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文档简介
计算机系统结构现状与发展 1 内容提要 计算机系统结构四个层次的认识国内系统结构研究的现状华中科技大学计算机系统结构学科介绍国内系统结构学科发展机会何在 2 计算机系统结构四个层次的认识 哲学 信息与数字数字的力量科学 后图灵理论软硬件的新定义 软硬件互动现象 终极信念技术 系统结构的AIPSN三角形处理 存储 传输技术前沿与走向应用 无所不在的计算与后台支持 流式多媒体是未来应用的方向 3 哲学层次 信息与数字 为什么信息化等于数字化 数字的极其强大的表达信息的能力系统结构 研究对数字进行操作的机器系统 计算机的结构 4 人类自然信息状态 不借助任何工具和技术的状态 输入 获取 看 听 闻 尝 感处理 大脑 世间最强大的处理器传输 声音 手势存储 大脑输出 表达 语言 手势 表情自然状态的不足 5 信息技术与工具 和人类发明了机械和交通技术和工具一样 主要是材料和能量技术 人类也发明了非常丰富多彩的信息技术和工具 输入 获取 望远镜 传感器 发展较晚 处理 算筹 算盘 计算器 计算机传输 烽火台 旗语 鼓语 邮递 书籍 交通 电报 电话 无线电 电视 Internet存储 结绳计数 文字 绘画 纸和印刷 非常伟大的发明 现代技术很多方面都没有超过它 照相 录音 录像 数字存储输出 表达 文字 绘画 声音 音响 图形 图像 显示技术 包括电影电视 6 现象 九九归一 数字化大潮 世纪之交的技术大转移 数字化大转移时间 世纪之交前后50年50年前开始 50年后成熟 信息领域数字技术一统天下目前正是转移的高峰期 计算机与Internet 数字控制 数字录音 数据通讯 目前主干 即将用户 数字电视 数字广播 数字相机 数字摄像 数字城市 数字流域 数字地球 数字化生存50年后 不是数字的信息产品很难见到 成熟 7 信息统一于数字 8 潜在的真理WHY 电 是人类至今为止找到的最佳能量媒介 电统治了能量领域 终于找到了 bit 是人类至今为止找到的最佳信息媒介 信息统一于数字 9 数字的力量thepowerofdata 1 可表达各种信息形式 人能接受的信息 文字 声音 图形 图像 视频 触觉 嗅觉 味觉 机器能接受的信息 电流 电压等 比特 强大的表达能力 2 可表达人的思想 办法 事物的规律 程序的力量 3 可用单一的形式进行处理 传输 存储 实现的简单性 任何信息设备都是相似的 10 与数学的比较 数学是抽象描述客观世界的静态符号系统 比特 在计算机的操作下 成为客观世界动态的符号系统 bit 表达信息的范围 数学表达信息的范围所以 计算机始于计算 但高于计算计算机真正的能力在于对 bit 进行操作 有步骤的处理 传输 存储 11 科学层次 计算科学的开山之作 图灵机模型 12 图灵理论 希尔伯特问 存不存在一个解决所有数学问题的一般算法 图灵答道 有 图灵理论的俗解 如果不考虑时间 只要对bit进行处理 移动 存储操作 就能解决任何数学计算问题 这个理论指明了bit的强大功能 也包含了计算机的设计思想 13 后图灵理论 只要对bit进行处理 传输 存储 就能解决几乎一切信息问题 系统结构的信念 只要处理 传输速度足够快 存储容量足够大 一切信息问题都能解决 存在着这样的可能性 这个结论给我们一个信念 数字化信息世界一定能实现 14 硬件 软件的新定义 硬件 转换域硬件 1 将各种形式的信息转换为数字信息 2 将数字信息转换为各种形式的信息 图像 声音 文字输入输出设备 数字域硬件 对数字进行处理 传输 和存储的硬件 计算机系统结构研究的对象 15 数字域的三种操作 处理 对数字进行改变性操作CPU DSP ASIC 逻辑电路传输 对数据进行有目的的移动操作总线 网络 机器内部网 LAN WAN INTERNET 无线网络 存储 对数据进行不变性的保存RAM ROM FLASH 硬盘 光盘 存储系统 RAID NAS SAN 16 软件新定义 可运行的 思想和内容的数字化思想 算法 规律 办法 由程序承担 内容 图形 图像 数据 声音 文字等 17 所有的硬件都是相似的 软件则各有各的不同 各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏各个领域都有自己的软件 但也有共性软件 这就是我们从事计算机行业的人要干的事 系统软件 OS 数据库 普遍使用的应用软件 18 软硬件独立原理和互动原理 独立原理 软件理论上能实现的功能本质上与硬件是独立的 不管硬件是何种形式 互动原理 软件实际能实现的功能受制于硬件 硬件发展一个台阶 软件就能发展一大步 19 终极信念 数字表示信息的能力是极为强大的最强大之处在于表达人的思想人的思想是无限的所以 利用数字进行创造的可能性也是无限的只要足够快 就能实现某种创造历史的回顾跟随法与超前法 20 计算机系统结构的总趋势 加快处理的速度加快传输的速度加大存储的容量和加快存储的速度加快 1 器件快2 结构快 系统结构研究的课题 21 工程层次 利用已有的器件技术 在一定的价格限制下 设计出性能最好的计算机 系统结构的任务 计算机 数字操作机器件的变化 机械 继电器 电子管 晶体管 集成电路 LSI VLSI ULSI 量子计算机 光计算机 生物计算机 22 A P S N I 系统结构AIPSN图 23 系统结构AIPSN图总目标 加速Acceleration A Architecture Amdalh slawI Instruction InterfaceP Processing ParallelS Storage SystemN Network coNnection 24 硬件前沿 处理以处理器的发展为核心发展动力 1 晶体管数按摩尔定律增加2 频率提高过去水平 1978 Intel8086 3微米工艺 2 9万个晶体管 6MHz目前水平 2001 Alpha21464 0 125微米工艺 25000万个晶体管 大与2GHz将来水平 2005 10亿晶体管 