计算机硬件技术.pptx

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1、主要参考书1计算机体系结构 张晨曦等编 高等教育出版社2 计算机网络 谢希仁编 电子工业出版社3 P2P技术 杨天路等编 邮电出版社4 无线传感器网络第1页/共71页硬件硬件软件 系统软件应用软件第一章 概述一 计算机系统的组成第2页/共71页系统软件：系统软件：是是一一组组通通用用的的软软件件，往往往往由由计计算算机机制制造造公公司司随随机机带给用户或者由相关的软件公司提供给用户。带给用户或者由相关的软件公司提供给用户。包括包括:操作系统（操作系统（Operating SystemsOperating Systems）、）、语言处理程序语言处理程序;数据库管理系统数据库管理系统;实实用用程程

2、序序（如如：编编辑辑、链链接接、调调试试、诊诊断断程程序等）。序等）。第3页/共71页应用软件：应用软件：是是指指计计算算机机在在各各种种各各样样的的应应用用领领域域中中，人人们们为为了了应应用用计计算算机机来来解解决决本本领领域域内内所所独独有有的的问问题题而而设设计计的的软软件。件。分为：分为：科学计算；科学计算；事务处理；事务处理；自动控制；自动控制；计算机辅助工作；计算机辅助工作；人工智能等。人工智能等。第4页/共71页应用语言级高级语言级汇编语言级操作系统级传统机器级微程序机器级电子线路级离散数学、数值分析C+、Java编译原理汇编语言操作系统软件工程应用系统程序设计基础及语言数据结

3、构数据库原理组成原理模拟与数字逻辑电路系统结构接口与通信计算机网络外部设备第5页/共71页二 计算机软硬件的等价性三 计算机性能的主要标准 *计算机性能：正确性、可靠性和工作能力。工作能力：响应时间指任务从输入到结果输出的所有时间，反映CPU、I/O系统及OS等的总体性能；正确性：与数学计算结果比较，通常认为是正确的。可靠性：用平均无故障时间表示，通常认为是可靠的。吞吐率指单位时间内能处理的作业或任务数量，反映系统的多任务处理性能。第6页/共71页1、响应时间 响应时间指一个任务从输入到输出的总时间。T响应=TCPU+TI/O访问+TMEM访问+TDISK访问 TCPU=T系统CPU+T用户C

4、PU T用户CPU=IN*CPI*TC 响应时间能够反映系统软硬件的总体性能。*人们通常用其他标准替代响应时间，但不够准确。(1)MIPS(每秒百万次指令)-替代标准一 *缺点：MIPS不能反映指令功能强弱(如向量指令)。*处理：常用相对MIPS表示，定义VAX-11/780机为1MIPS。第7页/共71页例：计算Pentium II 450处理机的运算速度。解：由于PentiumII 450处理机的IPC2(或CPI0.5),Fz450MHz，因此，MIPSPentium II 450FzIPC4502900(MIPS)注：IPC 指Instructions Per Clock 第8页/共7

5、1页2、吞吐率 指单位时间内处理作业(或任务)的数量。吞吐率=nn个任务总时间 吞吐率与I/O软硬件组织方式及OS有很大关系。吞吐率能够反映软硬件系统对多任务的处理能力。(2)MFLOPS(每秒百万次浮点运算)-替代标准二 *缺点：只能反映浮点操作能力，不能反映系统整体性能。思考：如何表示浮点操作功能强弱(如+/-与/)？*MFLOPS与MIPS关系：1MFLOPS3MIPS。通过正则化方法关联不同的操作类型，如+/-表示为1个FLOAT，/表示为4个FLOAT。第9页/共71页四、性能评测技术1、分析技术 *方法：在一定假设条件下，找出计算机系统参数与性能指标之间的某种函数关系，按其工作负载

6、的驱动条件列出方程，用数学方法求解。*特点：具有理论的严密性，可节约人力和物力。*数学工具：用相关数学模型进行分析。*发展：从脱离实际的假设发展到近似求解。近似求解算法聚合法、均值分析法、扩散法等。*应用：可应用于设计中系统的分析与评价。第10页/共71页 *例：分析影响用户CPU时间的因素。TCPU=INCPITC 其中，IN-为程序包含指令总数，CPI-为各指令平均所需时钟周期数，TC-为时钟周期时长 影响用户CPU时间的因素：TC-取决于器件及计算机组成；CPI与计算机组成及指令系统有关；IN与指令系统及编译技术有关。第11页/共71页2、模拟技术 *方法：按被评价系统的运行特性建立系统

