計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)第08章

1、8.1 計算機(jī)的形態(tài)與發(fā)展趨勢一般認(rèn)為，計算機(jī)經(jīng)歷了4個時代，即電子管時代、晶體管時代、集成電路時代、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代。,第8章 微機(jī)系統(tǒng)及服務(wù)器技術(shù),8.1.1 移動型計算機(jī)1：掌上電腦1．掌上電腦概況掌上電腦是PDA（Personal Digital Assistant）系列的高端產(chǎn)品，俗稱掌上機(jī)。廣義的PDA還包括電子詞典、電子記事本、個人通訊助理機(jī)等產(chǎn)品，但也有很多人就直接稱掌上電腦為PDA。,2．掌

2、上電腦的結(jié)構(gòu)特點掌上電腦，顧名思義是手掌上的電腦，也就是能夠在手掌上操作使用的電腦。因此，其外形、體積、重量和操作方式都要能適應(yīng)手上操作的需要：既要方便攜帶，也要便于手持和在運動的狀態(tài)下輸入，同時還要具有普通電腦的一般功能。為滿足以上要求，掌上電腦有其獨特的結(jié)構(gòu)特點。,（1）在硬件方面，掌上電腦的特點是體積小、重量輕、便于攜帶。掌上電腦的體積（長×寬×高）一般在120mm×50mm×16mm到

3、140mm×90mm×20mm之間，重量一般在150～250g之間，形狀為扁平長方體，便于手持，圖8.1所示是兩款掌上電腦的外形圖。掌上電腦的基本配置如下。,,圖8.1 掌上電腦外形圖,輸入設(shè)備：觸摸屏是掌上電腦的主要輸入設(shè)備。CPU：一般采用主頻為75MHz（現(xiàn)在已達(dá)到133MHz、206MHz）基于RISC的內(nèi)嵌式32位處理器。內(nèi)存：一般為2MB~16MB的Flash RAM及4MB~32MB的ROM，

4、并可以通過PCMCIA插槽進(jìn)對RAM及ROM進(jìn)行擴(kuò)展。,顯示器：普遍采用分辨率為320×240像素和160×160像素的單色背光式LCD，灰度一般為4~8級，即使在低照度下也能使用。目前，也有部分掌上電腦使用真彩的LCD。,（2）在通信方面，掌上電腦的特點是外部接口功能較強，除了前面所述的PCMIA擴(kuò)展槽外，一般還配有多用適配器接口，紅外通訊端口（IrDA，The Infrared Data Association）

5、、通用電話接口和RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口，有的還內(nèi)置了Fax/Modem，配置了自適應(yīng)（IR，Infrared）功能裝置。,（3）在功耗方面，由于掌上電腦的移動計算和流動通信的要求，在很多場合都要使用電池驅(qū)動，因此掌上電腦的功耗較小，一般都采用2節(jié)5號或7號可充電的高效電池，它們支持掌上電腦正常運行時間在2~8小時之間。,3．掌上電腦的操作系統(tǒng)掌上電腦的操作系統(tǒng)的功能與臺式機(jī)相似，可以說是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，現(xiàn)有很多廠商涉足操作系統(tǒng)的

6、研究與開發(fā)。影響較大的有以下4種：EPOC、Linux、Palm OS和Windows CE。,4．掌上電腦的功能和應(yīng)用掌上電腦的主要功能是移動計算和通信，具體而言，可以分為以下幾個方面：① 信息處理。② 任務(wù)管理。③ 連接上網(wǎng)。④ 同步傳輸。,8.1.2 移動型計算機(jī)2：筆記本電腦筆記本電腦能滿足移動終端設(shè)備所必須的移動性和高智能性。一方面，它適合移動計算、野外作業(yè)，體積小，重量輕，功能強，可用電池供電及無線

7、通信等功能；另一方面，它的性能直追臺式機(jī)，幾乎具備臺式機(jī)所有的功能。因此，筆記本電腦的應(yīng)用已非常廣泛。,1．筆記本電腦的組成雖然筆記本電腦的體積、重量、外形與臺式機(jī)相差甚遠(yuǎn)，但其功能和性能與臺式機(jī)基本相似，所以筆記本電腦的組成和部件與臺式機(jī)相同，但各個部件又有其特殊的要求和標(biāo)準(zhǔn)，圖8.2所示是筆記本電腦的外觀圖。,,圖8.2 筆記本電腦的外觀圖,輸入設(shè)備：與臺式機(jī)一樣，筆記本電腦的輸入設(shè)備主要是鍵盤和鼠標(biāo)。 CPU：低散熱和低

