计算机网络应用系统的基础架构.ppt

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1、计算机网络应用系统计算机网络应用系统的基础架构的基础架构计算机网络应用系统的基础架构网络系统服务器系统CPU系统操作系统应用开发系统搭建一个计算机网络应用系统中，涉及许多的元素搭建一个计算机网络应用系统中，涉及许多的元素 2计算机网络应用系统的基础架构怎样搭建一个好的计算机网络应用系统？系统的构成元素在种类、性能上、衡量指标上、都非常繁多在价格和性能的梯度上，也存在巨大的差别什么影响？首先：给应用系统的搭建带来了巨大的选择空间同时：给应用系统的搭建工作带来了很大的难度此外：也带来了相当的性能风险和成本投资风险对于IT系统供应商来说:中标、赢单3计算机网络应用系统的基础架构怎样搭建一个好的计算机

2、网络应用系统？从技术的角度来看：选用最好的构成元素，组建起来的系统一定是最优秀的贵，不一定最好从客户的角度看：这些元素都是透明的客户关注的是：整个系统对业务应用响应和处理的能力 以及实现这种能力的成本从实际的搭建过程看：成本是要考虑的重要因素之一所以，搭建过程往往会在各因素间作不同的取舍，主要：系统元素的综合性能系统元素的整体成本4计算机网络应用系统的基础架构网络系统架构服务器系统架构CPU架构操作系统架构应用开发系统架构及发展5网络系统架构的发展计算机网络系统的架构经历了这样一个发展的历程：主机终端客户机服务器（C/S）浏览器服务器（B/S）三层架构体系6网络系统架构的发展主机终端时代：主机

3、多采用Unix巨、大、中型机；终端（哑终端：键盘+显示器）所有应用都集中在主机上进行处理；这个时期的计算应用范围还比较单一：主要用于科学计算；工程技术计算同时由于价格昂贵，只有为数不多的一些重要机构才能使用。7网络系统架构的发展客户机服务器（ClientServer）时代：PC出现了APPLE，Apple DOSIBM PC，PC-DOS（IA86 CPUX86架构，成为一种主流标准）Windows操作系统出现C/S架构出现应用：跑在客户端，多为小型应用，由单机版本发展而来Server端OS：Netware、SCO-Unix 用PC做服务器（处理能力还弱）、小型机（后者很少，很贵）主要作为：文

4、件服务器（批处理数据）、打印服务器这个时期的C/S网络以总线结构为主技术、标准不成熟，混乱应用范围并不广泛、应用性质并不复杂8网络系统架构的发展客户机服务器（ClientServer）时代：PC性能不断提升出现了专业的PC-Server（X86架构的服务器）成本的可接受性，处理能力的提升，使得：CS架构开始广泛进入到企业、商业、设计、业务办公等应用领域。Windows操作系统性能的发展和提升，Win server出现应用系统的开发模式：发生改变应用被分配到了客户端和服务器端分别处理出现了前台应用和后台应用的应用开发模式9网络系统架构的发展客户机服务器（ClientServer）时代：Windo

5、ws Server版操作系统性能的不断发展和强大PC服务器的性能不断发展提升MS开发工具功能不断提升使得基于WinTel（Windows OS 加 Intel CPU）的CS架构开始进入基于Unix小机（RISC CPU）的CS架构的应用市场，逐渐成为占市场分额近50的主流应用架构。性能的不断成熟，使得WinTel的CS架构也开始进入到一些关键应用领域。Linux性能的提升使得基于LinTel（Linux OS 加 Intel CPU）的CS架构开始在应用市场的份额上开始提升10网络系统架构的发展11网络系统架构的发展12网络系统架构的发展客户机服务器（ClientServer）时代：Wind

6、ows Server版操作系统性能的不断发展和强大PC服务器的性能不断发展提升MS开发工具功能不断提升使得基于WinTel（Windows OS 加 Intel CPU）的CS架构开始进入基于Unix小机（RISC CPU）的CS架构的应用市场，逐渐成为占市场分额近50的主流应用架构。性能的不断成熟，使得WinTel的CS架构也开始进入到一些关键应用领域。Linux性能的提升使得基于LinTel（Linux OS 加 Intel CPU）的CS架构开始在应用市场的份额上开始提升为什么会这样呢？源于客户对成本的考虑源于应用市场对可靠性、安全性的考虑 对低成本的Unix架构系统的需求13网络系统架

