嵌入式系统-硕士课程---浙江大学计算机科学与技术学院ppt课件

.,复习提纲,陈天洲tzchen,.,计算机系统的三大应用领域,服务器目标：可用性可扩展性有效带宽利润最大的市场包括大型机、超级计算机等桌面办公等用途最广阔的市场包括台式机，笔记本嵌入式非计算机形态潜力最大的市场,以往计算机分类：大型计算机、中型机、小型机和微计算机目前计算机分类：超级计算机，大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机亚微计算机(嵌入式计算机)是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中,.,定义,微软在2002年将嵌入式系统定义为完成某一特定功能、或是使用某一特定嵌入式应用软件的计算机或计算装置。英国电机工程师学会的定义:“嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂操作的装置”通常执行特定功能以微电脑和外围构成核心严格的时序和稳定性要求全自动操作循环精确定义:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统,.,嵌入式系统必要条件,有处理器计算机五大部件运算器，控制器合称处理器存储器输入输出如果只有存储器、输入输出，不能认为是嵌入式系统不能执行计算机最基础的功能常用32位处理器价格与单片机接近性能高网络支持能力强,.,嵌入式产品硬件特征,通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备组成高集成度逐步形成单芯片解决方案系统芯片(SOC)定制性面向用户面向产品面向应用解决方案不唯一不可垄断的高度分散的工业，候选器件太多而PC由WINTEL（window，intel）垄断,.,嵌入式产品软件特征,包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软件、开发工具软件要求固态化存储稳定性要求高软件代码高质量、高可靠性可能无系统软件软硬件紧密结合，协同开发,.,其他可能有的要求,实时性强功耗低支持升级软件和硬件结合紧密由于定制，可能无硬盘，无通用操作系统产品升级换代困难和硬件同步升级具有较长的生命周期,.,嵌入式系统产品,UMPC：Ultra-MobilePCPDA个人信息助理掌上电脑手机普通手机智能手机与PDA结合PMP：PortableMediaPlayer办公用品录音笔FLY数字笔Genius数字便笺PolymerVision手机书手表MartinFrey手表手表手机：M300Nike的Speed+手表韩国防性罪犯的电子手镯爱国者视频MP4手表,运动玩具游戏GTX公司定位的运动跑鞋遥控蜻蜓次世代摄像器材数码相机DV智能家居智能家具智能家电多媒体终端IP电话视频会议可视电话家庭音响电视高清电视、数字电视、立体显示技术汽车电子军工武器控制系统、数字化单兵系统,.,节能需求,嵌入式设备多为电池供电如一个无线传感网（WSN）的节点可能由电池供电工作若干年嵌入式手持设备向移动多媒体终端发展多媒体功能对电池的消耗巨大合理利用电池的容量，延长电池的使用时间已经是制约嵌入式设备发展的一个重要问题高性能计算领域的高能耗密度有迫切的节能需求,.,节能的方法,改进芯片制造工艺设计芯片节能体系结构在硬件支持下的软件节能为系统提供合适的资源让多余的资源休眠不同的节能技术应用于计算机系统的各个方面现阶段的研究工作各自关注不同的节能领域软硬件，OS和编译器协同,.,介绍-节能技术分布于系统各处,.,DVS技术,DynamicVoltageScaling动态调频/调压的技术在一定范围内，处理器的频率和电压是成正比的，所以也有DFS或者DFVS的说法1998年被提出在此观点提出后，具有DVS功能的处理器开始制造前提假设处理器的负载一直在变当处理器的利用率比较低的时候可以通过DVS技术slowdown处理器，但是不能因此而影响性能目前研究多应用于周期性任务（易于预测）,.,DVS技术-理论根据（续）,经验简化公式PdynamicacV2fC表示电路负载（电容）大小V表示供电电压f为工作频率降低f同时降低了V，降低了功率DVS调度的原则提供合适而不是过多的计算能力DVS由处理器提供调频能力，其他工作由OS等软件完成,.,AVS技术,SoC设计中降低功耗的电压调节技术有两种方式一种是开环电压调节（动态）就是DVS另一种则是闭环（自适应）电压控制方法自适应电压调节闭环方式可进一步减小功耗AdaptiveVoltageScaling通过反馈机制将电源电压调整到给定工作负载(处理量)所需的最小值。需要将部分电源管理电路置入主处理器,.,DPM技术,IBM开发了一个应用十分广泛的电源管理框架可以根据需要开发各种设备的电源管理策略（DPM）屏蔽了下层的硬件为上层提供了统一的接口可以制定device的各种参数还可以将自己的策略通过plugin的方式加进去基本思想将下层的硬件建模成一种由operationstates和operatingpoints组成的状态机。