??? 摘 要：回顧了計算機體系的發展歷程，并分析了計算機體系的發展和技術研究的關鍵: Cell和多核等新型處理結構和可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" title="可重構計算">可重構計算" 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??? 關鍵詞：計算機體系；可重構；多核
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??? 現代計算機的發展歷程可以分為2個時代：串行計算時代和并行計算時代。并行計算是在串行計算的基礎上，由一組處理單元組成，處理單元彼此通過相互之間的通信與協作，共同高速完成一項大規模的計算任務。而每一個計算時代都是從體系結構的發展開始，然后才是基于該結構的系統軟件(特別是編譯器與操作系統)、應用軟件的發展，最后隨著問題求解和發展而達到頂峰。
1 計算機體系的發展歷程
??? 隨著計算技術的發展，計算機體系也在不斷發展變化。20世紀60年代初期，隨著晶體管和磁芯存儲器的出現，處理單元和存儲器實現小型化，并行計算機開始出現。到了20世紀60年代末期，單一處理器中可以集成多個功能單元，產生了流水線技術。該技術與單純提高CPU時鐘頻率相比，大大提高了并行計算機系統的性能。
??? 當時，伊利諾依大學和Burroughs公司開始著手實施Illiac Ⅳ計劃，研制1臺64顆CPU的SIMD主機系統，涉及到相關硬件技術、體系結構、I/O設備、操作系統、程序設計語言，以及包括應用程序在內的眾多研究課題。1975年，隨著一臺規模大大縮小的原型系統(僅使用了16顆CPU)的面世，新的計算技術也得到了發展。
??? 首先是存儲系統的概念，提出了虛擬存儲和緩存的思想，大大提高了計算機的整體性能。其次是半導體存儲器開始代替磁芯存儲器，大大縮小了存儲器的體積并提高了訪存速度。集成電路技術也被廣泛而迅速地應用到計算機技術中。
??? 1976年Cray-1問世，向量計算技術被應用到高性能計算機中。Cray-1對所使用的邏輯電路是經過精心設計的，采用RISC精簡指令集，引入向量寄存器，完成向量運算。
??? 20世紀80年代開始，微處理器技術高速發展。此時，微處理器隨著機器的字長從4位、8位、16位一直增加到32位、64位，其性能也隨之顯著提高。卡內基·梅隆大學提出共享存儲多處理器體系結構，并在當時流行的DEC PDP-11小型計算機的基礎上研制出1臺由16臺PDP-11/40處理機通過交叉開關與16個共享存儲器模塊相連接而成的共享存儲多處理器系統C.mmp。伯克利加州大學對基于SMP方式的總線協議進行擴展，提出了Cache一致性問題的處理方案。從此，C.mmp開創出的共享存儲多處理器體系結構便成為服務器和桌面工作站的主流。
??? 20世紀80年代中期，基于消息傳遞機制的并行計算機開始出現，加州理工學院將64個i8086/i8087處理器通過超立方體互連結構連接起來。此后，便先后出現了Intel iPSC系列、INMOS Transputer系列、Intel Paragon，以及IBM SP的前身Vulcan等基于消息傳遞機制的并行計算機。
??? 20世紀80年代末到20世紀90年代初，共享存儲器方式的大規模并行計算機又獲得了新的發展。IBM將大量早期的RISC微處理器通過蝶形互聯網絡連接起來。斯坦福大學提出DASH計劃，通過維護1個保存有每一緩存塊位置信息的目錄結構來實現分布式共享存儲器的緩存一致性技術，IEEE在此基礎上提出了緩存一致性協議的標準。從20世紀90年代末開始，以前發展的主要幾種體系逐步走向融合，同時隨著新技術的出現又為新的架構帶來了新的革命。
2 Cell和多核等新型處理器結構帶來新的方向
??? 隨著人們對計算機CPU速度的不斷追求和微電子技術的發展及限制，一種新的處理器結構開始出現，它就是Cell和多核架構技術的實現。