7、构的发展客户机服务器（ClientServer）时代：这个时期的应用种类不断增加、应用范围不断扩大对Server端的处理能力，提出了更高的要求对Server端的RAS提出了更高的要求RAS可靠性(Reliability),可用性(Availability),可维护性(Serviceability)Cluster技术出现了服务器端出现了角色分割14网络系统架构的发展Server3000 UnitsSwitchStoragePCsx CPUs企业网企业网Cluster初期：要求Server对称Cluster发展：异构Server，Workable15网络系统架构的发展中盘项目应用服务器、存储系统图

8、磁盘阵列柜磁带库光纤通道交换机光纤通道交换机OA应用服务(外 部)OADB中心接口DB备份服务器OA应用服务(内 部)信息平台服务器业务及信息平台主DBFTP服务器业务系统应用服务器Cluster：服务器集群16网络系统架构的发展浏览器服务器架构（BrowserServer）时代：Internet的爆发应用的种类和范围开始膨胀，应用的复杂性不断增加数据的处理负荷增加应用模式和特征的变化对应用和数据的集成、控制、管理、维护、升级的需求提高对应用的稳定性要求提高、对数据共享的需求提高、对安全性要求的提高、对应用使用的敏捷度要求的提高等等这个时期，由于应用的多样性、复杂性、应用之间的交互性日趋显著使

9、得CS架构已经不能完全满足应用的需求加上这个时候的浏览器技术已趋于成熟于是浏览器服务器架构（BrowserServer）出现了所有应用和数据整合到Server端（B/S应用开发模式）客户端只起一个浏览器的作用服务器的负荷不断增加，对服务器的性能要求也不断增加17网络系统架构的发展到这个时期，服务器端已经经历了主机文件服务器后台应用服务器整合应用服务器；架构：“胖”服务器“瘦”服务器“胖”服务器；而且越来越“胖”到这个阶段，网络系统的架构仍然是两层架构服务器端+客户端负荷及能力需求、稳定性可靠性要求的不断增加，使得服务器端开始出现任务角色的分割集群（Cluster）架构的使用开始越来越普遍但这种

10、分割还只是一种横向的分割和延展应用的不断扩展、延续及整合使得数据量越来越大应用及数据流对计算和通信能力的需求模式、需求特征出现了越来越明显的类别划分服务器任务角色的分割开始向纵向发展于是出现了网络三层（或多层）架构体系 18数据客户端网络应用计算结果演绎业务逻辑数据管理网络系统架构的发展19网络系统架构的发展数据计算DB Server应用计算AP Server网络计算Web Server客户端Client数据管理业务逻辑结果演绎在三层（或多层）架构体系中服务器承担的计算任务对能力需求的模式、特征有明显的区别于是服务器架构的设计、开发开始朝着不同的方向去延展以适应不同应用及数据流模式和特征对计算

11、和通信能力的需求。20网络系统架构的发展下一代网络体系Sun的愿憬：网络就是计算机Any Where，Any Time，Any Device，Any Info，&Any Service！网络网络Network客户端客户端ClientClient数据管理业务逻辑结果演绎计算机计算机21计算机网络应用系统的基础架构网络系统架构服务器系统架构CPU架构操作系统架构应用开发系统架构的发展22计算机网络应用系统的基础架构网络系统架构服务器系统架构CPU架构操作系统架构应用开发系统架构及发展23服务器系统架构的发展服务器架构特征的发展过程：实际上也是CPU对应用程序的指令流和数据流处理能力的发展和提升的过

12、程早期的应用：多是指令密集型的科学计算应用（如：递归运算、回归运算、矩阵运算、等等）这个时期的应用：对批量数据的重复规律使用度非常高计算负荷主要集中在指令流上面早期服务器性能提升技术主要表现在两方面：ILP（指令级并行处理Instruction Level Parallelism）技术（Unix机技术）超标量多级缓存预测执行主频的提升性能衡量指标指令级高速处理能力是服务器的主要性能指标如：SPEC CPU系列、TPC-C早期版本指令指令门电路节拍门电路节拍动作或流水动作或流水24服务器系统架构的发展服务器选型时的比较：25服务器系统架构的发展服务器选型时的比较：数据数据规模规模公司公司服务器服

