[工学]计算机系统发展历程.ppt

19451954 电子管继电器，用导线连接，组成单电子管继电器，用导线连接，组成单CPU，完成定点，完成定点运算，采用汇编语言和机器语言。代表：运算，采用汇编语言和机器语言。代表：IBM70119551964 采用分立式晶体三极管、二极管和铁氧体的磁芯，用印采用分立式晶体三极管、二极管和铁氧体的磁芯，用印制板电路将他们连接，可完成浮点运算，采用编译程序的高级语言、子制板电路将他们连接，可完成浮点运算，采用编译程序的高级语言、子程序和批处理的监控程序。程序和批处理的监控程序。代表：代表：IBM 703019651974 采用中小规模的集成电路和多层印刷电路，运用流水线、采用中小规模的集成电路和多层印刷电路，运用流水线、高速缓存和先行处理机的技术，软件方面采用多道程序设计和分时操作高速缓存和先行处理机的技术，软件方面采用多道程序设计和分时操作系统。系统。代表：代表：IBM 360370 系列系列19741991 采用大规模或超大规模集成电路和半导体存储器，出现了采用大规模或超大规模集成电路和半导体存储器，出现了共享存储器、分布存储器等，开发了并行处理的多处理的操作系统、专共享存储器、分布存储器等，开发了并行处理的多处理的操作系统、专用语言和编译器。代表：用语言和编译器。代表：IBM/3090VF1991至今至今 采用采用VLSI工艺更加完善的高密度、速度处理机和存储器芯工艺更加完善的高密度、速度处理机和存储器芯片。最大的特点是大规模的并行处理，采用可扩展和容许时延的系统结片。最大的特点是大规模的并行处理，采用可扩展和容许时延的系统结构。构。代表：代表：Cray Research 的的MPP计算机的发展历史计算机的发展历史计算机性能的高速增长受益于计算机性能的高速增长受益于p 电路技术的发展电路技术的发展p 体系结构技术的发展体系结构技术的发展第一代 真空管 Vacuum tubes 1.0 计算机发展历史回顾ENIAC-backgroundElectronic Numerical Integrator And Computer电子数字积分器和计算机，第一台通用电子数字计算机Mauchly and Eckert，University of 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 tube in ENIACInput Pannel(42)CableProgramingDebug(线路检查)ENIAC缺点：输入、修改程序复杂。若程序能与数据同存于存储器，可简化编程过程。von Neumann/TuringStored Program concept(设计新型计算机ENIAC）Princeton Institute for Advanced Studies IASCompleted 1952现代电子计算机之父19441945年间，美籍匈牙利科学家冯诺伊曼在第一台现代计算机ENIAC尚未问世时注意到其弱点，并提出一个新机型EDVAC的设计方案，其中提到了两个设想：采用二进制和“存储程序”。这两个设想对于现代计算机至关重要，也使冯诺伊曼成为“现代电子计算机之父”，冯诺伊曼机体系延续至今。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 equipment 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商用计算机1947-Eckert-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 calculations1955-the 702Business applicationsLead to 700/7000 series1952年，年，IBM公司公司的第一台机器的第一台机器IBM7011952年，年，IBM公司公司的第一台机器的第一台机器IBM701第一代计算机系统电子管、继电器存储器，用绝缘导线连接CPU（PC，累加器）顺序执行定点运算机器/汇编语言CPU程序控制I/O第二代 晶体管TransistorsReplaced vacuum tubesSmallerCheaperLess heat dissipationSolid State deviceMade from SiliconInvented 1947 at Bell LabsTransistor Based ComputersSecond generation machinesNCR&RCA produced small transistor machinesIBM 7000DEC-1957Produced PDP-1IBM 7030(1961)数据通道多路器世界上第一台通用流水线机器世界上第一台通用流水线机器IBM7030世界上第一台通用流水线机器世界上第一台通用流水线机器IBM7030它采用四级流水它采用四级流水线结构，以使取线结构，以使取指、译码和执行指、译码和执行阶段重叠，从而阶段重叠，从而提高速度。提高速度。