软硬件融合技术内幕 进阶篇 (1) —— 从小霸王到云计算

在前期，我们回忆了从小霸王学习机到云计算时代的计算机演进历程，以及小结了在这之中如何通过软硬件融合的优化设计，充分发挥出硬件的性能的设计理念。

我们在开篇就提到，小霸王学习机使用了1颗6502处理器作为CPU，主要处理应用逻辑，另一颗2C02处理器作为PPU，主要处理图形绘制。由于2C02实际上是6502处理器进行改造而成，小霸王学习机本质上是一个由2颗处理器进行计算的异构分布式计算系统。

在分布式计算系统中，非常重要的一点是计算节点之间的连接和通讯。

让我们回顾小霸王学习机的系统框图：

如图，CPU和PPU之间，是通过6502的并行总线来实现通讯的。

从字面上理解，并行总线就是有多条并行的传输线路，如8bit并行总线上就可以每次传输1个字节的数据。PCI总线为32位，每次可以传输4字节。

这种并行总线的好处在于，硬件设计较为简单，CPU内部的电路只需要8个锁存器就可以实现其收发。但是，它也有很大的局限性。如果我们需要把其他芯片挂接到并行总线上，就会遇到一系列问题：

1. 电平标准。6502和2C02的工作电压为5V，对于CMOS电路，高于2.5V会被视为1，而低于2.5V会被视为0。但如果对接的芯片并非这样的标准，会造成无法正常工作。如LVCMOS1V8电平标准的芯片，其输出高电平为1.8V，6502会视为低电平，导致无法正常收发数据。
2. 协议标准。通信双方需要遵守共同的约定，如什么样的信号代表开始接受，什么样的信号代表停止接收。
3. 容错。出现误码时的处理。

以上的问题实际上归为一条——标准化。

计算机科学家们将分布式计算中的通讯标准，划分成为7个层级：

上图是OSI（Open Systems Interconnection）的七层模型。

其中七层的解释如下：

Physical —— 物理层：指电平定义、接口标准及编码。如使用DB9 接口，还是RJ45插头等

Data-Link——数据链路层，定义什么样的信号代表开始发送，什么样的信号代表接收完毕，如何进行纠错等；

Network——网络层，定义如何把数据包从一条链路转发到另一条链路，从而穿越多个不同的网段组成的互联网；

Transport——传输层，定义操作系统应当如何封装和解析数据包；

Session——会话层，定义应用应当如何分辨不同用户的访问和用户访问控制等；

Presentation——表示层，定义应用数据传输的方式，如P站小视频的编码解码；

Application——应用层，代表最终用户的操作，如浏览P站等；

在上世纪90年代后期，分布式计算系统中，2层，也就是Link Layer的通讯协议一度出现过“百花齐放，百家争鸣”。经过若干年的博弈与竞争，最终，以太网(Ethernet)占据了优势，并成为中短距离(100km以内)互联的事实标准。

我们在以前的主题中介绍过以太网交换与转发装置——以太网交换机。而将服务器与终端连接到以太网所需要的装置——以太网适配器，也与以太网标准保持着同步进化。

最初的以太网速率为4.7Mbps，使用同轴电缆 (类似有线电视的接口)而不是双绞线进行连接。

流光一瞬，华表千年。(+1s)

进入21世纪以来，分布式计算进化出了一个分支——云计算，而以太网为了更快地传输数据，其速率也进化到了10Gbps，25Gbps甚至更高。目前以腾讯云为代表的大型公有云系统中，服务器的网卡已经普遍采用100G标准。

如图，SA3型云服务器可以支持100Gbps的内网带宽，说明它所在的宿主机已经采用了100Gbps的网卡连接到了数据中心内部网络。

实际上，SA3型云服务器运行在一台整机128核，256超线程的物理宿主机上，它拥有2个100G的以太网接口连接到数据中心内部网络，256个超线程能够保证200Gbps的数据收发能够得到实时的处理。但是，并非所有的服务器都具备这样强的处理能力……

如图，从2010年，服务器以太网连接的速率从1Gbps演进到了100Gbps，提升了100倍，而CPU的处理能力 (超线程数乘以主频)，却只提升了5倍。显然，在云计算时代，网络通讯带来的CPU开销增加，与CPU处理能力的缓慢增长的矛盾会迅速激化。

本系列专题，也将围绕这个矛盾而展开……