計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

課程介紹

尚艷艷

福州大學(xué)數(shù)計學(xué)院

2009-2010學(xué)年第一學(xué)期

課程目標(biāo)

本課程是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門的基礎(chǔ)課程。

本課程主要包括討算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念、組成及

相關(guān)設(shè)計原理；計算機索統(tǒng)結(jié)構(gòu)各組成部分的相關(guān)

技術(shù)、分析及設(shè)計方法；計算機系統(tǒng)設(shè)計的基本方

法。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解計算機余統(tǒng)的

基本工作原理，以及在硬件、軟件界面劃分的權(quán)衡

策喙，建立完整的、系統(tǒng)的計算機軟硬件整體概念。

課程主要內(nèi)容

?計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論

?教據(jù)表示、尋址方式與指令柒繞

?:?存儲、中新、總線與1/。系統(tǒng)

?:?存儲體系

?流水和指令級高速并行的超級機

?陣列處理機

?多處理機

?:?數(shù)據(jù)流機和規(guī)約機*

?:?多核技術(shù)

課程的重點

?:?從整體上掌握計算機系統(tǒng)的工作原理，以講授計算

機宗統(tǒng)結(jié)構(gòu)的其末概念和其本原理為主，而不具完

整介紹各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即不是以具體的機器為實例

此行教學(xué)

?:?讓同學(xué)們明白計算機技術(shù)發(fā)展的趨勢及影響，激發(fā)

學(xué)習(xí)期情、鉆研和創(chuàng)新精神

?了解新技術(shù)、新概念，獷大知識面

/如：RISC、RAID,SMP、Cluster等

/如：網(wǎng)格計算（GridComputingJ

,如：多核技術(shù)CMulticoreJ

/如：Itanium2與Opteron等

計算機發(fā)展的基礎(chǔ)

?科技技術(shù)的飛速發(fā)展

＞主要是半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展

＞機、磁、光、生物等技術(shù)

＞市場效應(yīng)是主要推動作用

計算機技術(shù)的發(fā)展

?:?自1946年以來，計算機60年有了驚人的發(fā)展

③性能：（加法）速度提高了5個數(shù)量級

③計算機性能以大約每年35%的速度提高

儂價格：令天$1000的機器相當(dāng)于60年代中$106的機

器，這里同性能計算機的價格比，改善了3個教

量級。

*從發(fā)展過程中體會本課程的含義。

指數(shù)增長的世界

網(wǎng)絡(luò)vs.計算機性能

處理器速度每18個月翻一

番

存儲密度每12個月翻一選

網(wǎng)絡(luò)速度每9個月翻一番

1986-2000

計算機：500

網(wǎng)絡(luò)：x340,000

2001-2010

計算機：X60

網(wǎng)絡(luò)：x4,000

GordonMoore(FounderofIntel)observedin1965thatthenumber

oftransistorsthatcouldbecrammedonachipdoublesevery

year.ThishasCONTINUEDtobetruesincethen.

TransistorsPerChip

摩爾定律（1979年）

?:?假設(shè)檜片價格保持不變，則微處理器檜片上

的晶體管教，每隔18?24個月便翻?番

?:?假設(shè)微處理器價格保持不變，則微處理器速

度每隔18-24個月便翻一番

?:?假設(shè)微處理器速度或恙片內(nèi)存儲器態(tài)量不變,

則微處理器檜片價格每18-24個月將降低約

48%

摩爾定律即將終結(jié)

?:.Intel公司負(fù)責(zé)內(nèi)部恙片設(shè)計的首席技術(shù)官蓋

東欣格認(rèn)為：以地球文明所擁有的材料環(huán)境,

如果檜片的耗能和散熱問題不解決，貝九

e2005年這片上集成2億個晶體管，熱的像核反應(yīng)

堆

8到摩東定律就至年，2010年，就會達(dá)到火箭發(fā)射

時高溫完體嘖嘴的水平

儂2015年，就會與太陽的表面?樣熱

Processorperformance,asmeasuredbytheSPECbenchmark

hasalsorisendramatically.

MemoryCapacity(andCost)havechangeddramaticallyinthe

last20years.

size

yearsize(Mb)eyetime

19800.0625250ns

19830.25220ns

19861190ns

19894165ns

199216145ns

199664120ns

2000256100ns

Year

BasedonSPEED,theCPUhasincreaseddramatically,but

memoryanddiskhaveincreasedonlyalittle.Thishasled

todramaticchangedinarchitecture,OperatingSystems,

andProgrammingpractices.