13、务器TPCQphH价格价格/性能性能成本成本(美元美元)CPU 类型类型CPU颗数颗数CPU 路数路数CPU 线程线程100GBSunSunFire V4402883 17.0 49295 Sun UltraSPARCIIIi 1.6GHz444HPHP ProLiant DL5802606 37.4 97498 Intel Xeon MP 2.8 GHz4441000GBHPHP Integrity rx864027144 36.3 984810 Intel Itanium2 9050 1.6GHz81616IBMIBM eServer p5 57026156 53.4 1397456IBM

14、 POWER5 1.9 GHz8163226服务器系统架构的发展应用的演变：已经逐渐朝着数据密集型的商用事务处理方向发展计算负荷越来越偏向数据流而这些数据的批量重复使用性很低，不相关并发性非常高使服务器性能的（传统方式）提升，受到极限限制：在两方面：单纯的指令级并行处理主频的提升27服务器系统架构的发展当今服务器性能的提升当今服务器性能的提升由由指令级并行处理指令级并行处理上升到上升到线程级并行处理线程级并行处理，出现了，出现了TLP（Thread Level Parallelism）线程级并行处理技术）线程级并行处理技术SMP（Symmetrical Multi Processing）对称多

15、处理技术）对称多处理技术CMP（Chip Multi Processor）单芯片多处理器技术，既当前被频繁）单芯片多处理器技术，既当前被频繁提及的双核、多核提及的双核、多核SMT（Simultaneous Multi Threading）并发多线程技术、）并发多线程技术、MT（Multi Threading Processor）多线程处理器技术）多线程处理器技术NUMA(Non-Uniform Memory Access)非一致存储访问结构技术非一致存储访问结构技术MPP(Massive Parallel Processing)海量并行处理结构技术海量并行处理结构技术CMT（Chip Mult

16、ithreading）芯片多线程技术，）芯片多线程技术，CMP和和MT的结合的结合28服务器系统架构的发展为适应数据密集型的应用发展方向为适应数据密集型的应用发展方向单线程计算能力已不能体现服务器对复杂应用计算的整体能单线程计算能力已不能体现服务器对复杂应用计算的整体能力力服务器系统性能的重要指标，发生改变：服务器系统性能的重要指标，发生改变：并发多线程处理能力并发多线程处理能力 的衡量的衡量数据流的并发吞吐能力数据流的并发吞吐能力 的衡量的衡量如：如：SPECint_ratesSPECint_rates（http:/www.spec.org/http:/www.spec.org/）Stand

17、ard Performance Evaluation Corporation Standard Performance Evaluation Corporation 随着传统随着传统UnixUnix服务器的一些技术以及价格的下移服务器的一些技术以及价格的下移X86X86架构服务器性能的提升突飞猛进架构服务器性能的提升突飞猛进RISCRISC架构和架构和CISCCISC架构的服务器出现了许多交合：架构的服务器出现了许多交合：性能上性能上价格上价格上应用领域上应用领域上 29服务器系统架构的发展服务器的发展方向出现了多向分支服务器的发展方向出现了多向分支形成应用针对型的各种应用服务器架构形成应用针

18、对型的各种应用服务器架构原因：原因：应用范围和模式的不断发展应用范围和模式的不断发展网络三层架构的相应出现网络三层架构的相应出现数据量的膨胀数据量的膨胀但根据数据流的处理特征，主要表现在两个大的方向：但根据数据流的处理特征，主要表现在两个大的方向：表浅处理和深层处理表浅处理和深层处理表浅处理注重网络通信特征、注重时效特征既快速响应与回馈（这里称为表浅处理注重网络通信特征、注重时效特征既快速响应与回馈（这里称为面向网络的需求）面向网络的需求）深层处理注重数据的生命周期、存储特征、安全特征、管理特征、注重数深层处理注重数据的生命周期、存储特征、安全特征、管理特征、注重数据的分析、及建立在分析之上的

19、智能商务特征（这里称为面向数据的需求）据的分析、及建立在分析之上的智能商务特征（这里称为面向数据的需求）所以服务器的架构方向针对这两个特征方向表现出：所以服务器的架构方向针对这两个特征方向表现出：水平延展特征水平延展特征垂直延展特征垂直延展特征 30服务器系统架构的发展垂直延展和水平延展Horizontal ScalingNetwork Facing Network Facing 的需求的需求:High DensityHigh Price/Performance一到八路一到八路Data FacingMemory SwitchMEMMEMI/OPROPROI/OMEMMEMI/OPROPROI/

