第11章 计算机系统.ppt

第11章计算机系统 计算机系统概述分类方法 计算机系统性能评测方法2 微机系统3 他体系结构处理机超标量处理机 超级流水线处理机 超长指令字处理机向量处理机阵列处理机多处理机系统数据流计算机4 嵌入式计算机系统 11 1计算机系统概述 计算机系统分类弗林分类 MichealFlynn 按照指令流和数据流的数量进行分类 单指令流单数据流 SISD 计算机系统单指令流多数据流 SIMD 计算机系统多指令流单数据流 MISD 计算机系统多指令流多数据流 MIMD 计算机系统 1 单指令流单数据流计算机系统SISD SingleInstructionstreamSingleDatastream 2 单指令流多数据流计算机系统SIMD SingleInstructionstreamMultipleDatastream 3 多指令流单数据流计算机系统MISD MultipleInstructionstreamSingleDatastream 4 多指令流单数据流计算机系统MIMD MultipleInstructionstreamMultipleDatastream 开放系统和专有系统 开放系统 计算机体系结构 总线标准 软硬件设计规范都是开放的 符合国际标准 遵循标准接口 硬件 软件用户可从不同公司购买产品 保护软件投资产生了大量第三方软件提供商 专有系统 计算机软硬件都由一个公司设计 不向外提供技术说明 提高计算机系统的速度的方法 MIPS MFLOPS 超标量处理机 超流水处理机 超长指令字处理机向量处理机 阵列处理机 数据流机等 改进计算机体系结构采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果采用多体交叉存储器和cacheCPU和输入输出设备并行工作操作重叠的流水线工作方式 改进工艺 提高集成度和工作频率 计算机系统性能评测方法 CPI 传统上通过CPI来评价计算机性能 但是其不能反映计算机系统的动态特性 指令频度 cache 流水线 计算处理速率PDR 指令操作数平均位数除以指令平均执行时间 偏重于cpu和内存 PDR L RL 0 85G 0 15H 0 4J 0 15K定点 浮点指令位数 定点 浮点操作数位数R 0 85M 0 09N 0 06P定点加法 浮点加法 浮点乘法平均时间 计算机系统性能评测方法 核心程序法 代码短 cache命中率偏高基准程序法 为了测试计算机系统某一部分性能而人为选择一组典型指令组成的 也可能是从实际应用中选一部分作为测试程序 Dhrystone基准程序 测试编译器和cpu处理整数指令合控制功能的有效性 Linpack基准程序 是一组测试密集线性代数方程组的程序包 Spec测试程序 计算机系统性能评测方法 基准程序法 SPEC美国标准性能评价协会制定了一组基准程序 全部取自实际程序 有SPEC89 SPEC92 SPEC95 SPEC2000 SPEC95重点评测cpu 存储系统 编译器的性能 在SUNSPARCstation10 40机器上预先运行SPEC程序作为基准 然后在其他机器上运行同一程序 并对二者做比较 计算机系统性能评测方法 事务处理测试程序行业基准测试 11 2微机系统 微机系统的性能内存总线 地址总线 数据总线浮点处理器CacheMMX技术 数据类型 寄存器 指令多核技术微机的主板结构 笔记本的结构特点笔记本的结构 一体化vs模块化散热 降低发热量 通风措施显示器 轻薄型平面显示器外设 PCMCIA接口键盘 超薄键盘无线局域网和蓝牙技术无线局域网WLAN 802 11GPRSBluetooth 1Mbps 10cm 10m电池技术 锂电池 记忆效应改进制程 降低电压 发热量 提高主频 集成度 PDA商务 消费主要基于ARM芯片 具有存储器 显示部件 电池一般具有WLAN 蓝牙 GSM GPRS CDMA等无线功能具有笔记本的某些标准接口 usb ieee1394 蓝牙 智能手机普通手机 主板 显示器 sim卡 键盘应用处理器 文本显示 多媒体播放 外设接口管理 液晶显示 蓝牙 红外 摄像头USB CF卡操作系统 PalmOS WindowsCE Symbian linux等一般采用ARM芯片 11 3嵌入式系统 嵌入式系统概述嵌入式系统组成硬件 处理器 外围电路软件 操作系统 应用软件嵌入式系统的应用嵌入式系统的学习方法 1 嵌入式系统概述 以应用为中心 以计算机技术为基础 软硬件可裁剪 适应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗等严格要求的专用计算机系统 嵌入式系统的分类 非实时 PDA软实时 航空定票系统硬实时 工业控制系统 嵌入式系统的特点 硬件简单 系统内核小专用性强系统精简 软件界限模糊实时性软件开发逐渐走向标准性交叉开发环境 2 嵌入式系统的组成 A 硬件组成 嵌入式处理器 