CapacitySpeed(latency)

Logic2xin3years2xin3years

DRAM4xin3years2xin10years

Disk4xin3years2xin10years

Scalingto0.1pm

?SemiconductorIndustryAssociation,1992

TechnologyWorkshop

?Projectedfuturetechnologybasedonpasttrends

199219951998200120042007

Featuresize：0.50.350.250.180.120.10

-Industryisslightlyaheadofprojection

DRAMcapacity：16AA64AA256M1G4G16G

-Doublesevery1.5years

-Predictionontrack

Chiparea(cm2)：2.54.06.08.010.012.5

-Wayoff!Chipsstayingsmall

?：?芯片制造工藝在1992年以后，從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納米一直發(fā)展到

目前最新的65,45納米,

而45納米和30納米的制造工藝將是下一代CPU的發(fā)展目標(biāo)。

目前研發(fā)28納米芯片

Intel的45納米處理器

2008年11月16日，英特爾在中國一口氣發(fā)布了16款主要面向服務(wù)

器和高端PC的新一代45納米“Penryn”處理器。

相比先前采用65納米技術(shù)構(gòu)建的處理器芯片，新型英特爾45納米

(1納米=10億分之1米)處理器的晶體管密度幾乎翻了一番，這就

相當(dāng)于四核處理器上裝載了8.2億個晶體管。

Penryn與酷睿相比，芯片片尺寸方面縮小了25%,而晶體管數(shù)

量方面則上升了40%,晶體管總數(shù)量達(dá)到8.2億個。

在節(jié)能方面，45納米工藝可以使芯片功耗降低30%,采用更高介電

常數(shù)的金屬本冊極取代傳統(tǒng)的低介電常藪(low-k)的二氧花硅林極漏

電率降低到原來的1/5T/10,并大幅度提高晶體管開關(guān)速度。

舊M的28納米技術(shù)研究

?IBM與其眾多合作伙伴正在制定一項28nm的半導(dǎo)體研究計劃。

它將提供更加完善的性能、降低功能設(shè)計及更好的電池壽命,

這些技術(shù)可能未來都將應(yīng)用于移動設(shè)備和消費級電子設(shè)備當(dāng)

中。該聯(lián)盟一直致力于32納米的研究，現(xiàn)在也輕易的從32nm

過渡到了28nm,并且能夠使產(chǎn)品輕松的從32nm平臺過渡到

28nm。

80

Dollarsper

DRAMchip

Year

?2003ElsevierScience(USA).Allrightsreserved.

$1000

1000MHz

$900

$800

$700

$600

Intellistprice

(1000units)$500

$400

$300

$200

$100

Date

?2003ElsevierScience(USA).Allrightsreserved.

100,000

Performance

CPU與Memroy的性能呈現(xiàn)剪刀差

?2003ElsevierScience(USA).Allrightsreserved.

目前最快的計算機（2007年）

?世界最快的500臺計算機系統(tǒng)2007年11月

osNol:IBMBlueGene478.2萬億次/秒

eNo59:IBM（勝利油田）18.6萬億次/秒

eNo250（82）:曙光（上海超算中心）8.061萬億次/秒

中國最快的100臺計算機系統(tǒng)2007年11月

eNo1:勝利油田舊M18.6萬億次/秒

eNo3:上海超級計算中心曙光8.061萬億次/秒

No100:沈陽電信浪潮1.265萬億次/秒

儂No100+:山東省高性能計算中心浪潮0.749萬億次/秒

2008上半年top10

RartkSiteComputer

Roadrunner?BladeCenterQtS22/LS21

DOE/NMSZVLyxNLCluster,PowerXCell8i3.2Ghz/Opteron

1

UnitedStatesDC1.8GHz.VoltaireInfiniband

IBM

DOE/NNSZMLLNLBlueGene/L-eServerBlueGeneSolutior

2

UnitedStatesIBM

ZXrgonneNationalLaboratoryBlueGene/PSolution

3

UnitedStatesIBM

TexasAdvancedComputingRanger-SunBladeKB42O.OpteronQuad

4Center/UnivofTexas2Ghz.Infiniband

UnitedStatesSunMicrosystems

OakRidgeNationalJaguar-CrayXT4QuadQore21GHz

5LaboratoryCrayInc.