20、OMEMMEMI/OPROPROI/OVertical Scaling Data FacingData Facing 的需求的需求:High TransactionHigh TransactionHigh RASHigh RAS八路以上八路以上31服务器系统架构的发展应用负荷的四象限原理：应用负荷的四象限原理：服务器的性能指标对不同应用的适应变得多样化，如：服务器的性能指标对不同应用的适应变得多样化，如：SPECint、SPECfp、SPECjbb、SPECweb、SPEChpc、SPECapc、SPECmail、SPECSFS、TPC-C、TPC-H等等等等（http:/www.spec.o

21、rg/）Standard Performance Evaluation Corporation（http:/www.tpc.org/）Transaction Processing Performance Council多样化导致选型的困难多样化导致选型的困难但仔细分析，所有服务器的性能指标针对应用负荷的特征，但仔细分析，所有服务器的性能指标针对应用负荷的特征，可以归类到四个方向的负荷系数上去，既：可以归类到四个方向的负荷系数上去，既：单线程高速计算单线程高速计算多线程并发计算多线程并发计算面向数据的负荷面向数据的负荷以及面向网络的负荷以及面向网络的负荷形成应用负荷四象限的趋势形成应用负荷四象限

22、的趋势 32工作负载四象限数据流定义了系统需求高网络负载高数据负载多线程应用单线程应用复杂的浮点运算（数据来自后台数据库）快速处理、返回（数据来自网络边缘）并发处理许多科学计算前后逻辑演绎不能并发处理服务器系统架构的发展33服务器系统架构的发展应用负荷的四象限原理：应用负荷的四象限原理：1 1、单线程应用、单线程应用主要是科学计算，由于计算特性需要对前后逻辑进行演绎，不能主要是科学计算，由于计算特性需要对前后逻辑进行演绎，不能进行线程级以上的并发处理，像爆破模拟计算、碰撞模拟计算都进行线程级以上的并发处理，像爆破模拟计算、碰撞模拟计算都是典型的单线程应用，所以只能通过对最低层的指令级并行处理是

23、典型的单线程应用，所以只能通过对最低层的指令级并行处理能力的提升来提高应用的性能；能力的提升来提高应用的性能；2 2、多线程应用、多线程应用主要表现在商业应用领域，事务和数据的不相关并发性特别高，主要表现在商业应用领域，事务和数据的不相关并发性特别高，所以需要多线程或超线程并行处理的能力；所以需要多线程或超线程并行处理的能力；3 3、高数据负载的应用、高数据负载的应用其数据来自集中管理的后台数据库，计算特征涉及大量的、多维其数据来自集中管理的后台数据库，计算特征涉及大量的、多维的及综合的数据分析等复杂的浮点运算，对带有高存储管理特征的及综合的数据分析等复杂的浮点运算，对带有高存储管理特征的数据

24、的依赖性非常大；的数据的依赖性非常大；4 4、高网络负载的应用、高网络负载的应用数据来自网络边缘，计算复杂性低、多为简单的整型运算，快速数据来自网络边缘，计算复杂性低、多为简单的整型运算，快速响应、处理、返回结果是它的特征。响应、处理、返回结果是它的特征。34工作负载四象限数据流定义了系统需求应用开发计算网格工作组电子设计模拟结构分析EAI ServersJ2EE 应用服务器目录服务网络安全流媒体数据网络服务代理服务热力学地震波分析/水库模拟文件服务在线交易处理原子模拟/军工制造数据仓库气象/天气模拟投资组合/风险分析染色体模拟批处理数据分析高网络负载高数据负载多线程应用单线程应用SAP R3

25、企业/商业应用工程技术应用服务器系统架构的发展35工作负载四象限数据流定义了系统需求应用开发计算网格工作组电子设计模拟结构分析EAI ServersJ2EE 应用服务器目录服务网络安全流媒体数据网络服务代理服务热力学地震波分析/水库模拟文件服务在线交易处理原子模拟/军工制造数据仓库气象/天气模拟投资组合/风险分析染色体模拟批处理网络数据高性能计算综合应用数据分析科学计算高网络负载高数据负载多线程应用单线程应用SAP R3企业/商业应用工程技术应用服务器系统架构的发展36服务器系统架构的发展总结：总结：服务器系统架构的发展，服务器系统架构的发展，总是在适配应用特征的总是在适配应用特征的发展发展同