7、模型；按系统可能有的工作负载特性建立工作负载模型；用语言编写模拟程序，模仿被评价系统的运行；设计模拟实验，依照评价目标，选择与目标有关的因素，得出实验值，再进行统计、分析。*特点：可解决分析技术中不能数学建模时的评价问题。*应用：可应用于设计中或实际应用中系统的分析与评价；可与分析技术相结合，构成一个混合系统。注意：分析和模拟技术最终均须通过测量技术验证。第12页/共71页3、测量技术 *方法：通过基准测试程序对系统进行实际性能评价。*基准测试程序：有实际应用程序、核心程序、合成测试程序三个层次。第一个层次用于测试系统总体性能；后两个层次-用于测试部件(如CPU、I/O系统等)性能。基准测试程

8、序具有三个层次的测试程序组，典型的有SPEC程序组，具有测试多个应用领域、三个层次的测试程序。*应用：只能应用于实际使用中系统的分析与评价；通常根据系统的设计需求(应用领域)选择基准测试 程序组中的部分测试程序进行测量。第13页/共71页按评价准确性递减的顺序列出几种测试程序：1）实际的应用程序方法。运行例如C编译程序、Text 正文处理软件、CAD工具等等。2）核心程序方法。从实际的程序中抽取少量关键循环程序段，并用它们来评价机器的性能。3）玩具基准测试程序。玩具基准测试程序通常只有10-100行而且运行结果是可以预知的。4）综合基准测试程序。是为了体现平均执行而人为编制的，类似于核心程序，

9、没有任何用户真正运行综合基准测试程序。第14页/共71页五、性能设计基本准则1、大概率事件优先原则 *思想：对大概率事件赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。该原则是系统设计中最重要和最常用的原则。*举例：如何减小CPU性能中的平均CPI？其中，n为指令系统指令类型数，CPIi第i种指令的CPI，IN为程序包含指令总数，Ii为程序中使用第i种指令的次数 减小平均CPI减小频繁使用(Ii/IN较大)指令的CPI大概率事件优先原则的应用第15页/共71页2、阿姆达尔（Amdahl）定律 *思想：系统中对某部件采用某种更快执行方式，所获得的系统性能的改变程度，取决于这种方式被使用的频

10、率，或所占总执行时间的比例-称为加速比。其中，fe为改进部分所占百分比，re为改进部分性能提高倍数 *举例：若fe=0.4、re=10，则SP=1.56；若fe=0.1、re=10，则SP=1.10。*应用：可在定量分析时使用该定律查找“性能瓶颈”。性能瓶颈改进某部件性能后，系统性能急剧提高时，该部件为性能瓶颈。0.51.0feSp1005第16页/共71页例：假设将某系统的某一部件的处理速度加快到10倍,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？解：由题意可知：Fe=0.4,Se=10，根据Amdahl定律 第17页/共71页3、程序访问局部性

11、原理 程序执行中呈现出频繁重复使用那些“簇聚”的数据和指令的规律。特点：反映在时间局部性和空间局部性上。例int A100,Sum=0;for(int i=0;i100;i+)Sum+=Ai;时间局部性-近期被访问的信息，可能马上被访问；应用：是层次存储体系设计的基础。空间局部性-与被访问地址相邻的地址上的信息可能会很快被访问。在现有软硬件条件下，有助于提高系统的性能/价格；尽量不限制计算机组成和实现技术；能够为编译程序和操作系统的实现提供好的支持。4、软硬件取舍原则第18页/共71页五 计算机的层次结构CPU键盘接口键盘显卡显示器MEM磁盘接口磁盘机器语言级机器指令系统程序员看到的属性进程管

12、理程序作业管理程序文件管理程序存储管理程序设备管理程序信息保护操作系统级机器注：作业管理包含用户界面功能。输入设备触发程序执行第19页/共71页 从使用语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构：应用程序级 （6）高级语言级 （5）汇编语言级 （4）操作系统级 （3）机器语言级 （2）微程序控制级（1）硬联逻辑级 （0）用户高级语言程序员汇编语言程序员操作员机器语言程序员逻辑设计员硬件设计员第20页/共71页由软件实现的机器称为：虚拟机。从学科领域来划分：第0和第1级属于计算机组成与系统结构；第3至第5级是系统软件；第6级是应用软件。第21页/共71页1 计算机系统结构发展1）、冯诺依曼