UnitedStates

For3chungszentrumJuelichJUGENE-BlueGene/PSolution

6(FZJ)IBM

Germany

NewMexicoComputingBncanto-SGIAltixICE8200.Xeonquad

ApplicationsCenter

7core3.0GHz

(NMCAC)SGI

UnitedStates

ComputationalResearchEKA-ClusterPlatform3000BL46Oc,

8Laboratories,TATA.SONSXeon53xx3GHz,Infiniband

IndiaHewlett-Packard

IDRISBlueGene/PSolution

9

FranceIBM

TotalExplorationProduction

1O30GHz此

Francewrwwv?IP—?J-

2008年6月初創(chuàng)剛完工的IBM

Roadrunner（走鵑）排名NO.1,

安放在美國能源部LosAlamos

國彖實驗室，由IBM

PowerXCell3.2GHz和AMD

OpteronDC1.8GHz兩種處理器

組成，擁有122400個計算核心，

最高性能1.026PFlops,峰值性

能1.37578PFlops,功耗2345.5

千瓦特。

從部署的國彖來看，美國依舊在高性能計算領(lǐng)域占據(jù)著

優(yōu)勢的地優(yōu)。最新的TOP500系統(tǒng)中，有257套部署在美

國，竟然占到了TOP500的一半多。與之相比，在TOP500

的系統(tǒng)中僅有12套部署在中國。

Countries/Systems

June2008

UnitedStates

Architecture/Systems

June2008

ProcessorFamily/Systems

June2008

IntelEM64T

-Others

IntelIA-64

AMDX8664

Power

2008下半年top10

RankSiteComputer

Roadrunner-BladeCenterQS227LS21ClusterPowerXCell8i32Ghz/Opteron

DODNNSAfl_ANL

DC18GHzVoltaireInfiniband

UnitedStates

IBM

OakRidgeNationalLaboratoryJaguar-CrayXT5QC2.3GHz

UnitedStatesCrayInc.

NASAyAmesResearchCenter/NASPleiades-SGIAltixICE8200E<XeonQC3.0/2.66GHz

UnitedStatesSGI

DOBNNSAflJJJLBlueGsne/L-eServerBlueGeneSolution

UnitedStatesIBM

AfgpnneNationalLaboratoryBlueGene/PSolution

UnitedStatesIBM

TexasAr^ancedComputing

Ranger-SunBladex6420.OpteronQC23Ghz,Infiniband

CenterAJniv.ofTexas

SunMicrosystems

UnitedStates

fJERSC/LBNLFranklin-CrayXT4QuadCore2.3GHz

UnitedStatesCrayInc.

OakRidgeNationalLaboratoryJaguar-CrayXT4QuadCore21GHz

UnitedStatesCrayInc.

NNSA/SandiaNationalLaboratoriesRedStorm-Sandia/CrayRedStormXT3/4,24/2.2GHzdual/quadcore

UnitedStatesCrayInc.

Dawning5000A?Dawning5000A,QCOpleron19GhzInfinibatia,W/iYdows

ShanghaiSupercomputerCenter

ChinaHPC2008

Dawning

2009上半年top10

RankSiteComputerfYearVendorCom^mAxRpon*Power

Rcadrunner-BladeCenter

DO&TiMSAA.ArnQS22a?S21Clust?fPo^etXC?M

1UnitedStates8i32GhZJOpternnDC18GMx1296001105.00145670248347

VcliAaoinftniMnd/2008

IBM

Odk，y*ofuaJLatofMoryJeguar?CrayXT5QC23GHz/

2UnitedSlates2008150152105900138140695060

CrayInc

，

ForschongwantrumJu<Hcti(FZJ|JUGEllE-SlueGene/PSolution

Germany200929491282550100270226800

DIBM

HASA/Ame福Re&ea?chPleiades?SG；E8200EX

4Cftoi/NAS35X301266GHr/2008512004870160883209000

UnitedSlatesSGI

B>ueOeae/U-eS^rwrBlu?Gene

DOE/NMSAO.LNLS<?iuiH-)n/2007

5UnitedStates21299247620596382329SO

IBM

instiluiefor

Krak*fiXT5?CrayXT5QC23

ComputaticnjMGHr/2008660004633060720

ScienceWUnrwetsUyofCrayinc

DUnitedStares

AcgonmiNationalLwboovtay9lu*jGerr?*P八/2007

11638404686155706126000

UnitedSlatesIBM

Rangei?SunBiadax6420

T?xa3AcJvancedComputing

Op<efonQC23Ghx.Infinib?nd/

8Centei/Untv.ofTexas629764332057938200000

2008

UnitedStates

SunMicrosystems

Dawn-BheGemWPSolution/

gE/NMSA/LLNL

UnitedStates20091A74564157050135113400

DIBM

JUROPA-SunConstetlation.

Ncr/aScaleR422-E2IntelXeon1rl

X5570293GHz.Sun

ForochungsxontrumJueUch(FZJ)263G4潘璇潴自54.00

GermanyM^^ettanoxQDR

3InfinitKirMVPartecPjua5tM>on/［陽1m④a?0JB

2009

BullSA

FiankhnCiayXT4QuitdCone2.3

NERSC^BtH

11

UnrtedSlatesGMx/20082663035551115000

CrayInc

加?