26、时也在适配应用特征发展带来的网络架构的发同时也在适配应用特征发展带来的网络架构的发展展不同特征的应用、在网络架构中处于不同的层面，不同特征的应用、在网络架构中处于不同的层面，服务器系统架构的选择是不相同的服务器系统架构的选择是不相同的37服务器系统架构的发展总结：总结：服务器产业发展的几个趋势：服务器产业发展的几个趋势：单核遭淘汰单核遭淘汰多核唱主角多核唱主角 虚拟化虚拟化功耗控制功耗控制SAS2.5SAS2.5寸硬盘，解决寸硬盘，解决RAIDRAID难题难题RedundantArraysofIndependentDisksRedundantArraysofIndependentDisks的简

27、称的简称廉价冗余磁盘阵列廉价冗余磁盘阵列保证数据安全保证数据安全 简化基础架构简化基础架构刀片服务器刀片服务器整体解决方案的提供能力整体解决方案的提供能力 38计算机网络应用系统的基础架构网络系统架构服务器系统架构CPU架构操作系统架构应用开发系统架构的发展39计算机网络应用系统的基础架构网络系统架构服务器系统架构CPU架构操作系统架构应用开发系统架构及发展40CPU架构的发展CPU相关性能的提升，主要表现在如下方向：相关性能的提升，主要表现在如下方向：处理器主频处理器主频前端总线（前端总线（FSB）频率）频率处理器外频处理器外频CPU的位和字长的位和字长倍频系数倍频系数CPU缓存缓存CPU内

28、核和内核和I/O工作电压工作电压制造工艺制造工艺封装形式封装形式指令集指令集超流水线与超标量超流水线与超标量多线程多线程多核多核41CPU架构的发展处理器主频处理器主频性能提升受限：性能提升受限：只能提升指令密集型的计算，非数据密集型计算只能提升指令密集型的计算，非数据密集型计算能力能力发热，门电路损坏、电子运行紊乱，性能不稳发热，门电路损坏、电子运行紊乱，性能不稳门电路间距已接近电子间距，电子泄漏，性能不门电路间距已接近电子间距，电子泄漏，性能不稳稳42CPU架构的发展指令集指令集CPU依靠指令来计算和控制系统依靠指令来计算和控制系统每款每款CPU在设计时就规定了一系列硬件电路，以解释指在设

29、计时就规定了一系列硬件电路，以解释指令系统令系统指令的强弱也是指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一器效率的最有效工具之一指令集分类：指令集分类：CISC指令集指令集RISC指令集指令集X86指令集指令集IA-64（EPIC）X86-64（AMD64/EM64T）CPU扩展指令集扩展指令集 43CPU架构的发展指令集指令集CISCCISC指令集指令集Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer的缩写的缩写指令数目至少指令数目至少300300条以上，

30、有的甚至超过条以上，有的甚至超过500500条条编程算法简单编程算法简单大量记忆大量记忆优点：优点：指令按顺序串行执行的：指令按顺序串行执行的：每种计算，一个电路，控制简单每种计算，一个电路，控制简单弱点：弱点：随计算种类复杂，硬件越来越复杂，研制时间长，造价也相应提高随计算种类复杂，硬件越来越复杂，研制时间长，造价也相应提高各部分的利用率不高，各部分的利用率不高，80%80%的计算，只用到的计算，只用到20%20%的部件的部件使用微程序（使用微程序（ROMROM）来实现复杂指令的操作，执行速度慢）来实现复杂指令的操作，执行速度慢44CPU架构的发展指令集指令集RISCRISC指令集指令集Re

31、duced Instruction Set ComputingReduced Instruction Set Computing的缩写的缩写它是在它是在CISCCISC指令系统基础上发展起来的，却大大简化了复杂度指令系统基础上发展起来的，却大大简化了复杂度处理速度提高很多处理速度提高很多超流水线和超标量结构，大大增加了并行处理能力。超流水线和超标量结构，大大增加了并行处理能力。指令格式统一，种类比较少，寻址方式少指令格式统一，种类比较少，寻址方式少允许允许以硬件线路来实现指令操作，以硬件线路来实现指令操作，RISCRISC型型CPUCPU与与IntelIntel和和AMDAMD的的CPUCPU