13、模型系统结构的发展（1）、组成（2）、特点存储器为一维线性空间、按地址访问-指令和数据均以二进制表示采用存储程序原理数据、指令存放于同一存储器中执行指令串行执行后继指令或地址由当前指令生成单处理机结构，以运算器为中心输入设备存储器运算器控制器输出设备注：数据线路 控制信号 运算器+控制器=CPU第22页/共71页（3）、缺点（4）、发展 采用多体交叉存储器，增加存储带宽，采用分离的指令、数据存储器，减少访问冲突 程序运行中不允许被修改动态再定位加载程序 采用流水线、多CPU等方法，开发并行性 采用数据流技术，减少并行性中的冲突 增加新的数据表示，进一步支持高级语言 以存储器为核心，使I/O设备

14、和CPU可并行工作 两个瓶颈：CPU存储器，指令串行执行 机器语言与高级语言间语义差别较大第23页/共71页2、影响系统结构发展的相关因素1）、软件对系统结构发展的影响 主要体现在软件可移植性问题上。机器语言级高级语言级微程序级虚拟机机器语言级高级语言级微程序级宿主机统一机器语言统一高级语言解释机器语言宿主机解释程序虚拟机机器语言(1)系列机 *实现软件可移植性思路：通过统一或扩展机器语言。*系列机：具有相同系统结构或对原系统结构进行扩充，具有不同的组成或实现技术的机器。*解决方法：通常有如下三种方法第24页/共71页 *对系统结构影响1：系列机思想使得新的组成与实现技术很快得到应用，大量兼容

15、产品出现，推动了系统结构发展。对系列机的要求-保证向后兼容，力争向上兼容！*软件兼容种类：向上/下、向前/后兼容。发布时间机器档次当前机器(如P4)向上兼容向下兼容(如小型机)高向后兼容向前兼容2005年 2006年 2009年(如嵌入式系统)低 *对系统结构影响2：为保持软件兼容性，要求系列机的系统结构基本不变，又限制了系统结构的发展。第25页/共71页(2)模拟与仿真 *模拟：用存放在主存中的机器语言解释程序解释虚拟机指令系统实现软件移植。同时需模拟存储系统、I/O系统、操作系统的操作.*仿真：用微程序直接解释虚拟机指令系统。同时需解释I/O系统、操作系统等的操作。*差别：解释语言不同机器

16、语言/微程序；解释程序存放位置不同主存/控存；是否有硬件参与方面不同无/有。*对系统结构影响：对系统结构的发展无限制，但模拟和仿真后系统性能不佳。第26页/共71页(3)统一高级语言 存在很大困难，可争取汇编语言级的统一。解决方案1：采用统一的中间语言(如Java)，通过解释执行以适应不同的系统结构。解决方案2：采用标准的开放系统(具有可移植性、交互操作性)，用硬件抽象层技术适应不同的系统结构。*对系统结构影响：对系统结构的发展无限制，但相关功能特性的接口一致。第27页/共71页2）、应用对系统结构发展的影响 *应用背景：应用领域、功能及性能要求有所不同。*应用需求：高速度、大容量、大吞吐率。

17、*系统结构设计思路：分成不同级别的系统，以提高性能/价格。巨、大型机-研究专用系统结构、组成技术；其它型机研究通用系统结构(吸纳先进结构与技术).*系统结构发展趋势：保持价格基本不变，提高性能；保持性能基本不变，降低价格。价格时间等性能线巨型机大型机中、小型机微型机 *对系统结构影响：专用系统结构无限制；通用系统结构如何有效实现专用结构通用结构。第28页/共71页3）、器件对系统结构发展的影响 *器件使用方法：通用片现场片半用户片用户片。*对系统结构影响：器件的发展推动了系统结构与组成技术的发展；如器件性能、使用方法影响系统结构及组成方法，器件性/价提高，使结构、组成下移速度更快，器件的发展，

