论小型机的发展历程.doc

中共北京市委党校10 级本科班学员毕业论文（设计）专 业 学 号 姓 名 工作单位 职 务 成 绩 论小型机的发展过程摘要：本文主要介绍了小型机的发展历程，包括国内、国外的发展历程，以及各个时期经典小型机的代表，如国外IBM的power系列已经国内曙光公司的天演系列。另外从小型机本身进行了分析，依次从小型机的操作界面、硬件、和网络功能等几个方面进行了介绍。操作界面方面主要介绍了字符终端和X-windows终端。硬件主要从CPU、存储设备和接口三个方面进行了介绍。网络功能主要从速度和安全方面进行了分析。关键词：小型机 power系列 天演 小型机终端 小型机硬件 小型机网卡 引言4一小型机和小型机历史41.1小型机的概念41.2国外小型机的代表51.3国内小型机的代表61.4小型机的应用及现状7二. 小型机的操作界面发展72.1 字符终端72.2 X-windows终端8三小型机的硬件发展83.1 CPU83.2 存储设备93.3 标准接口9四小型机的网络功能发展104.1网卡的速度104.2网卡的安全性10五.我国的小型计算机与国外的差距11六.结语11引言 1946年2月，第一台计算机在美国诞生，从此，拉开了新技术革命的序幕。经过半个多世纪的发展，计算机技术不断进步。大致可以分为以下几个阶段：1946年至1958年，这段时期内的计算机主要采用电子管技术，程序语言也采用与硬件相关度很高的机器语言或汇编语言，主要用途是国防和科学计算，运算速度较慢，大约为每秒几千次到几万次。1958年至1964年，在此期间，工业技术的进步，使得电子管逐渐退出，取而代之的是大量采用晶体管，伴随着硬件技术的发展，这一时期，出现了操作系统和算法语言，运算速度也得到大幅提高，达到几万次至几十万次。1964年至1971年，此阶段的计算机，普遍采用集成电路技术，使得计算机的体积大幅缩小，运算速度却更快，达到几百万次。1971年至今，普遍采用了大规模集成电路，运算速度更是达到数千万次甚至亿次。本文主要介绍的是小型机的发展，首先要明确一个概念，什么是小型机？很多人初次看到此概念可能会以为是PC或者微型计算机，其实这是错误的理解。小型机是介于PC和大型机之间的计算机。经常作为unix服务器。所以很少有人见到过，但是它又在当今社会中发挥着巨大的作用。下面，我们将从小型机的几个方面进行详细介绍。一小型机和小型机历史1.1小型机的概念小型机是指采用8-32颗处理器，性能和价格介于PC服务器和大型主机之间的一种高性能 64 位计算机。国外小型机对应英文名是minicomputer和midrange computer。midrange computer是相对于大型主机和微型机而言，该词汇被国内一些教材误译为中型机，minicomputer一词是由DEC公司于1965年创造。在中国，小型机习惯上用来指UNIX服务器。1971年贝尔实验室发布多任务多用户操作系统UNIX，随后被一些商业公司采用，成为后来服务器的主流操作系统。在国外，小型机是一个已经过时的名词，60年代由DEC（数字设备公司）公司首先开发，并于90年代消失由于小型机较少出现在人们平时的生活工作中，所以往往给人以神秘的感觉。其实从发展的历史来说，小型机也确实有着悠久的历史。而且小型机所采用的操作系统以及硬件技术都比较高端。说起小型机，也许人们还不太熟悉，但要说起UNIX服务器，相信就有不少人知道了，其实UNIX服务器就是小型机。在如今，图形界面操作系统迅猛发展，windows使得计算机操作接近于傻瓜式操作。开源的linux更是蓬勃发展，大有与windows分庭抗礼之势，这种局面都使得小型机远离了人们的视线。另外一方面，由于云计算技术及分布式技术的不断成熟，对unix服务器也产生了一定的冲击。说到小型机就不能不提IBM，图1是IBM的服务器体系图。 图1从图1中不难看出，小型机的性能和出货量都介于大型机和PC服务器的中间。填补了大型机和PC服务器之间的真空地带。1.2国外小型机的代表说到国外的小型机，比较知名的有IBM,HP，DELL,SUN等几个公司的产品。其中最耳熟能详的莫过于IBM公司生产的Power系列。Power系列的前身是801，801是一种很简单的机型，要求所有的操作必须在一个时钟周期内完成。