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第 11 章 计算机系统

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（ Micheal Flynn ）：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

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第 11 章 计算机系统

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  1. 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

  2. 11.1 计算机系统概述 • 计算机系统分类 弗林分类（Micheal Flynn ）：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

  3. IS IS DS1 MM1 PU1 IS IS PU MM CU IS … … CU SISD DSn PUn MMm SIMD 1.单指令流单数据流计算机系统SISD －Single Instruction stream Single Data stream 2. 单指令流多数据流计算机系统SIMD －Single Instruction stream Multiple Data stream

  4. DS1 MM1 IS1 IS1 CU1 PU1 … … … ISn DSn ISn CUn PUn MMm MIMD 3. 多指令流单数据流计算机系统MISD － Multiple Instruction stream Single Data stream 4. 多指令流单数据流计算机系统 MIMD － Multiple Instruction stream Multiple Data stream

  5. 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。

  6. 提高计算机系统的速度的方法 • MIPS、MFLOPS • 改进工艺，提高集成度和工作频率 • 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cache • CPU 和输入输出设备并行工作 • 操作重叠的流水线工作方式 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

  7. 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/R L=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

  8. 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

  9. 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SUN SPARC station 10/40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。

  10. 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. 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 • Cache • MMX技术：数据类型、寄存器、指令 • 多核技术 • 微机的主板结构

  12. 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：802.11 • GPRS • Bluetooth：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

  13. 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

  14. 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：Palm OS、Windows CE、 Symbian、 linux等 • 一般采用ARM 芯片

  15. 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

  16. 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。

  17. 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

  18. 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

  19. 2。 嵌入式系统的组成 A。硬件组成：

  20. 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intel 51系列、atmel avr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。

  21. 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、power PC、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

  22. 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

  23. 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

  24. B。嵌入式系统的软件

  25. 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/OS II、linux、RTEMS • 自主知识产权：Hopen、delta OS • 商用、免费

  26. 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

  27. 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

  28. 3。嵌入式系统的应用

  29. 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/OS II、uClinux、wince • 嵌入式程序设计 • J2ME

  30. 11.4 其他体系结构处理机 1. 超标量(superscalar)处理机 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

  31. 2.超级流水线(super pipeline)处理机 周期较短、 编译优化 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

  32. 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

  33. Example 横向处理

  34. Example 横向处理 纵向处理

  35. 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；

  36. 高度并行的计算机系统 • SIMD并行处理机 即阵列处理机，多EU单CU • MIMD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

  37. 控制器 PE0 PE1 PE2 Pen-1 P0 P1 P2 Pn-1 …… M0 M1 M2 Mn-1 互连网络 H·J·Siegel提出的并行处理机模型 阵列处理机系统 • SIMD 并行处理机系统

  38. 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

  39. 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

  40. 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。

  41. ICN 处理机2 处理机1 处理机N M I/O M M I/O I/O 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 ICN M 处理机1 I/O M 处理机2 I/O 处理机N 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

  42. 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

  43. 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

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