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计算机系统结构的面临问题

课程:计算机系统结构

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现代计算机的发展历程可以分为2个时代:串行计算时代和并行计算时代。并行计算是在串行计算的基础上,由一组处理单元组成,处理单元彼此通过相互之间的通信与协作,共同高速完成一项大规模的计算任务。而每一个计算时代都是从体系结构的发展开始,然后才是基于该结构的系统软件(特别是编译器与操作系统)、应用软件的发展,最后随着问题求解和发展而达到顶峰。

计算机系统在微电子技术的驱动下,在应用需求的牵引下,快速发展。当前,计算机体系结构研究突出表现为微处理器体系结构研究,面临着许多新挑战。由于存储墙效应,微处理器芯片在实际应用中难以提高效率;随着芯片容量增大、频率提高,芯片的可靠性、功耗控制成为热点问题;并行处理技术从典型的高性能并行计算机渗透到单芯片多核处理器,面临大量新的挑战性问题。面向体系结构开展应用算法优化和体系结构支持软件工具的各种技术正在相互融合,新思想、新技术不断涌现,计算机体系结构技术正处于一个迅速变化的时期。

计算机诞生那天起,冯.诺依曼体系结构占据着主导地位,几十年来计算机体系结构理论并没有新理论出现。随着计算机应用范围的迅速扩大,使用计算机解决的问题规模也越来越大,因此对计算机运算速度的要求也越来越高。而改进计算机的体系结构是提高计算机速度的重要途径,从而促进了计算机体系结构的发展,出现了诸如数据流结构、并行逻辑结构、归约结构等新的非冯诺依曼体系结构。

冯.诺依曼体系结构是现代计算机的基础,现在大多计算机仍是冯.诺依曼计算机的组织结构,只是作了一些改进而已,并没有从根本上突破冯体系结构的束缚。冯.诺依曼也因此被人们称为“计算机之父”。然而由于传统冯.诺依曼计算机体系结构天然所具有的局限性,从根本上限制了计算机的发展。

多年来,冯?诺伊曼体系结构为世界众多的科学家精心地构造,而创造了今天的计算机世界。冯?诺伊曼的伟大发明,其核心有三点:

二进制;

存储模型;

一个时刻只有一个操作的串行机制。

虽然在计算机界,众多的国家和科研机构、著名的专家在研究多值理论,但至今没有突破二进制的体系。人们利用了很多存储管理的软件技术和方法,力图将一维的存储模型改为二维的,但仍然没有逃出冯氏存储模型,没有逃脱存储的本质是寄存器的结构。但问题在于人们所迫切希望在一个操作时刻有大量的并行操作,由于冯?诺伊曼体系所依据的人类操作行为中的串行相关性机理束缚,使得在串行机制上进行新的突破将十分困难。主要表现在:

操作瓶颈制约:因为冯?诺伊曼体系结构本质包括串行性、顺序性的控制机理。对数据相关和资源的控制和仲裁均是人为决定。因此构成了时间和空间的极大开销,造成冯氏数据流的拥塞,即为大家熟知的冯?诺伊曼瓶颈问题。

算法的制约:冯氏体系的很大贡献在于将所有应用问题建立在四则运算和逻

辑运算的组合算法,并以寄存器为基本模型的存储体系上,但它在基本操作的控制上仍是一种串行机制,不具备构造一个并行算法的基础。在串行的模型上去建立并行算法,必定会带来本质的困难和效率的损失。

存储模型的制约:存储模型在冯?诺伊曼体系结构当中是一种被动式的访问机制,不能真正地体现人类在并行操作行为中经常反映的无破坏性操作和平等交互赋值运行的需求,因此冯?诺伊曼的存储模型结构仅能在运行时以空间为代价进行复制或以时间为代价进行选择来替代这种制约。这将对提高信息处理能力有很大的限制。

无论是体系还是体系,它们本质上都属于冯?诺伊曼体系结构范畴,只是在指令界面的特征上有所区别而已,因此它们的固有缺陷再所难免。

由于超大规模集成电路的发展,在今天物理器件的发展愈来愈趋近于极限,设计方法也受到极大的约束的条件下,世纪的计算机究竟是什么样呢?究竟应该从哪一个技术领域来进行突破,使得人们能站在冯?诺伊曼计算机的基础上有一个新的飞跃和新的发展呢?这是诸多科学家都在着手寻求答案的问题。

对并行体系结构的研究。众所周知,在计算机领域中,并行是实现计算能力突破的根本手段。由于与并行体系结构相对的是当前使用的串行结构,串行结构上的效率提升始终不是无限制的,而在嵌入式领域中,专用的并行结构在当前的技术条件下提升性能和功耗效率已经达到10-1000倍。所以,现在不少商业通用处理器在生产上已经倾向于转向多处理器体系结构,或者CMP,或者SMT,或者二者兼而有之,而不是仅仅只试图提高单一处理器的IPC,这是一个很大的转变。

然而,并行应用程序的开发是一个缓慢而且费心的过程。只有那些有巨大的计算需求或者有严格的预算和功耗限制的人才会去开发。虽然目前很多关于并行编译器和软件开发工具的研究会对设计可用的并行系统有益,但是只有为并行软件设计出更好的并行系统,才是关键所在。一些早期的研究为新的并行体系结构作了尝试。原始的数

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