計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程及未來展望

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程及未來展望一、計算機體系結(jié)構(gòu)什么是體系結(jié)構(gòu)經(jīng)典的關(guān)于“計算機體系結(jié)構(gòu)(computerArchitecture)”的定義是1964年C.M.Amdahl在介紹IBM360系統(tǒng)時提出的，其具體描述為“計算機體系結(jié)構(gòu)是程序員所看到的計算機的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性”。按照計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)，不同級程序員所看到的計算機具有不同的屬性。一般來說，低級機器的屬性對于髙層機器程序員基本是透明的，通常所說的計算機體系結(jié)構(gòu)主要指機器語言級機器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。計算機體系結(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，通過對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：計算機軟件、計算機硬件、人員、數(shù)據(jù)庫、文檔和過程。其中，軟件是程序、數(shù)據(jù)庫和相關(guān)文檔的集合，用丁?實現(xiàn)所需要的邏輯方法、過程或控制：硬件是提供計算能力的電子設(shè)備和提供外部世界功能的電子機械設(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)庫是通過軟件訪問的大型的、有組織的信息集合：文檔是描述系統(tǒng)使用方法的手冊、表格、圖形及其他描述性信息；過程是一系列步驟，它們定義了每個系統(tǒng)元素的特定使用方法或系統(tǒng)駐留的過程性語境。體系結(jié)構(gòu)原理計算機體系結(jié)構(gòu)解決的是計算機系統(tǒng)在總體上、功能上需要解決的問題，它和計算機組成、計算機實現(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現(xiàn)。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括機器內(nèi)部數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計等。其目標(biāo)是合理地把各種部件、設(shè)備組成計算機，以實現(xiàn)特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時滿足所希塑達(dá)到的性能價格比。一般而言，計算機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)計緩沖和排隊策略、設(shè)計控制機構(gòu)和確定采用何種可靠技術(shù)等。計算機組成的物理實現(xiàn)。包括處理機、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，信號傳輸技術(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)。主要研究內(nèi)容?機內(nèi)數(shù)據(jù)表示：碩件能直接辨識和操作的數(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/存儲器與輸入輸出設(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其實就是傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的單處理器計算機，其指令部件每次只對一條指令進(jìn)行譯碼，并只對一個操作部件分配數(shù)據(jù)。?單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）SIMD以并行處理機為代表，結(jié)構(gòu)如圖，并行處理機包括多個重復(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個處理單元，按n條不同指令的要求對同一數(shù)據(jù)流及其中間結(jié)果進(jìn)行不同的處理。一個處理單元的輸出乂作為另一個處理單元的輸入。?多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）HIMD的結(jié)構(gòu)，它是指能實現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、指令等各級全面并行的多機系統(tǒng)，多處理機就屬于MIMDo二、計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程計算機體系結(jié)構(gòu)己經(jīng)經(jīng)歷了四個不同的發(fā)展階段。第一階段60年代中期以前，是計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的早期時代。在這個時期通用碩件已經(jīng)相當(dāng)普遍，軟件卻是為每個具體應(yīng)用而專門編寫的，大多數(shù)人認(rèn)為軟件開發(fā)是無需預(yù)先計劃的事情。這時的軟件實際上就是規(guī)模較小的程序，程序的編寫者和使用者往往是同一個（或同一組）人。由于規(guī)模小，程序編寫起來相當(dāng)容易，也沒有什么系統(tǒng)化的方法，對軟件開發(fā)工作更沒有進(jìn)行任何管理。這種個體化的軟件環(huán)境，使得軟件設(shè)計往往只是在人們頭腦中隱含進(jìn)行的一個模糊過程，除了程序清單之外，根本沒有其他文檔資料保存下來。第二階段從60年代中期到70年代中期，是計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的第二代。在這10年中計算機技術(shù)有了很大進(jìn)步。多道程序、多用戶系統(tǒng)引入了人機交互的新概念，開創(chuàng)了計算機應(yīng)用的新境界，使碩件和軟件的配合上了一個新的層次。實時系統(tǒng)能夠從多個信息源收集、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進(jìn)行。在線存儲技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了第一代數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的出現(xiàn)。計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的第二代的一個重耍特征是出現(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體化軟件開發(fā)方法。隨著計算機應(yīng)用的日益普及，軟件數(shù)量急劇膨脹。在程序運行時發(fā)現(xiàn)的錯誤必須設(shè)法改正：用戶有了新的需求時必須相應(yīng)地修改程序；硬件或操作系統(tǒng)更新時,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資源。更嚴(yán)重的是，許多程序的個體化特性使得它們最終成為不可維護(hù)的?！败浖C”就這樣開始出現(xiàn)了。1968年北大西洋公約組織的計算機科學(xué)家在聯(lián)邦徳國召開國際會議，討論軟件危機課題，在這次會議上正式提出并使用了“軟件工程”這個名詞，一門新興的工程學(xué)科就此誕生了。