OS：Operationstates是由各种OS状态组成的，包括idle，active，sleep等。OP：operationpoint是由处理器频率和内核电压组成设计者在最初的时候根据体系结构指定各种OS和OP用户通过policy控制系统在各个状态之间进行转移,.,节能编译-静态编译器节能,compiler静态编译编译过程插入节能算法缺点compiler的视线只是局限在program内部compiler不知道程序到底怎么运行的为了获得程序的运行数据，compiler只能通过模拟的手段获得的信息是不足的，不够真实编译器在优化的时候，认为程序是在没有被打搅的情况下运行的，认为他的运行空间是纯洁的,.,节能编译-动态编译器节能,提供了反馈的方法一个程序被编译之后，在执行的过程中，还是被监视着采集程序的运行信息反馈给编译器编译器按照得到的信息再次编译程序程序继续运行再次反馈信息给编译器LoopUnnikrishnan研究成果通过仪器测出不同的电量需求和条件下面程序的临界区，通过预先编译的方法，准备各种情况下的方案通过一个叫做Dyninst的工具这个工具可以在程序运行过程中，对程序的运行段进行patch，修改他的程序的状态,.,应用软件节能,由程序员手工完成低功耗的程序借助硬件提供的节能方法定制节能的通信协议多媒体和网络应用中的节能,.,多核技术是处理器发展的必然,推动微处理器性能不断提高的因素半导体工艺技术的飞速进步体系结构的不断发展这两个因素相互影响，相互促进工艺和电路技术的发展使得处理器性能提高约20倍体系结构的发展使得处理器性能提高约4倍编译技术的发展使得处理器性能提高约1.4倍。如今，这个规律已经很难维持,.,多核的发展动力,计算机硬件发展危机VLSI发展到ULSI主频瓶颈技术上两条出路提高片内核的数量发展到多核集成外围电路到处理器中发展到SOC（系统芯片，systemonchip）产业上的出路PC市场有没有出路，来源于对多核计算机的需求将成熟的32位计算机技术融合（嵌入）到非PC产品中使用计算机网络技术取代通讯,.,多核处理器,2006年突然推出双核，年底到四核2006年Q4英特尔内部已有16核处理器2007年1月10日英特尔已经展示了8核计算机市场对多核反应冷淡技术准备不足多处理器技术长期以来针对服务区并行计算技术针对科学计算实际难点多应用软件，事务处理如何使用多核？系统软件对多核的支持不足软件开发对多核支持不足机会与挑战并存,.,十亿晶体管时代即将到来,通用微处理器的主频已经突破了4GHz数据宽度也达到64位。0.13um工艺的微处理器已经批量生产65nm工艺以下的微处理器也已问世到2010年左右，芯片上集成的晶体管数目将超过10亿个如何有效地利用数目众多的晶体管？多核通过在一个芯片上集成多个简单的处理器核利用这些晶体管资源发挥其最大的能效,.,CMP多核处理器,单芯片多处理器通过在一个芯片上集成多个微处理器核心来提高程序的并行性每个微处理器核心是一个相对简单的单线程微处理器或者比较简单的多线程微处理器多个微处理器核心就可以并行地执行程序代码具有了较高的线程级并行性由于CMP采用了相对简单的微处理器作为处理器核心使得CMP具有高主频、设计和验证周期短、控制逻辑简单、扩展性好、易于实现、功耗低、通信延迟低等优点CMP能充分利用指令级并行和线程级并行目前CMP已经成为处理器体系结构发展的一个重要趋势,.,摩尔定律,18个月左右CPU性能翻一番，价格减一半目前CPU的主频速度已经接近物理极限技术难题：半导体工艺、功耗增高Intel、AMD、IBM、SUN等主流CPU厂商从以往的单一提高主频，向如今的超线程、多核方向转变,.,多核硬件,多核处理器系统系统中包含一个多核的处理器芯片每个处理器核能够独立运行程序单核多处理器系统多个单核的处理器构成的系统处理器之间的通信延迟时间较长多核多处理器系统多个多核处理器构成的并行系统两个并行处理的层次,.,同构CMP和异构CMP,按单芯片多处理器上的处理器是否相同进行划分同构CMP由通用的处理器组成多个处理器执行相同或者类似的任务异构CMP通用处理器作为控制、通用计算其他核DSP、ASIC、媒体处理器、VLIW处理器等针对特定的应用提高计算的性能,由通用内核（GP）与专用硬件（SP）组成的异构多核处理器,.,同构多核处理器的优点控制逻辑简单高主频。低通信延迟低功耗设计和验证周期短异构多核化功能强大内核结构复杂执行特定任务的时候效率会受影响功耗也难以控制对于特定的任务，比如XML、多媒体信息、TCP/IP协议处理等，一些专用硬件在性能和功耗方面很可能会比通用处理器更有优势,.,多核程序设计基础,尚无多核操作系统，只有多处理器操作系统目前多核平台由操作系统分配线程进行多核运算操作系统的支持同步机制同步函数互斥函数任务调度机制并行线程的调度,.,多核平台下的并行开发,双核甚至多核处理器需要多线程化大多数应用用C或C+编写的根据单线程设计多线程优化需要耗费大量劳动力的改写过程重头再来多核迫使软件开发朝并行化方向发展RISC架构的多核系统上已经形成了比较成熟的多线程系统并行处理能力在x86架构下，应用程序的开发者还停留在单线程的