DEC PDP-1(1960)Estimated cost=$120,000 分立晶体二极管、三极管、铁氧 体磁芯、用印刷电路互连变址寄存器、浮点运算、多路存储器、I/O处理器带编译程序的高级语言、子程序库、批处理监控程序第二代计算机系统微电子技术的出现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 integration-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 100,000,000 devices on a chip第三代计算机系统主要特征（第三代计算机系统主要特征（IBM360/370，PDP-8）微程序控制开始普及微程序控制开始普及流水线、高速缓存、先行处理机流水线、高速缓存、先行处理机软件上软件上 多道程序设计、分时操作系统多道程序设计、分时操作系统第四代计算机系统主要特征（第四代计算机系统主要特征（IBM3090，VAX9000）出现共享存储器、分布存储器、并行计算机出现共享存储器、分布存储器、并行计算机开发了用于并行处理的多处理操作系统、专用语言开发了用于并行处理的多处理操作系统、专用语言和编译器等和编译器等第五代计算机系统主要特征（第五代计算机系统主要特征（Intel Paragon）进行大规模并行处理、采用可扩展、容许延时的进行大规模并行处理、采用可扩展、容许延时的系统结构系统结构IBM 360 series(第三代)1964Replaced(¬ compatible with)7000 seriesFirst planned“family”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，年，IBM公司宣布了公司宣布了IBM 360系列系列lS/360极强的通用性适用于各方面的用户，它具有360度”全方位的特点，因此得名。lIBM投入了50亿美元的研发费用，远远过制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元lAmdahl和和Blauw等人在介绍等人在介绍IBM360时，提出了时，提出了“系统结系统结构构”这一重要概念。这一重要概念。l采用了微程序技术。采用了微程序技术。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(1973)VAX-11(1981)Micro VAX1976年，年，Cray-1第一台每秒亿次浮点第一台每秒亿次浮点计算能力的计算机。计算能力的计算机。第一台商业化的向量第一台商业化的向量超级计算机。超级计算机。1971年，年，Intel公司开始出售它的第一种微公司开始出售它的第一种微处理器芯片处理器芯片Intel 4004Intel 80X86系列系列 世界最快的计算机世界最快的计算机2001（IBM）2001年宣布制造年宣布制造出全球运算速度最快的超出全球运算速度最快的超级电脑，占地达两个篮球级电脑，占地达两个篮球场之大，重达场之大，重达106吨，它吨，它的运算能力相当于击败国的运算能力相当于击败国际象棋世界级棋手的超级际象棋世界级棋手的超级电脑电脑“深蓝深蓝”的的1000倍，倍，达达7 万亿次。万亿次。2002年世界最快的计算机年世界最快的计算机NEC地球模拟器地球模拟器35万亿次万亿次中国最快的计算机中国最快的计算机曙光曙光3000，4,032亿次亿次联想机群系统，联想机群系统，4万亿次万亿次“曙光曙光4000A”采用采用2560枚美国超微枚美国超微(AMD)公司服务器芯片，公司服务器芯片，10万亿次浮万亿次浮点运算点运算/s。天河一号超级计算机系统进入世界天河一号超级计算机系统进入世界五强五强.我国首台千万亿次超级计算我国首台千万亿次超级计算机系统机系统“天河一号天河一号”，峰值性能每，峰值性能每秒秒1206万亿次双精度浮点运算，万亿次双精度浮点运算，Linpack测试值达每秒测试值达每秒563.1万亿万亿次。是世界上首台次。是世界上首台CPU和和GPU异异构混合千万亿次超级计算机系统。构混合千万亿次超级计算机系统。日本展示日本展示512核芯片，浮点运算每秒核芯片，浮点运算每秒5120亿次亿次Grape DR处理器采用处理器采用90nm制程，由台积电代制程，由台积电代工，尺寸为工，尺寸为1717mm。PB级的异构存储系统级的异构存储系统Growth in CPU Transistor CountEvolution of Single-Chip Micros1970s 1980s 1990s2010 Transistor Count 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 transistors doubles every 18 monthsCost of a chip has remained almost unchangedMooreMoore定律：定律：微处理器内晶体管数每十八个月翻一番。微处理器内晶体管数每十八个月翻一番。BellBell定律：定律：如保持计算能力不变，微处理器的价格每十八个月减少如保持计算能力不变，微处理器的价格每十八个月减少 一半。一半。GilderGilder定律：定律：未来未来2525年里（年里（19961996年预言），主干网带宽将每年预言），主干网带宽将每6 6个月个月 增加一倍。增加一倍。MetcalfeMetcalfe定律：定律：网络价值同网络用户数的平方成正比。网络价值同网络用户数的平方成正比。半导体存储器发展规律：半导体存储器发展规律：DRAMDRAM密度每年增加密度每年增加60%60%，每三年翻四倍。，每三年翻四倍。硬盘存储技术发展规律：硬盘存储技术发展规律：硬盘的密度每年增加约一倍。硬盘的密度每年增加约一倍。硬件发展的硬件发展的6个规律个规律