32、在软件和硬件上都不兼容在软件和硬件上都不兼容目前，在中高档服务器中采用，主要有以下几类：目前，在中高档服务器中采用，主要有以下几类：IBMIBM：PowerPCPowerPC处理器处理器SUNSUN：SPARCSPARC处理器处理器HPHP：PA-RISCPA-RISC处理器、处理器、MIPSMIPS处理器、处理器、AlphaAlpha处理器处理器45CPU架构的发展指令集指令集X86X86指令集指令集IntelIntel公司为公司为IBMIBM在在1981 1981 年所推出的第一台年所推出的第一台PCPC机（机（1616位位i8086i8086处理处理器）所专门开发的器）所专门开发的为了增

33、加计算机的浮点运算能力，增加了为了增加计算机的浮点运算能力，增加了X87X87数学（数学（i8086i8086）协处）协处理器，加入了理器，加入了X87X87指令集，统称为指令集，统称为X86X86架构的处理器。架构的处理器。后出现后出现IA-32IA-32（Intel Architectur-32Intel Architectur-32）属于属于CISCCISC体系体系AMDAMD和和CyrixCyrix也生产集成了也生产集成了X86X86指令集的处理器产品，与指令集的处理器产品，与IntelIntel处理处理器兼容，形成了今天庞大的工业标准的器兼容，形成了今天庞大的工业标准的X86X86架

34、构的处理器阵容。架构的处理器阵容。但：主要运用桌面领域的处理器产品中但：主要运用桌面领域的处理器产品中后发展到后发展到IA-32EIA-32E（Intel Architectur-32 ExtensionIntel Architectur-32 Extension）目的：进入目的：进入6464位服务器市场位服务器市场46CPU架构的发展指令集指令集IA-64IA-64（EPICEPIC）Explicitly Parallel Instruction ComputersExplicitly Parallel Instruction Computers，精确并行指令集，精确并行指令集是是IA-32

35、EIA-32E迈向迈向RISCRISC体系的重要步骤体系的重要步骤用于用于CPUCPU是安腾是安腾ItaniumItanium（开发代号（开发代号MercedMerced）的服务器）的服务器IA-64IA-64系列中的第一款系列中的第一款微软也已开发了代号为微软也已开发了代号为Win64Win64的操作系统，在软件上加以支持。的操作系统，在软件上加以支持。突破了传统突破了传统IA-32IA-32架构的许多限制，获得突破性的提高：架构的许多限制，获得突破性的提高：在数据的处理能力在数据的处理能力系统的稳定性、安全性、可用性、可管理性系统的稳定性、安全性、可用性、可管理性最大的缺陷：最大的缺陷：缺

36、乏与缺乏与x86x86的兼容，引入了的兼容，引入了x86-to-IA-64x86-to-IA-64的解码器的解码器但运行但运行x86x86应用程序时候的性能非常糟糕应用程序时候的性能非常糟糕47CPU架构的发展指令集指令集X86-64 X86-64（AMD64AMD64）AMDAMD公司设计公司设计处理处理6464位的整数运算，并兼容于位的整数运算，并兼容于X86-32X86-32架构架构支持支持6464位逻辑寻址，同时提供转换为位逻辑寻址，同时提供转换为3232位寻址选项位寻址选项指令中有指令中有“直接执行直接执行”和和“转换执行转换执行”的区别，的区别，3232位浮点运算位浮点运算允许处理

37、器工作在以下两种模式：允许处理器工作在以下两种模式：Long ModeLong Mode（长模式）（长模式）Legacy ModeLegacy Mode（遗传模式）（遗传模式）引进在引进在AMD-OpteronAMD-Opteron处理器的服务器中处理器的服务器中最早出现在：最早出现在：Sun FireSun FireV20/V40V20/V40相继出现在：相继出现在：Sun Galaxy Sun Galaxy 系列系列48CPU架构的发展指令集指令集X86-64 X86-64（EM64TEM64T）后由后由IntelIntel推出推出支持支持6464位，之前是位，之前是IA32EIA32E和

38、和AMDAMD的的X86-64X86-64技术类似技术类似兼容兼容IA32IA32和和IA32EIA32E但但EM64TEM64T与与AMD64AMD64还是有一些不一样的地方还是有一些不一样的地方AMD64AMD64处理器中的一些结构，在处理器中的一些结构，在IntelIntel的处理器中没法提供。的处理器中没法提供。49CPU架构的发展指令集指令集CPUCPU扩展指令集扩展指令集MMXMMX（Multi Media ExtendedMulti Media Extended）SSESSE、SSE2SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-

