第11章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

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1、第11章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 分類方法、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)方法 2. 微機(jī)系統(tǒng) 3. 他體系結(jié)構(gòu)處理機(jī) 超標(biāo)量處理機(jī)、超級(jí)流水線處理機(jī)、超長(zhǎng)指令字處理機(jī) 向量處理機(jī) 陣列處理機(jī) 多處理機(jī)系統(tǒng) 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī) 4. 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 11.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分類 弗林分類（Micheal Flynn ）：按照指令流和數(shù)據(jù)流的數(shù)量進(jìn)行分類。 單單指令流單單數(shù)據(jù)流(SISD)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 單單指令流多多數(shù)據(jù)流(SIMD)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 多多指令流單單數(shù)據(jù)流(MISD)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 多多指令流多多數(shù)據(jù)流(MIMD)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1.單指令流單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單

2、指令流單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)系統(tǒng) SISD Single Instruction stream Single Data stream CU IS PU MM IS IS SISD 2. 單指令流多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單指令流多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)系統(tǒng) SIMD Single Instruction stream Multiple Data stream SIMD CU IS PU1 MM1 PUn MMm DS1 DSn IS 3. 多指令流單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多指令流單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)系統(tǒng) MISD Multiple Instruction stream Single Data stream 4. 多指令流單數(shù)據(jù)流計(jì)

3、算機(jī)系統(tǒng)多指令流單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)系統(tǒng) MIMD Multiple Instruction stream Multiple Data stream MIMD CU1 PU1 MM1 PUn MMm DS1 DSn IS1 CUn ISn IS1 ISn 開放系統(tǒng)和專有系統(tǒng)開放系統(tǒng)和專有系統(tǒng) 開放系統(tǒng)開放系統(tǒng):計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、總線標(biāo)準(zhǔn)、軟硬計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、總線標(biāo)準(zhǔn)、軟硬件設(shè)計(jì)規(guī)范都是開放的，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。件設(shè)計(jì)規(guī)范都是開放的，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 遵循標(biāo)準(zhǔn)接口：硬件、軟件 用戶可從不同公司購買產(chǎn)品，保護(hù)軟件投資 產(chǎn)生了大量第三方軟件提供商 專有系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)軟硬件都由一個(gè)公司設(shè)計(jì)，專有系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)軟硬件都由

4、一個(gè)公司設(shè)計(jì)，不向外提供技術(shù)說明。不向外提供技術(shù)說明。 提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的速度的方法提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的速度的方法 MIPS、MFLOPS 超標(biāo)量處理機(jī)、超流水處理機(jī)、超長(zhǎng)指令字處理機(jī) 向量處理機(jī)、陣列處理機(jī)、數(shù)據(jù)流機(jī)等 改進(jìn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)改進(jìn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 采用多個(gè)通用寄存器來暫存運(yùn)算的中間結(jié)果 采用多體交叉存儲(chǔ)器和cache CPU 和輸入輸出設(shè)備并行工作 操作重疊的流水線工作方式 改進(jìn)工藝，提高集成度和工作頻率改進(jìn)工藝，提高集成度和工作頻率 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)方法計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)方法 CPI：傳統(tǒng)上通過CPI來評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能，但是其不能反映計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性（指令頻度、cache、流水線、

5、）。 計(jì)算處理速率PDR：指令操作數(shù)平均位數(shù)除以指令平均執(zhí)行時(shí)間。（偏重于cpu和內(nèi)存） PDR=L/R L=0.85G+0.15H+0.4J+0.15K 定點(diǎn)、浮點(diǎn)指令位數(shù)， 定點(diǎn)、浮點(diǎn)操作數(shù)位數(shù) R=0.85M+0.09N+0.06P 定點(diǎn)加法、浮點(diǎn)加法、浮點(diǎn)乘法平均時(shí)間 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)方法計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)方法 核心程序法：代碼短，cache命中率偏高 基準(zhǔn)程序法：為了測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)某一部分性能而人為選擇一組典型指令組成的，也可能是從實(shí)際應(yīng)用中選一部分作為測(cè)試程序。 Dhrystone基準(zhǔn)程序：測(cè)試編譯器和cpu處理整數(shù)指令合控制功能的有效性。 Linpack基準(zhǔn)程序：是一組測(cè)試密集