但是由于浮点运算和并行运算要求多个周期，所以801对这些运算有点力不从心，为了增强其功能，IBM为801系统新添加了100多条新的指令，使其指令集复杂度大大增加。Power系列小型机始于1990年，发展至今大概每三年左右更新一代，分别有Power1、Power2、Power3、Power4、Power5、Power6、Power7。Power1系列发布于1990年，每个芯片大约集成了八十万的晶体管。Power1从一开始就有很好的扩展功能，因为它的设计遵从模块化的结构，专门的模块负责专门的功能。也就是同一块处理器上集成了多个芯片，不过没过多久，这些功能就集成到一个芯片上了。Power2发布于1993年，每个芯片封装了一千五百万个晶体管。增加了两个个浮点单元处理（floating-point unit，FPU）和更多的缓存。被称为P2SC（Power 2 Scalable Chip）的超级芯片使用CMOS-6S技术，用一个芯片实现了POWER2 8个内核的架构（从这里你可以看到其实在1993年IBM就已经开始了多核芯片的设计，其实如果囊括大型机，在20世纪80年代，就有了多核的概念），就是使用这种处理器的32个节点的DEEP BLUE（深蓝）超级计算机，在1997年战胜了国际象棋冠军卡斯帕罗夫。Power3发布于1998年，采用了64位的对称多处理器结构。由于性能卓越，广泛应用于科学技术，天气预报，气象研究等科学领域。于Power2相比，成本几乎相当的情况下，性能提高了近一倍。Power4诞生于2001年，每个芯片集成的晶体管数量达到了惊人的1.74亿。这款处理器的主频达到GHz以上。制作工艺也十分先进，铜导线只有180纳米，并且采用硅绝缘技术。这款处理器完全兼容Power3。同时Power4也是第一个采用双核设计的处理器，每个核都有一个超过1GHz的芯片。Power5在2004年发布。采用了与前两代处理器相同的设计，同时采用Power和Power PC架构。由于SMT（同时多线程技术）和芯片多处理技术及片内通信技术的大量应用，Power5比power4的性能高出近4倍左右。Power6发布于2007年。主频4.7GHz，最高可超过5GHz。Power采用了一些新技术，比如把控制总线和芯片内通信集成在同一芯片。另外采用cache缓存机制和多内核之间的通信。另外，第一次实现十进制计算。这一新技术的采用降低了二进制和十进制之间转换的误差，同时也提高了运算速度。Power7，最新的power系列服务器，也是迄今为止性能最强的power服务器，发布于2010年2月8日。Power7系列内核数十power6的四倍，运行的线程数比power6多8倍，整体性能比power6高出近一倍。Power7系列依然采用RISC技术。告别POWER6的65纳米工艺，POWER7采用的是IBM最新45纳米Silicon-on-Insulator、铜互连工艺技术，并通过创新的eDRAM实现了大容量的片上L3缓存。一颗POWER7处理器在567平方毫米的芯片上集成了12亿个晶体管，拥有8个处理器内核，带有12个执行单元、每核256KB L2缓存和32MB共享片上L3缓存，主频在3.0-4.14GHz之间。POWER7明显更加智能、更加灵活，内核数、主频、功耗、缓存等方面均可以根据应用负载的需求进行动态调节，而这主要得益于IBM在智能缓存、智能功耗、智能线程、TurboCore等方面的创新。1.3国内小型机的代表随着经济的不断发展，虽然国外厂商的服务器产品依然在市场上占绝对主导地位，但是国内的品牌也在不断发展，主要有浪潮，曙光，宝德三家。浪潮的特点是根据不同的需求提供不同的解决方案，主要有功能化，专门化，定制化三种方式。不过浪潮由于与intel合作很紧密，产品种类过于单一。曙光作为一家中国企业，更好地结合国内实际情况，对于国内用户所提供的解决方案并不比国外同类厂商差。宝德公司是国内的另一个重要的服务器厂商，其生产规模在亚洲地区处于领先地位。尤其是四核技术具有国际领先水平。主要的业务是高端服务器，相应来说小型机比重较少，不足也是产品过于单一。在国内的小型机市场中，自从90年代浪潮推出SMP20000，SMP30000后等基于英特尔处理器的小型机之后，国内多年再无同类的新产品问世，直至2005年，曙光公司高调推出了一款新型小型机-天演系列第二代小型机，包括三款四路双核系统天演EP420、EP430、EP480和一款八路双核系统天演EP850，全部支持SUN Solaris、LIUNX、Windows操作系统。