8、功耗決定了筆記本電腦CPU在工藝上不同于臺式機(jī)，在處理速度上也稍遜于臺式機(jī)。 硬盤：筆記本電腦的硬盤同樣也存在容量與體積之間的矛盾。,顯示器：筆記本電腦的顯示器采用平板液晶顯示器（LCD）。 主板：與臺式機(jī)不同，筆記本電腦的主板采用了ALL-IN-ONE設(shè)計。 電源系統(tǒng)：包括電源適配器、充電電池和電源管理系統(tǒng)等。筆記本電腦采用的電池基本上是鎳電池和鋰電池。,2．筆記本電腦的接口由于筆記本電腦具有移動計算和體積較小等特點，

9、它除了有與臺式機(jī)相同的串、并接口和鼠標(biāo)接口外，還有一些特殊的接口，這些接口主要是為了滿足功能擴(kuò)充和通信的需要。 PC卡接口USB接口ZV接口紅外傳輸接口,3．筆記本電腦的應(yīng)用筆記本電腦的應(yīng)用已無處不在，在新聞、文化、金融、貿(mào)易、管理和教育等各個領(lǐng)域已發(fā)揮越來越重要的作用。,8.1.3 臺式機(jī)1．概述臺式機(jī)就是我們常說的微型計算機(jī)，俗稱“微機(jī)”，是目前使用最為廣泛的一類計算機(jī)。,2．微型計算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)總線

10、是微計算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行通信的主體線路。微機(jī)總線結(jié)構(gòu)的發(fā)展一共經(jīng)歷了以下幾個階段：PC/XT總線、ISA總線、EISA總線、MCA總線、VESA總線、PCI總線和AGP總線。其中，AGP總線只負(fù)責(zé)CPU和AGP顯示之間的指令、數(shù)據(jù)和地址的傳輸，它可以和PCI總線共存。,3．主板臺式機(jī)的主板有兩種形式即AT與ATX主板。早期的臺式機(jī)使用AT主板，現(xiàn)在的臺式機(jī)都使用ATX主板，ATX主板在功能部件的布局上更利于擴(kuò)展。主板上主要部件有：CPU（

11、或CPU插槽）、高速緩存（Cache）、主存儲器（Memory）、邏輯芯片組Chipset、I/O控制器等等。,,圖8.3 AGP/PCI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,4．外部存儲設(shè)備臺式機(jī)的外部存儲設(shè)備主要包括硬盤、軟盤驅(qū)動器和光盤驅(qū)動器。其中硬盤是最常用的設(shè)備而且硬盤存儲技術(shù)的發(fā)展也是最快的。臺式機(jī)常用的軟盤是1.44MB的3.5英寸磁盤。光盤一般是CD-ROM，其容量大致為600MB左右。,5．I/O設(shè)備臺式機(jī)的主要輸入/輸出設(shè)備有鍵

12、盤、鼠標(biāo)和顯示器。,8.1.4 服務(wù)器1．概述服務(wù)器是計算機(jī)的又一形態(tài)，它與臺式機(jī)的區(qū)別不是在外形而是在功能上，因為在一些要求不高的場合一般臺式機(jī)也可以作為服務(wù)器。 服務(wù)器是一種更高形態(tài)的計算機(jī) 。,2．服務(wù)器的選擇服務(wù)器的選擇一般根據(jù)實際的需要，可以選擇大型機(jī)或小型機(jī)，也可選擇普通的PC機(jī)，常用的是PC專用服務(wù)器。 PC專用服務(wù)器由于采用了多種技術(shù)具有較多優(yōu)點，它把大型機(jī)和小型機(jī)的高可靠性、較好的容錯能力和較強的數(shù)

13、據(jù)處理能力與PC機(jī)的操作方便、兼容性強、價格低的優(yōu)勢融為一體，是一般網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)服務(wù)器的主要選擇對象。,8.2 服務(wù)器技術(shù),8.2.1 服務(wù)器的種類、特點和性能1．服務(wù)器的分類服務(wù)器的分類有多種方法，主要按以下幾種標(biāo)準(zhǔn)來劃分：① 按CPU類型分：RISC架構(gòu)服務(wù)器和CISC架構(gòu)服務(wù)器。,② 按用途分：運算服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)文件服務(wù)器、電子郵件服務(wù)器和打印服務(wù)器等。 ③ 按規(guī)模分：大型服務(wù)器