6、線性代數(shù)方程組的程序包。 Spec測(cè)試程序 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)方法計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)方法 基準(zhǔn)程序法：SPEC 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)性能評(píng)價(jià)協(xié)會(huì)制定了一組基準(zhǔn)程序，全部取自實(shí)際程序。有SPEC89、 SPEC92、 SPEC95、 SPEC2000。 SPEC95重點(diǎn)評(píng)測(cè)cpu、存儲(chǔ)系統(tǒng)、編譯器的性能。在SUN SPARC station 10/40機(jī)器上預(yù)先運(yùn)行SPEC程序作為基準(zhǔn)，然后在其他機(jī)器上運(yùn)行同一程序，并對(duì)二者做比較。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)方法計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)方法 事務(wù)處理測(cè)試程序 行業(yè)基準(zhǔn)測(cè)試 11.2 微機(jī)系統(tǒng) 微機(jī)系統(tǒng)的性能 內(nèi)存總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線 浮點(diǎn)處理器 Cache MMX技

7、術(shù)：數(shù)據(jù)類型、寄存器、指令 多核技術(shù) 微機(jī)的主板結(jié)構(gòu) 筆記本的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 筆記本的結(jié)構(gòu)：一體化vs模塊化 散熱：降低發(fā)熱量、通風(fēng)措施 顯示器：輕薄型平面顯示器 外設(shè)：PCMCIA接口 鍵盤：超薄鍵盤 無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙技術(shù) 無線局域網(wǎng)WLAN：802.11 GPRS Bluetooth：1Mbps、10cm10m 電池技術(shù)：鋰電池、記憶效應(yīng) 改進(jìn)制程：降低電壓、發(fā)熱量，提高主頻、集成度 PDA 商務(wù)、消費(fèi) 主要基于ARM芯片，具有存儲(chǔ)器、顯示部件、電池 一般具有WLAN、藍(lán)牙、GSM/GPRS/CDMA等無線功能 具有筆記本的某些標(biāo)準(zhǔn)接口：usb、ieee1394、藍(lán)牙 智能手機(jī) 普通手機(jī)：主板、

8、顯示器、sim卡、鍵盤 應(yīng)用處理器、文本顯示、多媒體播放、外設(shè)接口管理、液晶顯示、藍(lán)牙、紅外、攝像頭USB、CF卡 操作系統(tǒng)：Palm OS、Windows CE、 Symbian、 linux等 一般采用ARM 芯片 11.3 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)概述 嵌入式系統(tǒng)組成 硬件：處理器、外圍電路 軟件：操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法 1。嵌入式系統(tǒng)概述。嵌入式系統(tǒng)概述 以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的分類 非實(shí)時(shí)：PDA 軟實(shí)時(shí)：航空定票系統(tǒng) 硬實(shí)時(shí)：工業(yè)

9、控制系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 硬件簡(jiǎn)單、系統(tǒng)內(nèi)核小 專用性強(qiáng) 系統(tǒng)精簡(jiǎn)、軟件界限模糊 實(shí)時(shí)性 軟件開發(fā)逐漸走向標(biāo)準(zhǔn)性 交叉開發(fā)環(huán)境 2。 嵌入式系統(tǒng)的組成 A。硬件組成： 嵌入式處理器 微控制器MCU 內(nèi)部集成ROM、RAM、FLASH、串口、定時(shí)器、看門狗、AD、DA。常用在工業(yè)控制領(lǐng)域。典型產(chǎn)品是intel 51系列、atmel avr系列。 數(shù)字信號(hào)處理器DSP 適合進(jìn)行數(shù)字濾波、FFT、譜分析等運(yùn)算，常用在音頻、視頻、圖象處理領(lǐng)域。典型產(chǎn)品是TI公司的TMS320系列。 嵌入式處理器 微處理器MPU 由微處理器演變而來，去掉了多余部分。常用的有80186、68K、MIPS、power P

10、C、ARM 片上系統(tǒng)SOC 由各種功能模塊組成，例如處理器模塊、GPRS、GSM、usb、TCP/IP、1394、藍(lán)牙 ARM嵌入式處理器 ARM公司是全球領(lǐng)先的嵌入式16/32位RISK處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)供應(yīng)商。 ARM公司通過轉(zhuǎn)讓它的高性能、低成本、低功耗的RISK處理器、外圍電路、系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)技術(shù)給合作伙伴來生產(chǎn)各具特色的芯片 ARM公司處理器的特點(diǎn)： 小體積、高性能、低功耗、低成本 16/32位雙指令集 全球眾多合作伙伴 ARM處理器分類 ARM處理器分類： ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10、ARM10E、ARM11、StrongARM、SecurCore 指令集分類： v4

