1.1 計算機的發展及其分類

1.1.1 計算機的發展

自1946年第一臺電子計算機誕生以來，計算機技術在60余年的時間里得到了突飛猛進的發展。今天，價值不到500美元的個人計算機就比1985年花100多萬美元購買的大型計算機具有更高的性能、更大的存儲器和磁盤空間。計算機的高速發展不僅在于器件技術的進步，更離不開計算機系統結構的創新。

在大規模集成電路出現之前，器件的發展和對馮·諾依曼系統結構的改進使計算機性能大約以每年25%的速度提高。20世紀70年代，VLSI（超大規模集成電路）技術和微處理器的出現加速了計算機的發展，其性能約以每年35%的速度提高，并逐步轉向以微處理器為基礎來組成計算機系統。在軟件上，人們已極少使用匯編語言對計算機進行編程，從而降低了目標代碼兼容性的要求。通用、跨平臺操作系統如UNIX和Linux的出現與發展，使得新的計算機系統結構的成本和風險進一步降低。這促使了20世紀80年代RISC（精簡指令系統計算機）的出現和迅速發展，并使指令級并行（從采用流水線到多指令發射）和Cache（高速緩存）技術的使用得以推廣。Intel及時跟上了發展的腳步，在其處理器內部將x86（或IA32）指令翻譯成類RISC指令，并大量采用多種RISC新技術。而紅極一時的CISC（復雜指令系統計算機）VAX系統結構則慘遭淘汰，被RISC系統結構所取代。

1986 年之后的16 年，計算機系統性能的提高更以每年50%的速度持續增長。進入21世紀以來，基于微處理器的計算機占據了統治地位，工作站和個人計算機（PC）成為計算機產品的主流?；谖⑻幚砥鞯姆掌魅〈嘶谶壿嬰娐坊蜷T陣列的小型機，由多個微處理器構成的多處理器系統已經取代了大型機，甚至以復雜計算為主的高端的超級計算機也由多個高性能微處理器構成。

例如，2007年名列世界超級計算機第一的IBM藍色基因/P，其中共有73728顆PowerPC 450處理器（主頻850 MHz，單芯4核）、共計294912個計算核心，根據Linpack基準測試，其最高運算速度達到了1 petaFLOPS（1 petaFLOPS = 1000 TFLOPS；FLOPS即Floating-point Operation Per Second，浮點操作每秒），即每秒1000萬億次！其后起之秀即2008年上半年名列第一的IBM Roadrunner（走鵑）計算機系統（部署于美國能源部的Los Alamos國家實驗室），就由IBM PowerXCell 3.2 GHz和AMD Opteron DC 1.8 GHz兩種處理器組成，擁有122400個計算核心，其最高性能為1.026 petaFLOPS，峰值性能為1.375 78 petaFLOPS。

然而，自2002年開始，處理器性能的增長降到了每年約20%的水平。其原因大致有3個：

● 器件集成度的提高帶來器件內部熱耗的迅速增大。

● 半導體器件集成度提高的余地不多。

● 系統結構上沒有多少可以有效發掘的指令級并行，很難設法降低存儲器延遲。

2004年，Intel取消了其高性能單一處理器的研究計劃，轉而加入IBM和Sun的陣營，宣稱將通過發展多核處理器來進一步提高計算機性能。這標志著一個歷史性的轉折，處理器的性能不再只依賴于指令級并行，而應更關注線程級并行和數據級并行。一般來說，指令級并行屬于隱式并行，它主要利用編譯器和硬件技術，可以不需要程序員的干預。而線程級并行和數據級并行是顯式并行，要求程序員編寫并行代碼來改善系統性能。

1.1.2 計算機的分類

可以從多種角度對計算機進行分類，例如，根據處理的對象，可以劃分為數字計算機、模擬計算機及數字/模擬混合計算機。由于模擬計算機幾乎絕跡，這種分法已毫無意義；也可按照用途將計算機分為通用型計算機和專用型計算機兩種，但是這種分法粒度過粗，難以概括計算機的基本特征。