OakRsdgoNationalLaborsory9urGayXT4OuadCore21

12UnitedStatesGHz/2008309762050026020158071

CrayInc

?

f4NSAfSancftaNjmonalRedSlormSandia?CrayRd

StormXT3?42a22GHs

13382082M2028400250600

dWqu&dcore(2008

UnitedStates

CrayInc

KingAbdnlUhUnrverartyofShaheenBlueGene^PSdmion/

14Scwnceandl>cbnofcogy200965536185172228250400

SaudiaArabiaISM

MagicCubeDawnmgS00QAQC

ShanyhviSupviccmputorC?n1?rOpteton19Ghr.InMibaM

15307201806023347

ChinaXrtdowsHPC2008/2008

Dawrung

SciUVUniMH5ttyatTotontoGPC-iDal^PYex.XeonE55xxQC

253GHzGigE/200930240168603060386940

16Canada

IBM

Ne?MexicoComputingEnum。?SGIAJttxICE8200.

17AgkHM*Cnntet(NMCAC)gnc；Ui>d3。i0G士/20071433613320172038€163

UnitedSlatesSGI

ComputationalReeeafchEKA■ClusterPtattGiw3000

18LabcxMorie?,TATASOWSBL460c.Xeon53xx3GHi.1438413280172.6178600

InfirIL.WKS/2008

India

HeMdett-Pickafd

Juno.ApproXtremeSerx^r1143H

L^menceLEEWANMunal

OptemnQC22Gh^Inflmband/

19Laboimory182241316016220

UnitedStates2008

ApproInternational

GrandEquap^menlMotionalde

CalculIntvnwf?

J標(biāo)SGIAHixICEB200EX.

tnformMiqueHatigsHde

20?<?onquadcoreJ0GHz/200812288

FEnseignementSvpeneur

SGI

(GEMC14>NES)I

France

Countries/Systems

June2009

UnitedStates

Others

India

Italy

UnitedKingdom

Canada

Sweden

-Japan

GermanyChina

MyDrivers.com驅(qū)動之家

美國雖然丟掉了前十強中的又一個席位，但在全部500套系統(tǒng)中依然占據(jù)

291套，和半年前相同，英國以44套位列第二，另外歐洲從151套降至145

套、亞洲從47套增至49套，其中中國內(nèi)地21套、香港1套、臺灣1套

ProcessorFamily/Systems

June2009

MyDrivers.com驅(qū)動之家

ProcessorGeneration/Systems

June2009

XeonE54xx(Harpertown)

￡

eonL54xx(Harpertown)f

Others

Xeon51xx(Woodcrest)、1XeonE55xx(Gamestowr

PowerPC440

Xeon53xx(Clovertown)OpteronDualCore

/PowerPC450

/-POWER6

OpteronQuadCore

XeonX55xx(Gainestown)

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OperatingsystemFamily/Systems

June2009

Linux-

MyDrivers.com驅(qū)動之家

OperatingSystem/Systems

June2009

Linux

-Others

SuSELinuxEnterpriseSt

WindowsHPC2008

CentOS

SLES10+SGIProPack5

CNL

AIX

CNK/SLES9

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NumberofProcessors/Systems

June2009

2049-4096

Others

128k-

32k-64k

16k-32k

4k-8k

1025-2048

MyDrivers.com驅(qū)動之家

CountriesShareOverTime

1993-2009

UnitedStates

4

Japan

■Germany

HUnitedKingdom

S■France

E■Italy

汨

s

』■China

s

2oo■Canada

■Korea,South

■Netherlands

1oo■Switzerland

■Sweden

■Others

o

mXS9&86§ss3sss286

66666o0sa80S

盡

盡

s6z盡

I66v66=z8Z

u/UUUU/9/'/-

s99s9ss9

sSSSSS0000s0

MyDrivers.com驅(qū)動之家

ProcessorFamilyShareOverTime

51993-2009

Power

4oIntelEM64T

■IntelIA-32

港MIPS

■Sparc

S

E■PA-RISC

Z

S■Cray

A

S2oo■AJpha

?AMDX86_64

■Fujitsu

■NEC

1oo■IntelIA-64

■Inteli860

Others

O

寸

寸S9\86sSss9s86

S66

666666aoossSoSS

666I62zzz

UUS/sqAAU

9US、U/'''

SS0SSssosssSsSS

MyDrivers.com驅(qū)動之家

Systems

06/1993

06/1994

06/1995

06/1996

06/1997

06/1998

06/1999

06/2000

06/2001

06/2002

06/2003

06/2004

06/2005

06/2006

06/2007

M06/2008

Dy

ir

ev06/2009■■■

Mr

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Systems

s

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N

06/1994u

m

06/1995b

e

06/1996r

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06/1997f

Tp

06/1998r

oo

p1c

06/19999e

lon9s

o06/20003s

1o

Rr

06/20012s

e0

06/20020S

i9h