??? Cell架構是1個單芯片多核處理單元，處理單元之間共享存儲器資源。與多核處理器不同，Cell主要采用協處理器方式，然后依靠多個處理器并行技術來實現運算速度的提高。盡管存在應用程序難以充分利用的弊病，但是其綜合效率以及功耗控制都非常理想，開創了完全可擴展的架構模式。從而為大型機、服務器、以至包括手機在內的所有消費類電子產品提供1個統一的架構平臺。只需要改變頻率、內核數量等相關參數，即可保證在1個機器上開發、在所有機器上運行，大大節省了軟件移植所帶來的費用。因此，使用Cell的手機完全可以與相應的服務器進行直接溝通和資源共享，從而把這些小資源集合成為一個龐大的計算資源，構成一個真正的信息化時代。在這個資源體系中，每個資源節點可能是微不足道的，但是每個節點的運算都可能被整個資源庫無窮放大，從而構成一個完整的Cell網絡，為消費類電子的信息網絡化帶來真正的革命。
??? 多核處理器的出現則是一場新的計算方式的革命[1，2]。2006 年，處理器開始從單核向多核處理器發展，多核處理器已不再局限于高端服務器，開始向 PC機普及，多核處理器使 PC 機變成并行式計算機。在多核處理器逐漸成為市場主導后，怎樣利用多核的優勢來優化并行程序設計成為一個需要研究和解決的問題。多核設計的出現為摩爾定律轉向基辛格規則帶來了生命力。英特爾推出了雙核、四核至強和雙核安騰處理器，AMD也推出了雙核、四核皓龍芯片，IBM的Power5+芯片也是雙核設計，針對HPC和圖形運算的Cell芯片更是擁有1+8個核，SUN公司的Ultrasparc T1擁有8個核，Clearspeed(96核)、思科NPU（192核）、RIKEN（512核）更是推出了擁有數十個甚至數百個核的芯片，預計到2020年，千核CPU也會誕生。同時，多核技術在高性能計算中也已獲得了廣泛應用。
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3可重構計算技術帶來新的亮點
??? 以前的計算機硬件技術都是固件化的，無法隨著環境的改變而改變，產生大量的電子垃圾，不利于環保經濟的發展，而可重構計算技術的出現則為我們帶來了曙光。可重構計算就是通過實現硬件的可編程技術來滿足不同計算任務的需求，從而達到最佳性能，且要求這種硬件結構的變化能實時地適應計算任務要求的變化。這種體系結構可變的特點，可以滿足實際應用中的多元化需求。實現可重構計算的底層技術有FPGA（現場可編程門陣列）和CPLD編程技術。
??? 在處理器芯片體系結構設計中采用可重構計算技術的基本思想是通過動態配置片上大量的處理單元、存儲單元和互連單元，來支持各種不同類型并行性的計算模型，從而能在一個很寬的應用范圍內達到高性能，提高片上硬件資源的利用率。基于可重構計算技術實現的多型微處理芯片體系結構能夠很好地利用半導體技術發展提供的能力，在解決應用的多樣性問題的同時，還可解決片上資源利用率、設計復雜性、系統可靠性以及降低成本和功耗等多方面的問題。可重構計算技術在處理器芯片設計中的應用改變了傳統的指令集體系結構、微體系結構設計和實現技術。
??? 可重構計算技術[3-5]使計算機硬件的設計不再復雜，硬件不再只是“硬”，也具備“軟”的特性，即硬件可“編程”。在可編程的介質中提供強大的計算能力和密度，使得在單片系統上以低硬件復雜度開發出各種類型的應用, 同時能夠針對應用中固有的并行性特征動態配置多個微體系結構模型，從而大幅度提高計算系統性能、降低功耗和設計的復雜性。
??? 在設計中通常采用“自頂向下”的方法，即把系統分為若干模塊。原則是使得每個模塊有較獨立的功能，模塊之間的耦合盡可能小（通常表現為相互通信盡量簡單）。劃分之后，再分別實現每個模塊，最后把模塊像搭積木似地組裝起來。其中某些模塊可以做成現成的，可供設計時使用，即IP核心，它可以重復使用，從而提高了設計效率。再配合成熟的EDA工具作為設計流程的工具鏈，這樣設計就顯得相對容易。當然相對使用高級語言的軟件編程，仍然是難于設計和缺乏靈活性的，其實IP的思想與軟件的靜態鏈接庫很相似。可以把IP核心封裝成軟件可調用的庫的形式。庫分為靜態庫和動態庫，動態庫允許在程序執行時按需加載和卸載。這相當于硬件在設計運行時，IP核心可以動態地載入和卸出，當然前提是并不破壞原有程序和數據。把IP核心封裝成動態庫，將是可重構計算平臺最為核心的思想。