第三階段計算機體系結(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年中計算機技術(shù)乂有了很大進(jìn)步。分布式系統(tǒng)極大地增加計算機系統(tǒng)的復(fù)雜性，局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、寬帶數(shù)字通信以及對“即時”數(shù)據(jù)訪問需求的增加，都對軟件開發(fā)者提出了更高的要求。但是，在這個時期軟件仍然主要在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界應(yīng)用，個人應(yīng)用還很少。這個時期的主要特點是出現(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)品是個人計算機。在不到10年的時間里，個人計算機已經(jīng)成為大眾化的商品。第四階段在計算機系統(tǒng)發(fā)展的第四代已經(jīng)不再看重單臺計算機和程序，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)控制的強大的桌面機及局域網(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。計算機體系結(jié)構(gòu)己迅速地從集中的主機環(huán)境轉(zhuǎn)變成分布的客戶機/服務(wù)器（或瀏覽器/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)濟中己經(jīng)占有舉足輕重的地位。隨著時代的前進(jìn)，新的技術(shù)也不斷地涌現(xiàn)出來。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)計算機程序的方式。專家系統(tǒng)和人工智能軟件終于從實驗室中走出來進(jìn)入了實際應(yīng)用，解決了大量實際問題。應(yīng)用模糊邏輯的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件，展現(xiàn)了模式識別與擬人信息處理的美好前景。虛擬現(xiàn)實技術(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算機上的軟件。二、未來展望現(xiàn)在的計算機體系研究中，愈來愈多的問題被發(fā)現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)以圖靈機理論為基礎(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題。而J1馮?諾依曼的核心只有3個：二進(jìn)制、存儲模型和一個時候只有一個操作的串行機制。這在長久以來推動了計算機體系的發(fā)展和革新，但也就是這3個核心，阻礙了計算機的進(jìn)一步發(fā)展。首先，串行的圖靈機模型和物理上分布實現(xiàn)的多核處理器的匹配問題。圖靈機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現(xiàn)的多個處理器核獲得性能加速.與此同時，并行編程模型并沒有獲得很好的推廣，僅僅局限在科學(xué)計算等有限的領(lǐng)域.研究者應(yīng)該尋求合適的機制來實現(xiàn)串行的圖靈機模型和物理上分布實現(xiàn)的多核處理器的匹配問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”的問題。在支持多線程并行應(yīng)用方面，未來多核處理器應(yīng)該從如下兩個方向加以考慮。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。其難點在丁?如何有效推廣該編程模型以及如何解決兼容性的問題。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制實現(xiàn)對臨界資源的同步、互斥操作，編程者必須慎重確定加鎖的位置，因為保守的加鎖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)雜度的同時兼顧了并行程序執(zhí)行的性能。這樣的機制使得編程者集中精力考慮程序的正確性問題，而無須過多地考慮程序的執(zhí)行性能。更激進(jìn)的，TransactionalCoherenceandConsistency(TCC)機制以多個訪存操作(Transaction)為單位考慮數(shù)據(jù)一致性問題，進(jìn)一步簡化了并行編程的復(fù)雜度。主流的商業(yè)多核處理器主要針對并行應(yīng)用，如何利用多核加速串行程序仍然是一個值得關(guān)注的問題。其關(guān)鍵技術(shù)在于利用軟件或硬件口動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、推測多線程以及基于線程的預(yù)取機制等。在傳統(tǒng)并行編譯中，編譯器需要花費很大的精力來保證擬劃分線程之間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。編譯時存在大量模糊依賴，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。為解決這些問題，人們提出推測多線程以及基丁-線程的預(yù)取機制等。然而，從這種概念提出到現(xiàn)在為止，這個方向的研究大部分局限丁?學(xué)術(shù)界，僅有個別商業(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)為動態(tài)優(yōu)化技術(shù)和推測多線程(包括基于線程的預(yù)取機制)的結(jié)合是未來的可能發(fā)展趨勢。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)訪問延遲和同一數(shù)據(jù)在多個處理器核上的不同拷貝導(dǎo)致了數(shù)據(jù)一致性問題。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，相比于傳統(tǒng)的大容量cache訪問，寄存器乂能提供更快的訪問速度.TRIPS和RAW都有實現(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)一致性問題。比如Cell處理器為每個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。其重耍趨勢是放松正確性和性能的關(guān)系。比如推測Cache協(xié)議在數(shù)據(jù)一致性未得到確認(rèn)之前就推測執(zhí)行相關(guān)指令，從而減少了長遲訪存操作對流水線的影響。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)的匹配問題。未來的應(yīng)用展現(xiàn)出多樣性的特點。一方面，處理器的評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)用程序也蘊含了不同層次的并行性。應(yīng)用的多樣性驅(qū)使未來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系統(tǒng)均有可配置的能力，從而使得TRIPS能夠同時挖掘指令級并行性、數(shù)據(jù)級并行性及指令級并行性。而從指令集上說，CISC處理的是不等長指令集，它必須對不等長指令進(jìn)行分割，因此在執(zhí)行單一指令的時候需要進(jìn)行較多的處理工作。而RISC執(zhí)行的是等長精簡指令集，CPU在執(zhí)行指令的時候速度較快IL性能穩(wěn)定。RISC可同時執(zhí)行多條指令，它可將一條指令分割成若干個進(jìn)程或線程，交由多個處理器同時執(zhí)行，因此在并行處理方面RISC明顯優(yōu)于CISCo由此可見，