1989年11月，美國電氣與電子工程師協會（IEEE）的科學巨型機委員會提出把計算機劃分為巨型機、小巨型機、大型機、小型機、工作站和個人計算機6類。這種分類方法兼顧了計算機的性能、應用和發展趨勢，在當時是非常合理的，也為世人普遍采用。直到今天，在大眾媒體上，在多種流行的計算機基礎教材中，包括最新出版的有關計算機基礎的書籍、高校教材等仍然普遍采用了這種分類方法或與之相近的方法。

進入21 世紀以來，隨著計算機技術的發展，特別是計算機網絡、多媒體技術的蓬勃發展及計算機系統結構的極大改進，本書認為，19年前提出的這種分類方法已不能正確反映當前計算機在性能、應用和發展趨勢等方面的現狀，原因如下所述。

① 所謂巨型、大、中、小、微型計算機之間的界限逐漸模糊。例如，現代價格低廉的個人計算機已具有過去大、中型甚至巨型計算機的性能。有人曾根據SPECint基準程序測試數據，做過這樣的性能比較：以1978年的小型機VAX-11/780為基準（性能取1），則1984年的VAX-11/785為1.5，1990年的IBM RS6000/540為24，而現在的處理器Intel Pentium III 1.0 GHz達到了1779（2000年），2002年的Intel Pentium 4（3.0 GHz）更達到了4195。

② 現代計算機的硬件處理核心基本相同。無論是高性能的超級計算機還是PC，甚至包括排名在世界計算機前10強的超級計算機，它們的處理核心無一例外，幾乎都由相似的處理器（過去常稱為微處理器）組成；只不過在PC上多采用低端處理器而已。例如，2006年曾名列世界第3的Gray“紅色風暴”（Red Storm），它包含了26544顆AMD Opteron 2.4 GHz雙核處理器（部署于美國Sandia國家實驗室），浮點運算速度為每秒101.4萬億次。2006年排名第7的Tera-10-NovaScale 5160，采用了9968顆Intel安騰2（Itanium 2）1.6 GHz處理器。

事實上，從20世紀80年代開始，計算機的設計者逐步轉向以微處理器為基礎來組成計算機系統。其原因，一是器件集成度的提高，有可能使微處理器包容更復雜的結構。二是許多在巨型機和大、中、小型計算機上用到的技術也下移到低一級或微型計算機上，如RISC技術、流水線技術、超標量技術、超流水線技術、超標量超流水線技術、超長指令字技術、Cache技術乃至線程級并行技術、多核（多處理器）技術等，已普遍用于現代處理器上，使得處理器的性能快速提高。這樣，擁有單處理器的價格低廉的PC也具有大、中型甚至巨型計算機的性能。三是多處理器系統中同類型處理器應用的批量優勢和多線程并行優勢又大大降低了機器成本并提升了機器性能。因此，進入21世紀以來，基于微處理器的計算機占據了統治地位，工作站和PC成為計算機產品的主流。以處理器為核心的服務器取代了基于邏輯電路或門陣列的中、小型機，由多個微處理器構成的多處理器系統已經取代了大型機和 巨型機。

③ 出現于20 世紀90 年代的計算機網絡和多媒體技術，擴大和深化了計算機的應用范圍。對于通用計算機而言，無論何種機型，都存在實現網絡高帶寬和高速處理多媒體信息的要求，應用促使了處理器的融合。同時，由一個規模較大的主機帶多個用戶終端的分時式多用戶系統，要么很快由松散的、相互可頻繁進行消息傳遞的網絡計算機結點所替代，要么由基于網絡的分布式計算機系統甚至集群來構成緊耦合系統。這種現象削弱并消除了大、中、小型機的功能劃分，規模較大的、擁有更多處理器的計算機，更多地成為承擔網絡中心任務的服務器角色。

也許有人說，巨型、大、中、小、微型計算機之間的劃分是會隨著計算機的發展而產生動態變化的，但這種分法并沒有真正體現出計算機的本質特征。例如，今天的計算機幾乎都基于網絡，在傳統的分類上看不出它們在網絡應用上的區別。又如，在規模上，現代多處理器系統在構成處理器陣列上具有一定的靈活性，可依據計算的規模來組織參與計算的處理器數目，它究竟屬于何種類型的計算機就很難下定論了。