此种机型的价格只有传统国外厂商机型的一半左右，但功能上毫不逊色。这款处理器采用AMD皓龙800系列处理器，并且是八颗并行，内存容量可以扩充到128G。并且采用多通道、多冗余体系结构和高速I/O设计，具有超强的运算能力。跟传统小型机相比，曙光二代小型机除支持Solaris、Windows外，还支持众多的LINUX类操作系统，满足越来越广泛的LINUX应用需求；采用通用型产品设计，从硬件层、操作系统层和应用层大大降低管理难度，天演8路小型机EP850的管理难度仅同双路或四路PC服务器相当；由于支持广泛的X86应用，可以轻松实现目前90%的应用移植；遵循工业标准设计，使其维护和升级扩展非常方便，不再受单一硬件厂商发展的制约。1.4小型机的应用及现状2010年中国服务器及工作站产品总销售量达到331.23万台，其中PC服务器为298.20万台，占90%左右，而RISC服务器仅有33.03万台，仅占10%左右。从销量来看，这个市场规模并不诱人。但从销售额来看，情况却是截然相反。2004年中国服务器及工作站产品总销售额为1084.2亿元人民币，RISC服务器为485.6亿，占到了47.1%，将近一半，而PC服务器仅占到36.4%。RISC服务器以10%的销量却占据了近一半的销售额，可想这碗水有多深！这也说明，跟PC服务器相比，RISC服务器的价格简直奇高无比，存在令人难以想象的巨额暴利空间。而这跟该市场被少数几家国外厂商垄断，缺少国内竞争力量存在最直接的关系。由于RISC服务器采用专用的处理器、部件、甚至操作系统和应用软件，相互之间并不兼容，加上国外厂商进入中国市场早，控制了相当的行业用户，导致用户一旦采用某厂家的小型机后，就很难摆脱高额投资的恶性循环。然而，在中国市场，PC服务器和RISC服务器之间的较量仍然存在极大的不平衡性，传统小型机的封闭严重阻碍了新技术向各行业的推广应用，而其高额投资也导致中国流失了大量外汇，不利于中国这样一个发展中国家走低成本信息化的道路。在这一背景下，曙光推出基于开放架构、符合工业标准、更具性价比的新型小型机，无疑是为业界带来了福音。显然，传统小型机正处在内忧外患的困境中，自成一体的封闭架构带来了非常优秀的安全性和稳定性，造就了昔日的辉煌，但也同样面临着越来越多用户的不满和市场日益萎缩的颓势。计世资讯最近公布的中国UNIX用户研究报告预测，2011年中国UNIX服务器市场收入将首次出现负增长。目前，Unix面临封闭性、高成本性和不确定性三大挑战，已经有部分用户开始考虑原基于UNIX系统的迁移，尤其是在边缘的业务应用上。对UNIX最直接的影响，就是冲击低端、中端的UNIX服务器的市场。二. 小型机的操作界面发展机器处理的信息来自于人类社会，机器接收人的指令处理信息为人类服务。那么机器之间如何沟通体现会机器如何接收人的指令以及把处理结果以何种形式呈现给用户。从计算机发展的历史来看，人机界面逐渐从字符型向图形化发展，友好程度提高非常快。人们非常熟悉的windows系列操作系统就是一个很好的人机界面。但windows主要是应用于个人电脑，和本文所讨论的小型机有很大差别。提到小型机，就不能不提它的操作界面，因为它非常重要，直接关系到人机交互的效率以及信息的安全问题。2.1 字符终端早期的计算机主要应用于科学计算，信息共享，科学实验，使用计算机的人大多数是专业人士，所以这时候的用户并不需要太友好的操作界面。另一个原因是机器最终只认识机器语言，通过图形化界面发的指令最终还是要转换为机器识别的机器码，转换的过程也需要耗费相应的资源，所以，对于专业人士来说，通过字符终端直接给机器发送命令效率要比图形界面高的多。机器返回的结果专业人士也很容易看懂，没有机器码于图形直接的相互转换这一过程，效率显然要比有转换过程的高。任何事物都有两面性，字符终端在给专业人士提供便利的时候，也给非专业人士带来极大的不便。因为随着新技术革命的推动，人类社会逐步步入信息社会，个人计算机甚至小型机早已不是专家、学者这类专业人士的专利，越来越多的人需要使用计算机，但是字符终端的人机界面又极为不友好。这都严重阻碍了计算机技术的发展。