频率 25 处理器芯片内的技术 现有技术 以指令级并行技术为主流水线 指令流水线 数据流水线超标量 多套部件 片内SIMD VLIW后RISC 多媒体扩展指令前沿技术 多个处理核心集成在单个芯片中 26 摩尔定律 Moore sLaw 假设价格保持不变 处理器芯片上的晶体管数每18个月翻一番1979 2001 22年精确的符合还要符合10年以上印度舍汉姆国王与大臣的故事 64方格棋 最后一个方格放18446744073709551615粒麦子 20位数 要数5840亿年 27 世界第一台电子计算机ENIAC 18000个晶体管70000电阻器18000电容器30吨 28 V IRAM1 0 25 m FastLogic 200MHz1 6GFLOPS 64b 6 4GOPS 16b 16MB MemoryCrossbarSwitch M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M VectorRegisters x Load Store 16KIcache 16KDcache 2 waySuperscalar Vector Processor 4x64 4x64 4x64 4x64 4x64 4x64or8x32or16x16 4x64 4x64 Queue Instruction SerialI O 29 处理能力的需求无止境 科学计算 商业应用 网络应用对计算能力的需求是单个处理器所无法满足的解决办法 系统技术并性处理 多处理器 SMP cc NUMA 多计算机 MPP CLUSTER GRID 30 无所不在的计算PervasiveComputing 计算机发展的特点 1 无所不在的含有智能的小装置 2 支持服务的后台巨型计算机 31 将来的处理技术 量子计算 最令人鼓舞的进展 光计算 目前状况 速度快 集成度低 生物计算 DNA计算机 起步阶段 32 存储的前沿 半导体存储 RAM ROM FLASH的高速发展目前硬盘存储 100GB2万转 分实验室水平 一道一G 33 存储前沿 续 光存储 CD ROM DVD MO近场光记录 全息存储 34 数字化信息的增长趋势 爆炸性增长 主要爆发点 多媒体 Internet 容量需求不断的增长 可扩展性需求 35 70 s80 s90 s00 s10 s 数据信息爆炸式增长 36 典型的存储容量需求挑战 从现在起的18个月内 新的存储量等于有史以来老的存储量之和 1998年图灵奖获得者JimGray 37 性能 瓶颈的转移应用的转移 共享处理机 共享存储器里的数据Makethecommoncasefast 38 网站的存储 几十万用户同时点击到一个站点去获得海量存储系统中的信息 WWW worldwideweb变为worldwidewait 39 数据是最宝贵的财富 对很多领域 数据是比硬件设备宝贵得多的资源 银行 电信 保险 电子商务 网站 企业信息 信息安全 数据备份 灾难恢复 40 现有的存储体系结构 Directattatchedstorage DAS 直连存储Centralizedstorage集中式存储Network attatchedstorage NAS 附网存储Storageareanetworks SANs 存域网 41 Direct attachedstorage DAS 直连存储结构图 42 Centralizedstorage集中式存储结构图 43 Network Attachedstorage NAS 附网存储结构图 44 StorageAreaNetworks SAN 存域网结构图 45 SAN的构成 IBM SUN SymmetrixStorage HubS10 L10 SwitchF16 IntegratedManagement HPJBOD s Arrays TapeLibraries NT BridgeFC4 2 HighSpeedNetwork HPUXServers Servers SAN StorageDevices FC10 FC30 12H MC256 HPEQUATIONARCHITECTURE HPSureSpan 46 传输前沿 宽带网络主干网已完全光纤化 传输容量10 100Tbps 路由交换10G 1Tbps 接入网的瓶颈正在攻克 xDSL ISDN Cablemodem FTTH Internetmovie 无线网方兴未艾 视频手机 移动计算 Bluetooth技术 47 不同的应用对计算机的要求是很不一样的科学计算 浮点性能商业应用 事务处理能力网络服务 响应时间 传输能力通用机 综合性能不同的应用要用不同类型和不同系统结构的计算机 应用层次 48 软件前沿 1 以INTERNET为平台的软件Microsoft NET I软件 InternetInside JAVA GRID2 智能软件智能人机界面 语音识别 自然语言理解 手势识别 3 多媒体与虚拟现实软件多媒体表达 多媒体查询 VR互动 bethere 三维全息实体显示 49 系统结构未来几年的热点 移动多媒体计算1 无所不在的小装置2 强大的后台支持结构 50 小结 哲学层次 数字与信息的关系科学层次 后图灵原理 认识 bit 强大的力量工程层次 系统结构研究的内容如何设计高性能的计算机应用层次 计算机的设计及结构特点与应用紧密相关 51 国际系统结构的研究单位 大学 UCB CMU MIT STANFORD著名公司 IBM SUN HP COMPAQ 52 国内计算机系统结构研究现状 高等院校 国防科技大学 全国重点学科 银河清华大学 全国重点学科 华中科大 全国重点学科 哈工大 西交大 上交大研究所 中科院国家高性能计算中心 曙光 总参56所 神州 53 华中科技大学系统结构学科 一 存储系统结构 1 并行存储系统 RAID 2 网络存储系统 NAS SAN 3 存储安全 数据备份与灾难恢复4 超大容量超高密度新型存储技术
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