應該說，將計算機分為巨型機、小巨型機、大型機、小型機、工作站和個人計算機的分法在20世紀還是基本正確的。而進入21世紀后，基于前述的理由，應該修正現代計算機的分類方式。現在，一般將現代計算機分為4種：桌面計算機、服務器、超級計算機和嵌入式計算機。表1.1列出了這4種計算機的主要特征。

1.桌面計算機

桌面計算機（desktop computer）崛起于20 世紀80 年代，分為個人計算機（Personal Computer，PC）和工作站（workstation）兩種。PC就是人們常說的微型計算機，通常是單機系統，主要面向個人應用。目前，較為普遍的是IBM或X86 PC系列機及其兼容機（多使用Intel和AMD的處理器芯片）；以及使用IBM、Apple和Motorola聯合研制的PowerPC芯片的機器，如蘋果公司的Macintosh；還有DEC公司推出的使用自己的Alpha芯片的機器。工作站是外圍設備配套較完整的單機系統或多機系統，機型與個人計算機相同，采用了較為高端的處理器芯片，主要面向單位團體應用。

計算機網絡的出現，導致了桌面計算機取代了傳統的分時系統。這類計算機市場在目前是最大的，市場需求趨勢是提高性價比，其中多媒體和網絡應用性能是用戶最為關注的。順便提一下，微型計算機是過時的提法，實際上正確的提法應該是個人計算機或PC。另外，這里所說的“桌面”也并非特指“擺在桌面上”的含義，雖然這一類計算機大部分是擺在桌面上應用的。

2.服務器

計算機網絡的發展，特別是WWW（萬維網）的普及，服務器（server）在提供大量數據的集中存儲、處理和管理方面的作用日趨明顯。服務器基本上取代了傳統的大、中型機而成為高可靠性、高數據安全性和對企業進行大規模信息處理的中樞。服務器的主要設計目標就是高效的吞吐量，即以每分鐘處理的事務數或每秒提供的頁面數來衡量。服務器的一個關鍵特性是可靠性，很難想象一個管理重要網站的服務器系統出現故障會帶來怎樣的災難性的損失。另一個是可擴展性，服務需求或功能需求的增長，要求服務器在存儲容量、輸入/輸出（I/O）帶寬、處理能力等方面應能進行有效升級。

對服務器分類目前尚無明確的提法，以擁有處理器多少來劃分規模是一種方式，例如小型的服務器可能只有一個高性能處理器，中型服務器具有數十個處理器，大型服務器擁有多達數百個處理器。但處理器價格的降低、多核處理器的出現，使得越來越多的服務器采用規模更大的多處理器結構，因而人們對這種以處理器數目作為劃分標準的時間有效性提出了質疑。

3.超級計算機

超級計算機（supercomputer）擁有最強的并行計算能力，主要用于科學計算，在氣象、軍事、能源、航天、探礦等領域承擔大規模、高速度的計算任務。在結構上，雖然超級計算機和服務器都可能是多處理器系統，二者并無實質區別；但是現代超級計算機較多采用集群系統，更注重浮點運算的性能，可將其看成是一種專注于科學計算的高性能服務器，而且價格非常昂貴。

4.嵌入式計算機

嵌入式計算機（embedded computer），即嵌入式系統（embedded system），是一種以應用為中心、以微處理器為基礎且軟、硬件可裁剪的精簡計算機系統。它是計算機市場中增長最快的領域，也是種類繁多、形態多種多樣的計算機系統。小到日常生活隨處可見的智能電器、PDA（手持數據設備），大到某些昂貴的工業和醫用控制裝置，都有它們的身影。

嵌入式系統的核心部件是嵌入式處理器，分成4 類：嵌入式微控制器（MicroController Unit，MCU；俗稱單片機），嵌入式微處理器（MicroProcessor Unit，MPU），嵌入式數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP），以及嵌入式片上系統（System on Chip，SoC）。嵌入式系統對系統的功能、成本、可靠性、實時性、體積、功耗等有嚴格要求，系統結構和組成按需而定，例如根據用途盡量簡化操作系統、最小化存儲器、最小化接口和最小化功耗，從而以較低的成本來滿足應用的要求。