微控制器MCU内部集成ROM RAM FLASH 串口 定时器 看门狗 AD DA 常用在工业控制领域 典型产品是intel51系列 atmelavr系列 数字信号处理器DSP适合进行数字滤波 FFT 谱分析等运算 常用在音频 视频 图象处理领域 典型产品是TI公司的TMS320系列 嵌入式处理器 微处理器MPU由微处理器演变而来 去掉了多余部分 常用的有80186 68K MIPS powerPC ARM片上系统SOC由各种功能模块组成 例如处理器模块 GPRS GSM usb TCP IP 1394 蓝牙 ARM嵌入式处理器 ARM公司是全球领先的嵌入式16 32位RISK处理器知识产权设计供应商 ARM公司通过转让它的高性能 低成本 低功耗的RISK处理器 外围电路 系统芯片设计技术给合作伙伴来生产各具特色的芯片ARM公司处理器的特点 小体积 高性能 低功耗 低成本16 32位双指令集全球众多合作伙伴 ARM处理器分类 ARM处理器分类 ARM7 ARM9 ARM9E ARM10 ARM10E ARM11 StrongARM SecurCore指令集分类 v4 v5 v6软件学院嵌入式设备S3C44B0X S3C2410 B 嵌入式系统的软件 嵌入式操作系统的分类 顺序 分时 实时常见嵌入式操作系统软实时 嵌入式linux wince硬实时 vxworks OSE Nuclear开源操作系统 uC OSII linux RTEMS自主知识产权 Hopen deltaOS商用 免费 嵌入式系统软件设计 交叉开发环境嵌入式工具链 以linux为例 vi gcc g gdb make rcs cvs 嵌入式工程师应具备的能力 解决交叉学科的能力 嵌入式系统大多是交叉学科综合运用的结果系统集成能力 最大限度的利用他人成果多种编程语言能力 汇编 c c java掌握市场应用导向 市场分析 自身设计能力 成本 人机界面 3 嵌入式系统的应用 4 嵌入式系统的学习步骤 数字电路 模拟电路 最好能看看 计算机组成原理 重要基础 单片机技术与接口 51系列八位微控制器 Linux操作系统ARM体系结构嵌入式操作系统 uC OSII uClinux wince嵌入式程序设计J2ME 多条流水 多功能部件 多操作并行进行 由编译器负责优化指令次序 11 4其他体系结构处理机 1 超标量 superscalar 处理机 3 超长指令字 VLIW 处理机单指令流多操作码多数据的系统结构 2 超级流水线 superpipeline 处理机周期较短 编译优化 4 向量处理机 应用于科研和工程领域巨大数组高精度计算进行向量处理多个存储模块分类 巨型机 通用 标量 向量 数据处理向量协处理机 只能进行向量计算 不独立 Example 横向处理 Example 横向处理 纵向处理 向量协处理机 主机管理控制系统 连接专用浮点和向量处理机向量处理机包含以下部分 流水线和多功能部件 多个存储器 多个缓冲寄存器 并行的数据通路 设置有多套可同时工作的内部总线 SIMD并行处理机即阵列处理机 多EU单CUMIMD多处理机多处理机由网络互连数据流计算机非顺序执行指令 高度并行的计算机系统 阵列处理机系统 SIMD并行处理机系统 CU 控制器PE 处理器PEM 局部存储器SC 管理机ICN 互联网络 标量指令由CU执行向量指令由CU发送给各个PE执行 并行处理机的主要特点 资源重复 多处理单元 速度快连接模式 ICN 改变互联网络模式可以改变系统结构 对应了不同算法复合性 多个处理单元 高性能控制部件 高性能管理机三部分复合而成 专用性 向量数组处理 多处理机系统 多处理机作定义 包含两个或两个以上功能大致相同的处理器 所有处理器共享公共内存 所有处理器共享I O通道 控制器和外围设备 整个系统由统一的操作系统控制 在处理器和程序之间实现作业 任务 程序段 数组和数组元素等各级的全面并行 处理机1 处理机2 处理机N M I O I O ICN M M 具有通过互连网络共享存储器和I O的多处理机系统系统资源管理方便速度受到ICN限制 每个处理机都有自己的存储器和I O的多处理机系统访存冲突少 便于扩充 速度快 编程困难 多处理机系统的特点 结构灵活性程序并行性进程同步资源分配和进程调度 多处理机的优点很高的性能价格比很高的可靠性很高的处理速度运算很好的模块性 多处理机系统的互联结构 总线结构交叉开关多端口存储器 容错处理机 当硬件发生一定程度的故障或者偶然性差错时 仍能保证计算机继续运行 基于冗余技术 双机系统 冷备份主机定期设置检查点 拷贝关键数据到备份机 双工系统 热备份双机同时运行 只有主机输出信息 多处理机系统主要包括 COM Clusterofworkstation 机群系统NOW Networkofworkstation MPP massivelyparallelprocessing 大规模并行处理机如IntelParagon CM 5 CrayT3D S