更好的硬件支持以減少并行編程的復(fù)雜性。并行程序往往需要利用鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的同步、互斥操作，編程者必須慎重確定加鎖的位置，因?yàn)楸Ｊ氐募渔i策略限制了程序的性能，而精確的加鎖策略大大增加了編程的復(fù)雜度。一些研究在此方面做了有效的探索。比如，SpeculativeLockElision機(jī)制允許在沒有沖突的情況下忽略程序執(zhí)行的鎖操作，因而在降低編程復(fù)雜度的同時(shí)兼顧了并行程序執(zhí)行的性能。這樣的機(jī)制使得編程者集中精力考慮程序的正確性問(wèn)題，而無(wú)須過(guò)多地考慮程序的執(zhí)行性能。更激進(jìn)的，TransactionalCoherenceandConsistency(TCC)機(jī)制以多個(gè)訪存操作(Transaction)為單位考慮數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了并行編程的復(fù)雜度。主流的商業(yè)多核處理器主要針對(duì)并行應(yīng)用，如何利用多核加速串行程序仍然是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。其關(guān)鍵技術(shù)在于利用軟件或硬件口動(dòng)地從串新程序中派生出能夠在多核處理器上并行執(zhí)行的代碼或線程。多核加速串行程序主要有三種方法，包括并行編譯器、推測(cè)多線程以及基于線程的預(yù)取機(jī)制等。在傳統(tǒng)并行編譯中，編譯器需要花費(fèi)很大的精力來(lái)保證擬劃分線程之間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。編譯時(shí)存在大量模糊依賴，尤其是在允許使用指針(如C程序)的情況下，編譯器不得不采用保守策略來(lái)保證程序執(zhí)行的正確性。這大大限制了串行程序可以挖掘的并發(fā)程度，也決定了并行編譯器只能在狹窄范圍使用。為解決這些問(wèn)題，人們提出推測(cè)多線程以及基丁-線程的預(yù)取機(jī)制等。然而，從這種概念提出到現(xiàn)在為止，這個(gè)方向的研究大部分局限丁?學(xué)術(shù)界，僅有個(gè)別商業(yè)化處理器應(yīng)用了這種技術(shù),并XI僅僅局限于特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。我們認(rèn)為動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)和推測(cè)多線程(包括基于線程的預(yù)取機(jī)制)的結(jié)合是未來(lái)的可能發(fā)展趨勢(shì)。馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的一維地址空間和多核處理器的多維訪存層次的匹配問(wèn)題。本質(zhì)上，馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)采用了一維地址空間。由丁-不均勻的數(shù)據(jù)訪問(wèn)延遲和同一數(shù)據(jù)在多個(gè)處理器核上的不同拷貝導(dǎo)致了數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題。該領(lǐng)域的研究分為兩大類：一類研究主要是引入新的訪存層次。新的訪存層次可能采用一維分布式實(shí)現(xiàn)方式。典型的例子是增加分布式統(tǒng)一編址的寄存器網(wǎng)絡(luò)。全局統(tǒng)一編址的特性避免了數(shù)據(jù)一致性地考慮。同時(shí)，相比于傳統(tǒng)的大容量cache訪問(wèn)，寄存器乂能提供更快的訪問(wèn)速度.TRIPS和RAW都有實(shí)現(xiàn)了類似得寄存器網(wǎng)絡(luò)。另外，新的訪存層次也可以是私有的形式。比如每個(gè)處理器和都有口己私有的訪存空間。其好處是更好的劃分了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，已洗局部私有數(shù)據(jù)沒有必要考慮數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題。比如Cell處理器為每個(gè)SPE核設(shè)置了私有的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。另一類研究主要涉及研制新的cache—致性協(xié)議。其重耍趨勢(shì)是放松正確性和性能的關(guān)系。比如推測(cè)Cache協(xié)議在數(shù)據(jù)一致性未得到確認(rèn)之前就推測(cè)執(zhí)行相關(guān)指令，從而減少了長(zhǎng)遲訪存操作對(duì)流水線的影響。此外，TokenCoherence和TCC也采用了類似的思想。程序的多樣性和單一的體系結(jié)構(gòu)的匹配問(wèn)題。未來(lái)的應(yīng)用展現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)。一方面，處理器的評(píng)估不僅僅局限于性能，也包括可靠性，安全性等其他指標(biāo)。另一方面，即便考慮僅僅追求性能的提高，不同的應(yīng)用程序也蘊(yùn)含了不同層次的并行性。應(yīng)用的多樣性驅(qū)使未來(lái)的處理器具有可配置、靈活的體系結(jié)構(gòu)。TRIPS在這方面作了富有成效的探索，比如其處理器核和片上存儲(chǔ)系統(tǒng)均有可配置的能力，從而使得TRIPS能夠同時(shí)挖掘指令級(jí)并行性、數(shù)據(jù)級(jí)并行性及指令級(jí)并行性。而從指令集上說(shuō)，CISC處理的是不等長(zhǎng)指令集，它必須對(duì)不等長(zhǎng)指令進(jìn)行分割，因此在執(zhí)行單一指令的時(shí)候需要進(jìn)行較多的處理工作。而RISC執(zhí)行的是等長(zhǎng)精簡(jiǎn)指令集，CPU在執(zhí)行指令的時(shí)候速度較快IL性能穩(wěn)定。RISC可同時(shí)執(zhí)行多條指令，它可將一條指令分割成若干個(gè)進(jìn)程或線程，交由多個(gè)處理器同時(shí)執(zhí)行，因此在并行處理方面RISC明顯優(yōu)于CISCo由此可見，