39、Extensions 2Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）SEE3SEE3和和AMDAMD的的3DNow3DNow！都是都是CPUCPU的扩展指令集，分别增强了的扩展指令集，分别增强了CPUCPU的多媒体、图形图象和的多媒体、图形图象和InternetInternet等的处理能力。等的处理能力。但是需要有相应的软件支持。但是需要有相应的软件支持。问题也是比较明显的，如：问题也是比较明显的，如：MMXMMX指令集不能与指令集不能与 X86X86的浮点运算指令同时执行的浮点运算指令同时执行必须做密集式的交错切换才可以正常

40、执行必须做密集式的交错切换才可以正常执行造成整个系统运行速度的下降。造成整个系统运行速度的下降。50CPU架构的发展超流水线与超标量超流水线与超标量提升指令并行处理能力（提升指令并行处理能力（ILP ILP）超标量：超标量：目标：一个指令脉冲周期内执行更多的指令数目标：一个指令脉冲周期内执行更多的指令数实现：超标量通过超流水线实现实现：超标量通过超流水线实现51CPU架构的发展超流水线与超标量超流水线与超标量超流水线：超流水线：细分流水、既动作（部件），如：细分流水、既动作（部件），如：整型处理（部件）整型处理（部件）浮点处理（部件）：矢量运算浮点处理（部件）：矢量运算加载（部件）加载（部件）

41、存储（部件）存储（部件）通过通过“预测执行预测执行/分支预测分支预测”提高并行处理能力提高并行处理能力挖掘各指令的流水间不相干成分（既流水的并行潜力）挖掘各指令的流水间不相干成分（既流水的并行潜力）增加缓存、多级缓存增加缓存、多级缓存52CPU架构的发展超流水线与超标量超流水线与超标量超流水线：超流水线：问题：问题：深度流水深度流水将指令的执行划分为更多更细的流水级将指令的执行划分为更多更细的流水级加大并行能力加大并行能力转移预测失败转移预测失败清空预先加载的多个指令、重新加载新的指令清空预先加载的多个指令、重新加载新的指令这对于处理器的性能的影响是非常大的，往往会带来不这对于处理器的性能的影

42、响是非常大的，往往会带来不可忽视的性能损失可忽视的性能损失1010的预测出错率会让处理器损失近的预测出错率会让处理器损失近3030的性能的性能CISC CISC 比比 RISC RISC，在预测出错率上高很多，在预测出错率上高很多53CPU架构的发展超流水线与超标量超流水线与超标量只能提升只能提升CPUCPU对指令密集型计算的应用处理能力对指令密集型计算的应用处理能力54CPU架构的发展超流水线与超标量超流水线与超标量只能提升只能提升CPUCPU对指令密集型计算的应用处理能力对指令密集型计算的应用处理能力应用的演变，以传统的应用的演变，以传统的ILPILP方式，单纯的提高方式，单纯的提高CPU

43、CPU的运算速度，对于整个系统性能的提升所起到的的运算速度，对于整个系统性能的提升所起到的作用，已显微不足道，如：作用，已显微不足道，如：IDCIDC的的DNSDNS域名解析应用域名解析应用ISPISP的代理服务的代理服务于是于是TLPTLP，既并发多线程技术出现，既并发多线程技术出现55CPU架构的发展多线程多线程为适应数据密集型的应用为适应数据密集型的应用InternetInternet时代、时代、MISMIS时代的应用多为时代的应用多为数据密集型数据密集型应用特征：应用特征：大量并发数据大量并发数据大量数据交互大量数据交互大量数据查询大量数据查询运算并不复杂运算并不复杂对对CPUCPU的

44、要求：的要求：不需要太高的主频不需要太高的主频不需要太强的指令级并行处理能力不需要太强的指令级并行处理能力主要解决主要解决“整体性能瓶颈整体性能瓶颈内存、总线、内存、总线、I/O延迟延迟”问题问题56CPU架构的发展多线程 57CPU架构的发展多线程多线程 SMTSMT（Simultaneous multithreadingSimultaneous multithreading）并发多线程技术并发多线程技术只需小规模改变处理器核心的设计（寄存器、计数器）只需小规模改变处理器核心的设计（寄存器、计数器）线程并发过程由操作系统完成，对线程并发过程由操作系统完成，对OSOS版本有要求版本有要求 MT