在这种情况下，字符终端的局面必须得到改善。前面已提及了，更多的人需要更加友好的界面，但并不是说要摒弃字符终端界面，因为对于计算机专业人士来说，字符终端的高效仍然有着极高的诱惑力，所以大多数小型机依然保留着字符终端。另外，从安全方面考虑，小型机采用字符终端是非常必要的，因为小型机多数用作于服务器，服务器里通常运行着重要程序或者保存有重要信息。如果采用图形界面，而管理计算机的人又是一个非专业人士，很快能误操作导致程序运行异常获知导致重要数据丢失。这两种后果都不堪设想。基于安全的考虑，目前大多数小型机的应用依然采用字符终端，并且通常显示器也没用。2.2 X-windows终端X-windows终端的出现是应用和需求之间发展的必然。X-windows系统最初由麻省理工学院研究开发，目的是提供给用户友好的操作界面。其原理是采用位图的形式以图形的方式展现程序的运行状态。具体包括程序的启动、程序关闭、搜索信息、文件管理、系统管理、磁盘管理、网络应用管理等等操作。通过X-windows终端普通用户可以方便地应用计算机。向计算机发送各种指令。图形界面最初是应用于个人计算机之上，不过由于其简单方便的特性，目前各类小型机也普遍采用，包括sun soloris，UNIX，类UNIX系统也都大量采用X-windows套件。给用户提供方便。下面拿linux系统来做个对比，假如用户想通过查询一下主机的网络配置信息，如果通过字符终端，只需要发送一个ifconfig的指令即可，这时指令调用内核功能模块列出网络配置信息展现给用户，分别包括本机IP地址，子网掩码，默认网关，物理地址，DNS服务器地址等等。但是如果通过X-windows图形界面查询的话，就到找到网络连接选项，然后查看其属性中的各项信息，比较繁琐。另外如果想删除掉目录dir1和目录dir2下面的所有以小写字母开头的文件，用字符终端的话只需要一条指令 “rm rf a-z dir1 dir2” 就可以实现，但是如果通过图像界面的话就太麻烦了，需要一个一个的去查找然后删除。也许从这两个例子来砍似乎字符终端更好一些，但是有一个前提就是能使用字符终端的都是对计算机的运行原理和架构非常熟悉的，是经过长时间学习的。如果要求普通用户也去学这些东西，是非常浪费时间的，所以对于普通用户的普通需求，X-windows是个非常好的选择。当然，遇到特殊的需求，还是需要请教专业人士。三小型机的硬件发展 此章节介绍一下小型机在过去几十年间的关键硬件发展历程。硬件是软件的载体，软件管理硬件，决定计算机性能的最终指标还是要看硬件的性能。3.1 CPUCPU，又称重要处理器。毫无疑问，CPU是计算机最核心的部件。无论是大型计算机，小型机，个人电脑PC，还是微型机，拥有一个高性能的CPU是其高性能的基础。小型机的发展始于80年代，CPU的发展也经历了二十多年。小型机开始普及的时候，大规模集成电路技术已经非常成熟。所以第一代的小型机CPU就具有相当高的性能，集成100万级的晶体管。并且采用模块化的设计结构。专门的功能由专门的模块负责处理。随后，大概每3年为一个周期，性能以每个周期增加一倍左右的速度向前发展。随后出现了双核的CPU，双核CPU在小型机上的应用使得并发能力和运算速度得到明显改善。这是CPU历史上的一次重要进步和技术革新，在双核的情况下，使得CPU在同一时刻可以执行两个计算，时间片的划分也可以更加合理，对于某些实时性很高并且需要在多个时间周期内完成的运算这是一个很好的选择。级双核之后，CPU在并行的道路上继续发展，先后出现了四核和八核，四核和八核在小型机的CPU上运用的较多。在普通的个人电脑PC上运用的较少，原因之一是个人电脑PC没有这么高的需求。3.2 存储设备存储设备包括两方面，及主存和外设存储器，即通常我们所指的内存和硬盘。学过计算机组成原理的都应该明白，计算机可以有多大的内存是和计算机的寻址位数相关的。早期的小型机一般采用八位或者十六位的技术，所以寻址空间相对较小。所以内存也相对较小，如果想加大内存的容量，只能通过并行的方式。而随着32位技术的逐渐推广，目前的主存容量普遍可以达到4G，国内曙光公司发布的天演二代小型机由于采用了64位技术，内存容量甚至可以扩充到128G。内存的大小也是小型机性能的一个重要参数。