18、推动算法、语言的发展 系统结构的发展要求器件不断发展。如新结构的使用，取决于器件发展能否提供可能 提高器件性能/价格，要求改变器件逻辑设计方法。第29页/共71页3、系统结构中并行性的发展1）、并行性 指能在同一时刻或同一时间间隔内完成2种工作的特性。并行性包含同时性和并发性两个特性。(1)并行性等级划分 *从执行程序角度分：指令内、指令间(ILP)、线程级、任务或过程级、作业或程序级；*从处理数据角度分：位串字串、位并字串、位串字并、全并行；*从信息加工步骤分：存储器操作并行、处理器操作步骤并行、处理器操作并行、任务或作业并行。第30页/共71页(2)并行性开发途径 *时间重叠：从时间上开发

19、并行性，多个处理过程轮流重叠使用同一部件的各部分;例流水线技术 *资源重复：从空间上开发并行性，同时使用重复设置的资源，以提高系统性能；例多CPU、双核CPU *资源共享：从软件上开发并行性，多个任务轮流顺序使用同一硬件设备。例网络打印机第31页/共71页2）、并行性发展(1)从单处理机方向看 *时间重叠：分离及细化功能部件流水线功能不同的宏流水处理机异构型多处理机系统；*资源重复：多操作部件和多体存储器相联及并行处理机同构型多处理机系统；*资源共享：多道程序及分时OS虚拟机处理机互连分布处理系统。(2)从多机系统方向看 *功能专用化：最低耦合系统专用外围处理机专用语言处理机异构型多处理机系统

20、；*多机互连：紧耦合系统可重构及容错系统同构型多处理机系统；*网络化：松耦合系统局域网分布处理系统。第32页/共71页4、计算机的分代和分型分代器件体系结构技术软件技术典型机器第一代(1945-1954)电子管和继电器存储程序计算机、程序控制I/O机器语言和汇编语言IBM701第二代(1955-1964)晶体管、磁芯、印刷电路浮点数据表示、寻址技术、中断、I/O处理机高级语言和编译、批处理监控系统IBM7030第三代(1965-1974)集成电路、多层印刷电路、微程序流水线、Cache、系列计算机多道程序和分时操作系统IBM360、DEC PDP-8第四代(1975-1990)LSI和VLSI

21、、半导体存储器向量处理、分布式存储器并行与分布处理IBM3090、DEC机VAX9000第五代(1991-)高性能微处理器、高密度电路指令级并行、计算机网络大规模、可扩展并行与分布IBM xServer、SUN E10000第33页/共71页第二章第二章 计算机硬件平台类型计算机硬件平台类型第34页/共71页单片机第35页/共71页单片机第36页/共71页ARM 芯片第37页/共71页第38页/共71页第39页/共71页1 微机内部硬件第40页/共71页第41页/共71页出产年份:1971年频率/前端总线:0.74MHz/0.74MHz(4bit)封装/针脚数量:陶瓷DIP/16针核心技术/晶

22、体管数量:10微米/2250第42页/共71页4004采用Harvard体系结构（该结构把指令和数据存储在物理上分离的存储设备中）；共有条指令；可寻址内存是为日本一家计算器公司生产第43页/共71页出产年份:1972年频率/前端总线:0.8MHz/0.8MHz(8bit)封装/针脚数量:陶瓷DIP/18针核心技术/晶体管数量:10微米/3300 第44页/共71页出产年份:1974年频率/前端总线:2MHz/2MHz(8bit)封装/针脚数量:陶瓷DIP/40针核心技术/晶体管数量:6微米/4000 第45页/共71页出产年份:1978年频率/前端总线:5MHz/5MHz(16bit)封装/针

23、脚数量:塑料DIP/40针核心技术/晶体管数量:3微米/29000 第46页/共71页出产年份:1982年 频率/前端总线:6MHz/6MHz(16bit)封装/针脚数量:陶瓷PGA/68针 核心技术/晶体管数量:1.5微米/134000 第47页/共71页出产年份:1985年频率/前端总线:16MHz/16MHz(32bit)封装/针脚数量:陶瓷PGA/132针核心技术/晶体管数量:1.5微米/275000 第48页/共71页出产年份:1989年频率/前端总线:25MHz/25MHz(32bit)封装/针脚数量:陶瓷PGA/168针(Socket 1,2,3)核心技术/晶体管数量:1微米/1