11、、v5、v6 軟件學(xué)院嵌入式設(shè)備 S3C44B0X、S3C2410 B。嵌入式系統(tǒng)的軟件 嵌入式操作系統(tǒng)的分類 順序、分時(shí)、實(shí)時(shí) 常見嵌入式操作系統(tǒng) 軟實(shí)時(shí)：嵌入式linux、wince 硬實(shí)時(shí)：vxworks、OSE、Nuclear 開源操作系統(tǒng)：uC/OS II、linux、RTEMS 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)：Hopen、delta OS 商用、免費(fèi) 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 交叉開發(fā)環(huán)境 嵌入式工具鏈（以linux為例） vi、gcc/g+、gdb、make、rcs/cvs 嵌入式工程師應(yīng)具備的能力 解決交叉學(xué)科的能力：嵌入式系統(tǒng)大多是交叉學(xué)科綜合運(yùn)用的結(jié)果 系統(tǒng)集成能力：最大限度的利用他人成果 多種編

12、程語言能力：匯編、c/c+、java 掌握市場(chǎng)應(yīng)用導(dǎo)向：市場(chǎng)分析、自身設(shè)計(jì)能力、成本、人機(jī)界面 3。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 4。嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)步驟 數(shù)字電路、模擬電路（最好能看看） 計(jì)算機(jī)組成原理（重要基礎(chǔ)） 單片機(jī)技術(shù)與接口（51系列八位微控制器） Linux操作系統(tǒng) ARM體系結(jié)構(gòu) 嵌入式操作系統(tǒng)：uC/OS II、uClinux、wince 嵌入式程序設(shè)計(jì) J2ME 多條流水、多功能部件、多操作并行進(jìn)行，由編譯器負(fù)責(zé)優(yōu)化指令次序 11.4 其他體系結(jié)構(gòu)處理機(jī) 1. 超標(biāo)量(superscalar)處理機(jī) 3.超長(zhǎng)指令字超長(zhǎng)指令字(VLIW)處理機(jī)處理機(jī) 單指令流多操作碼多數(shù)據(jù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2.

13、超級(jí)流水線超級(jí)流水線(super pipeline)處理機(jī)處理機(jī) 周期較短、周期較短、 編譯優(yōu)化編譯優(yōu)化 4. 向量處理機(jī)向量處理機(jī) 應(yīng)用于科研和工程領(lǐng)域 巨大數(shù)組高精度計(jì)算 進(jìn)行向量處理 多個(gè)存儲(chǔ)模塊 分類： 巨型機(jī)：通用、標(biāo)量、向量、數(shù)據(jù)處理 向量協(xié)處理機(jī)：只能進(jìn)行向量計(jì)算，不獨(dú)立 . . . 22221111NNNNcbadcbadcbadC)(BADExample 橫向處理橫向處理 . . . 22221111NNNNcbadcbadcbadC)(BAD . . . 2222211111NNNNNkcbadkcbadkcbadAKDCBKExample 橫向處理橫向處理 縱向處理縱向處

14、理 向量協(xié)處理機(jī) 主機(jī)管理控制系統(tǒng)，連接專用浮點(diǎn)和向量處理機(jī) 向量處理機(jī)包含以下部分： 流水線和多功能部件； 多個(gè)存儲(chǔ)器； 多個(gè)緩沖寄存器； 并行的數(shù)據(jù)通路，設(shè)置有多套可同時(shí)工作的內(nèi)部總線； SIMD并行處理機(jī) 即陣列處理機(jī)，多EU單CU MIMD多處理機(jī) 多處理機(jī)由網(wǎng)絡(luò)互連 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī) 非順序執(zhí)行指令 高度并行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高度并行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 陣列處理機(jī)系統(tǒng) SIMD 并行處理機(jī)系統(tǒng) P0 M0 PE0 P1 M1 PE1 P2 M2 PE2 Pn-1 Mn-1 Pen-1 互連網(wǎng)絡(luò) 控制器 H J Siegel提出的并行處理機(jī)模型 CU：控制器 PE：處理器 PEM：局部存儲(chǔ)器 SC：管