因为只有高性能的CPU是不行的，因为就算计算速度再快，也是需要把数据取到内存中再计算的，如果内存容量不够，则需要内存频繁的与外存进行数据交换，由于外存的存储速度远低于内存，这时外存就会成为影响小型机性能的瓶颈。3.3 标准接口小型机中应用的比较广泛的标准接口是SCSI（small computer system interface）。SCSI广泛应用于光驱、扫描仪、磁带机等外设上，通常用作小型机服务器的存储设备接口。SSCSI-1是最原始的版本，异步传输时的频率为3MB/S，同步传输时的频率为5MB/s。虽然现在几乎被淘汰，但还会使用在一些扫描仪和内部ZIP驱动器中，采用的是25针接口。SCSI-2有被称为FastSCSI，它在SCSI-1的基础上做出了很大的改进，还增加了可靠性，数据传输率被提高到了10MB/s，仍旧使用8位的并行数据传输，还是最多7个设备。后来又进行了改进，推出了支持16位并行数据传输的WIDE-SCSI-2（宽带）和FAST-WIDE-SCSI-2（快速宽带），其中WIDE-SCSI-2的数据传输率并没有提高，只是改用16位传输；而FAST-WIDE-SCSI-2则是把数据传输率提高到了20MB/s。1997年推出了Ultra2SCSI（Fast40）标准版本，其数据通道宽度仍为8位，但其采用了LVD（LowVoltageDifferential，低电平微分）传输模式，传输速率为40MB/s，允许接口电缆的最长为12米，大大增加了设备的灵活性，支持同时挂接15个装置。随后其推出了WIDEULTRA2SCSI接口标准，它采用16位数据通道带宽，最高传输速率可达80MB/S，允许接口电缆的最长为12米，同样支持同时挂接15个装置，大大增加了设备的灵活性。SCSI是一种不断前进的技术，加入的规格有FibreChannelSCSI、IEEE1394（Firewire，火线）和SCSI3（160MB/秒），即将诞生的有SCSI4（320MB/秒）和SCSI5（640MB/秒）。从SCSI3开始，SCSI能按照需要快速地提高性能，并拥有近乎完美的向后兼容性，保护了用户的投资。随了速度的日益提升之外，SCSI也开始注重易用性，采用CAM（CommonAccessModel，公共存取模型）在众多SCSI命令集和程序调节之间加入了一个控制层，使SCSI的编程更为方便。科学的进步会把SCSI带上一个又一个技术高峰，未来的SCSI会变得更便宜更好用。四小型机的网络功能发展小型机的主要应用是服务器。而服务器最主要的功能就是提供网络服务，所以对于小型机来说，网卡性能的好坏直接决定了小型机的整体性能。如果网卡不行的话，再强劲的CPU也没用用武之地。4.1网卡的速度与个人电脑PC不同，PC连接互联网只需要一块网卡即可，但是小型机不行，因为小型机提供的网络服务对网络要求极高。普通的PC用的网卡有10M、100M、10/100M自适应三种类型的网卡，目前来说，10M的网卡已经退出了历史舞台，应用较多的是10/100M自适应的网卡。但这样的带宽对于服务器来说远远不够，服务器的网卡要求至少1000M的带宽才能保证提供服务的响应速度。对于作为网站服务器或数据库服务器等大访问量的小型机来说，单一的千兆网卡依然无法满足需求，这时需要并行多个网卡来保证网络的流程。另一个方面，对于普通pc来说，网卡监听网口以及接受数据等操作并不是网卡本身所有的功能，而是由CPU来完成的，对于PC来说，这也许是合理的，因为PC的CPU大多数时候并不太忙。而对于小型机来说却有极大差异。因为作为小型机的服务器需要处理大量的访问请求及服务程序，一直处于忙碌的状态，如果这时候还需要分出多余的时间处理网卡的监听及接受功能的话，会对小型机的CPU造成很大影响，所以目前应用于小型机的网卡大多带有内部控制芯片，可以处理简单的功能，为CPU腾出更多的空闲时间。4.2网卡的安全性网络的安全性对于主要提供网络服务的小型机来说极为重要。常见的网络问题有网线故障、集线器或路由器故障、网卡故障等等，其中每一个故障都有引起网络瘫痪的可能。其中网卡就是很关键的一环。目前加强网卡安全性的措施主要有三种，分别是网络出错冗余ATF(adapter fault tolerance)、网卡负载平衡ALB(adapter load balancing)、快速以太网通道(fast ether chann