??? 隨著芯片設計技術的SoC化，如何在1個芯片中集成很多現有的IP核，快速設計系統成為未來研究發展的重點。這時，IP核的可重用性和可更改性就成了最關鍵的技術，而開放源碼的IP核將提供方向。中國有案可查的開放源碼硬件項目是2001年3月啟動的OpenARM項目，在“中國芯”盛行的那幾年里，不少學校和研究單位參考開放源碼的處理器設計了自己的微處理器。這個時期，中國利用開放源碼硬件的資源進行IC設計的方法開始悄然流行。中國工程院院士許居衍的論文《半導體特征循環與可重構芯片》中基于此技術的發展提出 “許氏循環”[3]，半導體產品的主要特征將沿著“通用”與“專用”循環波動，每10年1次，從2018年～2028年，將會重新走向通用。“許氏循環”發展圖如圖2所示。
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??? 許居衍的依據是，因為“可重構計算是1個難度頗大、涉及面甚廣的課題，盡管當前很多人在研究，但是無論在器件結構、系統結構還是在設計方法學方面，均存在不少問題，仍有很長的路要走。可重構計算技術的發展，最終將推動主流應用進入U-SoC通用波動。只通過對‘毛坯芯片’(Raw Chip)的配置編程就可以得到用戶自定義的功能電路，從而引導半導體產業結構演變，最終促進芯片應用創新Designless 模式的興起”。所謂的Designless，就是無需設計、自動生成集成電路，工程師只需要關注應用和功能層面即可。但實現Disignless的前提是必須軟硬件都開放。因為如果只開放軟件，不知硬件細節，還是無法生成一個完整設計。因此，一個邏輯的發展應是“硬”、“軟”均可編程，即算法可編程、可重構器件也可編程的U-SoC。
4 可重構技術與多核技術的融合
??? 自從計算機發明以來，馮·諾依曼體系結構一直占據計算機體系結構的統治地位，科學家和工程師們在此基礎上不斷研究硬件和軟件，使CPU和存儲器技術得到了飛速的發展，也為信息化、網絡化奠定了基礎。隨著人們對信息化的要求越來越高，馮·諾依曼體系結構已經無法滿足人們的技術需求和發展要求，對計算機的要求不再僅僅是高速計算，同時更應具備信息處理和智能升級能力。可重構技術與多核技術的出現為此提供了基礎。筆者認為新的計算機體系結構將是：(1)CPU將不再由1個核組成，而是由多個核組成的Cell；(2)存儲器將不是中心，取而代之的將是信息通路；(3)計算機不再是五大部件，而是由多個信息處理節點構成，每個節點的智能化[5]和集成化越來越高；(4)程序設計將包括軟件和硬件設計，生產商們提供的產品將是一個個封裝好的中間件，作為應用者將勿需關心程序設計，只需要關注專業設計，對于應用者將會更加友好。新的計算機體系結構如圖3所示。
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??? 全文回顧了計算機體系的發展歷程和新技術，并分析了目前計算機體系的發展和技術研究的關鍵: Cell和多核等新型處理結構和可重構計算技術，提出了新的計算機體系結構，為計算機研究和應用提供了參考。
參考文獻
[1] 許居衍，尹勇生.半導體特征循環與可重構芯片[J].嵌入式系統與應用，2005，（2-3）：2-4，（4）：2-5．
[2] 薛小菁,余立民.可重構和多核技術對嵌入式系統設計的影響 計算機工程[J].2008,34(B09):19-21.
[3] CHAKRABARTY.K. SoC (System-on-a-Chip)testing for plug and play test automation[M]. New York : Springer Verlag, 2002.
[4]? LIU Li Min. A prototyping IP hardware for SOPC with single instruction driving[C]. 2006 International Conference on Communications, Circuits and Systems Proceedings, IEEE Press, 2006, 559-562.
[5]? 姚愛紅,張國印,關琳.基于動態可重構FPGA的自演化硬件概述[J].智能系統學報,2008,3 (5): 437-441.