15、理機(jī) ICN：互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 標(biāo)量指令由CU執(zhí)行 向量指令由CU發(fā)送 給各個(gè)PE執(zhí)行 并行處理機(jī)的主要特點(diǎn) 資源重復(fù)多處理單元，速度快 連接模式ICN，改變互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模式可以改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)了不同算法 復(fù)合性多個(gè)處理單元、高性能控制部件、高性能管理機(jī)三部分復(fù)合而成。 專用性向量數(shù)組處理 多處理機(jī)系統(tǒng) 多處理機(jī)作定義： 包含兩個(gè)或兩個(gè)以上功能大致相同的處理器； 所有處理器共享公共內(nèi)存； 所有處理器共享I/O通道、控制器和外圍設(shè)備； 整個(gè)系統(tǒng)由統(tǒng)一的操作系統(tǒng)控制，在處理器和程序之間實(shí)現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、程序段、數(shù)組和數(shù)組元素等各級(jí)的全面并行。 處理機(jī)1 處理機(jī)2 處理機(jī)N M I/O I/O ICN M M

16、處理機(jī)1 M I/O 處理機(jī)2 M I/O 處理機(jī)N M I/O ICN 具有通過互連網(wǎng)絡(luò)具有通過互連網(wǎng)絡(luò) 共享存儲(chǔ)器和共享存儲(chǔ)器和I/O的的 多處理機(jī)系統(tǒng)多處理機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)資源管理方便系統(tǒng)資源管理方便 速度受到速度受到ICN限制限制 每個(gè)處理機(jī)都有自己的每個(gè)處理機(jī)都有自己的 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器和I/O的的 多處理機(jī)系統(tǒng)多處理機(jī)系統(tǒng) 訪存沖突少，便于擴(kuò)充，訪存沖突少，便于擴(kuò)充，速度快，編程困難速度快，編程困難 多處理機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)靈活性 程序并行性 進(jìn)程同步 資源分配和進(jìn)程調(diào)度 多處理機(jī)的優(yōu)點(diǎn)多處理機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 很高的性能價(jià)格比 很高的可靠性 很高的處理速度運(yùn)算 很好的模塊性 多處理機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)結(jié)

17、構(gòu) 總線結(jié)構(gòu) 交叉開關(guān) 多端口存儲(chǔ)器 容錯(cuò)處理機(jī) 當(dāng)硬件發(fā)生一定程度的故障或者偶然性差錯(cuò)時(shí)，仍能保證計(jì)算機(jī)繼續(xù)運(yùn)行?；谌哂嗉夹g(shù)。 雙機(jī)系統(tǒng)：冷備份 主機(jī)定期設(shè)置檢查點(diǎn)，拷貝關(guān)鍵數(shù)據(jù)到備份機(jī)。 雙工系統(tǒng)：熱備份 雙機(jī)同時(shí)運(yùn)行，只有主機(jī)輸出信息 多處理機(jī)系統(tǒng)主要包括多處理機(jī)系統(tǒng)主要包括： COM (Cluster of workstation) COM (Cluster of workstation) 機(jī)群系統(tǒng)機(jī)群系統(tǒng) NOW (Network of workstation)NOW (Network of workstation) MPP (massively parallel MPP (mas

18、sively parallel processing) )大規(guī)模并行處理機(jī)大規(guī)模并行處理機(jī) 如如Intel Paragon, CMIntel Paragon, CM- -5, Cray T3D5, Cray T3D SMP (Symmetry MultiProcessors)SMP (Symmetry MultiProcessors)對(duì)稱多處理機(jī)對(duì)稱多處理機(jī) （Shared Memory mulptiProcessors)Shared Memory mulptiProcessors)共享存儲(chǔ)多處理機(jī)共享存儲(chǔ)多處理機(jī) 如如SGI ChallengeSGI Challenge，Sun SparcCenter 2000Sun SparcCenter 2000 多向量處理機(jī)系統(tǒng)多向量處理機(jī)系統(tǒng) 如如CRAY YMPCRAY YMP- -90, NEC SX90, NEC SX- -3 3和和FUJITSU VPFUJITSU VP- -20002000 世界上最大的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng) http:/setiathome.berkeley.edu/index.php 阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡 伯克利 波多黎各