24、185000 第49页/共71页出产年份:1993年频率/前端总线:60MHz/60MHz(32bit)封装/针脚数量:陶瓷PGA/273针(Socket 4)核心技术/晶体管数量:0.8微米/3100000 Intel pentium第50页/共71页出产年份:1995年频率/前端总线:133MHz/66MHz(32bit)封装/针脚数量:陶瓷双槽PGA/387针(Socket 8)核心技术/L2技术:0.6微米/0.6微米核心晶体管数量/L2晶体管数量:5500000/15500000 Intel pentium PRO第51页/共71页出产年份:1997年频率/前端总线:150MHz/6

25、0MHz(32bit)封装/针脚数量:塑料PGA/296针(Socket 7)核心技术/晶体管数量:0.35微米/4500000 Intel pentium MMX第52页/共71页出产年份:1997年 频率/前端总线:233MHz/66MHz(32bit)封装/针脚数量:SECC/242针(Slot 1)核心技术/晶体管数量:Klamath、0.35微米/7500000 Intel pentium II第53页/共71页Pentium XEON出产年份:1998年频率/前端总线:450MHz/100MHz(32bit)封装/针脚数量:SECC/320针(Solt 2)核心晶体管数量/L2晶体

26、管数量:7500000/124000000 第54页/共71页Intel Celeron出产年份:1998年频率/前端总线:2GHz/533MHz(32bit)封装/针脚数量:FCPGA/478针核心技术/晶体管数量:0.3微米/7.5M第55页/共71页出产年份:1999年频率/前端总线:500Hz/100MHz(32bit)封装/针脚数量:FCPGA/478针核心技术/晶体管数量:0.18微米/28M Intel pentium III第56页/共71页出产年份:2000年频率/前端总线:2GHz/400MHz(32bit)封装/针脚数量:FCPGA/478针核心技术/晶体管数量:0.18

27、微米/28M Intel pentium 4第57页/共71页 Intel Core 2出产年份:2006年频率/前端总线:1.6GHz/800Hz(64bit)封装/针脚数量:FCLGA/755针核心技术/晶体管数量:0.45微米/第58页/共71页第59页/共71页第60页/共71页处理处理器号器号英特英特尔尔智能智能高速高速缓存缓存时钟时钟速度速度英特英特尔尔QPI速度速度DDR3速度速度集成集成内存内存控制器控制器英特尔英特尔超线程超线程（HT）技术技术四核四核45纳米纳米i7-9408MB2.93GHz4.8GT/秒秒800/1066MHz3通道，通道，2条条DIMM/通道通道8条处

28、理条处理线程线程i7-9208MB2.66GHz4.8GT/秒秒800/1066MHz3通道，通道，2条条DIMM/通道通道8条处理条处理线程线程英特尔 酷睿 i7 处理器特性：第61页/共71页英特尔 酷睿 i7 处理器为您带来难以想象的突破性四核性能，采用了诸多最新处理器技术：英特尔 智能加速技术，最大限度提升复杂应用的处理速度，动态提速功能为您提供最适合应用需求的处理能力。英特尔 超线程（HT）技术，支持高度线程化的应用，并行处理更多任务。为操作系统提供多达 8 条线程，多任务处理易如反掌。英特尔 智能高速缓存，提供更高的性能以及更有效的缓存子系统。已针对业内领先的多线程游戏做了优化。英

29、特尔 QPI，专门用于提高带宽，缩短延迟。能够结合至尊版处理器提供高达 25.6 GB/秒的数据传输速率。集成内存控制器，可支持三通道 DDR3 1066 MHz 内存，带来高达 25.6 GB/秒的内存带宽。该内存控制器具有低延迟、高带宽的优点，能轻松应对数据密集型应用。英特尔 HD Boost，显著改善大量多媒体和计算密集型应用的性能。支持 128 位 SSE 指令集，每时钟周期处理一条指令，在处理 SSE4 优化应用时效率更高。第62页/共71页2 台式机第63页/共71页3 笔记本电脑第64页/共71页4 塔式服务器第65页/共71页第66页/共71页机架式服务器第67页/共71页HP 1U机架式服务器注：1U=1.75英寸=44.45毫米 第68页/共71页刀片式服务器第69页/共71页5 计算机网络第70页/共71页感谢您的观看。第71页/共71页