45、MT（Multi-threading ProcessorMulti-threading Processor）多线程处理器多线程处理器是一种是一种“硬硬”线程（线程（Hardware MultithreadingHardware Multithreading）片内提供多线程处理能力片内提供多线程处理能力不依赖操作系统不依赖操作系统比比SMTSMT更快更快58CPU架构的发展多线程多线程 vs vs 超流水线与超标量超流水线与超标量 (实质内涵实质内涵)超流水线与超标量超流水线与超标量提高提高指令指令并行能力并行能力 多线程多线程 提高提高数据数据并行能力并行能力59CPU架构的发展多核多核SMP

46、SMP（Symmetrical Multi ProcessingSymmetrical Multi Processing）对称多）对称多处理处理共享片外总线带宽、共享片外总线带宽、内存、内存、I/O和外部中断和外部中断传统总线所固有的低带宽、高线延迟是传统总线所固有的低带宽、高线延迟是SMPSMP系统的性能系统的性能瓶颈瓶颈 CMPCMP（Chip Multi-ProcessorChip Multi-Processor）单芯片多处理器）单芯片多处理器片外总线进入片内、多级缓存、超大缓存，提高速度片外总线进入片内、多级缓存、超大缓存，提高速度CPUCPU与与CPUCPU间的数据交互强、适应交互性

47、强的应用间的数据交互强、适应交互性强的应用内存、内存、I/O和外部中断，仍然共享和外部中断，仍然共享60CPU架构的发展多核多核CMTCMT（ChipChip Multi-threading Multi-threading）芯片多线程）芯片多线程CMTCMTCMPCMPMTMT一块芯片上集成多个一块芯片上集成多个MTMT处理器内核所构造的支持处理器内核所构造的支持TLPTLP的的SMPSMP系统系统 采用相对简单的多线程处理器核心采用相对简单的多线程处理器核心处理器核心的流水线相对简单，制备不复杂处理器核心的流水线相对简单，制备不复杂处理器核心不需要太强的处理器核心不需要太强的ILPILP能力

48、，不需要高主频能力，不需要高主频因而能耗低，散热量小因而能耗低，散热量小由线程的并行能力换取系统整体处理能力由线程的并行能力换取系统整体处理能力每个线程的能力并不高、也不需要每个线程的能力并不高、也不需要61CPU架构的发展62CPU架构的发展多核多核CMTCMT（ChipChip Multi-threading Multi-threading）芯片多线程）芯片多线程CMTCMTCMPCMPMTMT一块芯片上集成多个一块芯片上集成多个MTMT处理器内核所构造的支持处理器内核所构造的支持TLPTLP的的SMPSMP系统系统 采用相对简单的多线程处理器核心采用相对简单的多线程处理器核心处理器核心的

49、流水线相对简单，制备不复杂处理器核心的流水线相对简单，制备不复杂处理器核心不需要太强的处理器核心不需要太强的ILPILP能力，不需要高主频能力，不需要高主频因而能耗低，散热量小因而能耗低，散热量小“酷线程酷线程”技术技术8路路CPU内核、内核、32个并发个并发“物理物理”线程线程 63CPU架构的发展多核多核问题：问题：共享元素共享元素性能性能瓶颈瓶颈解决方案解决方案直连技术，如：直连技术，如：AMDAMD超传输总线超传输总线 HyperTransportHyperTransportTMTM64 HyperTransportTM超传输总线消除了所有内部和外部的传输瓶颈!FSB频率在AMD Op

50、teron处理器已无从谈起了 AMD OpteronTM 双路架构数据带宽=（总线频率数据宽度）/8（Byte/bit）前端总线FSB只能提供 800MHz x 64 bit 8Byte/bit=6.4 GB/s 6.4 GB/s FSB是瓶颈1.消除了所有总线瓶颈2.每颗CPU有6.4 GB/s 的内存带宽3.CPU到CPU间的超传输总线双向带宽8GB/s4.增加CPUs增加了内存与I/O带宽5.系统带宽：36.8GB/sGB/sIntel Xeon至强 双路架构CPU0CPU1双内核处理器技术比较 CPU架构的发展65双内核处理器技术比较 800MHz FSBbottleneckother