14、（計算中心級或企業(yè)級）、中型服務(wù)器（部門級）、小型服務(wù)器（基層工作組織）、入門級服務(wù)器等。,2．服務(wù)器的性能評價服務(wù)器的性能主要包括服務(wù)器的運算能力、I/O能力、任務(wù)處理能力等方面。為衡量服務(wù)器性能的優(yōu)劣，現(xiàn)已提出了多種測試標(biāo)準(zhǔn)，常用的SPEC測試和TPCC測試。,3．服務(wù)器的特性與相關(guān)技術(shù)服務(wù)器的主要特性可概括為3點，即服務(wù)器的可靠性、可用性和可擴(kuò)展性。服務(wù)器的可靠性是指服務(wù)器可提供的持續(xù)非故障時間，故障時間越少，服務(wù)器的可靠

15、性越高。,服務(wù)器的可用性追求的是零故障時間，也就是說，如果以一年為標(biāo)準(zhǔn)則一年356天，每天24小時都要不間斷地工作且不出現(xiàn)故障。 服務(wù)器的可擴(kuò)展性通常包括：中央處理器的擴(kuò)展，內(nèi)存、外存容量的擴(kuò)展及服務(wù)器對各種國際標(biāo)準(zhǔn)的支持。,為了提高服務(wù)器的性能，計算機(jī)廠商主要采用了以下技術(shù)：冗余技術(shù)；故障在線修復(fù)技術(shù)；機(jī)群系統(tǒng)；光纖通道技術(shù)；糾錯碼（ECC）和服務(wù)器自動重啟動（ASR）技術(shù)等等。,8.2.2 SMP多處理器原理對稱多處理器（

16、SMP）結(jié)構(gòu)是當(dāng)前并行服務(wù)器常用的結(jié)構(gòu)。如圖8.4所示，它是由多個微處理器互連而成，處理器數(shù)可多達(dá)幾十個，各個處理器完全相同，能同等地訪問存儲器的每一個單元和控制每一臺I/O設(shè)備。,,圖8.4 SMP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,1．SMP技術(shù)特性SMP采用共享存儲器結(jié)構(gòu)，其互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)采用總線或交叉開關(guān)方式，多個CPU對稱地與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相連，整個系統(tǒng)有如下特點：（1）處理速度大大提高（2）單一地址空間（3）高速緩存的一致性（4）低時延的存儲器通

17、信,2．高速緩存的一致性問題在SMP結(jié)構(gòu)中存在高速緩存的一致性問題，當(dāng)多臺處理機(jī)對共享存儲器某個單元在其本地高速緩存中的拷貝要進(jìn)行維護(hù)時，只要對該單元的本地拷貝進(jìn)行修改，就有可能引起存儲器的全局不一致性。這種不一致性在多處理器結(jié)構(gòu)中是必須要避免的。,（1）不一致性問題的產(chǎn)生圖8.5所示說明了由數(shù)據(jù)共享和進(jìn)程遷移所引起的高速緩存的不一致。,,圖8.5 數(shù)據(jù)共享和進(jìn)程遷移中的高速緩存一致性問題,繞過高速緩存的I/O操作也可能產(chǎn)生

18、不一致性問題。圖8.6中，在高速緩存和SM中保存同樣的變量X，當(dāng)I/O處理機(jī)將一個新的數(shù)據(jù)X1寫入SM中時，繞過了采用寫通過策略的高速緩存，如圖8．6(b)所示，則在高速緩存和SM之間產(chǎn)生了不一致性；當(dāng)直接從共享存儲器輸出數(shù)據(jù)時，如圖8.6(c)所示，采用寫回策略的高速緩存也會產(chǎn)生不一致性。,,圖8.6 繞過高速緩存的I/O操作的不一致性,（2）不一致性的解決方案在采用總線結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)中，總線是保證高速緩存一致性的最方便的裝置

19、。總線結(jié)構(gòu)允許系統(tǒng)中所有處理器能觀察到存儲器的狀態(tài)。如果總線操作破壞了本地高速緩存中數(shù)據(jù)的一致性狀態(tài)，那么高速緩存的控制器就采用相應(yīng)的操作使本地拷貝失效。這種方案就是廣播偵聽（snoop）和寫失效策略。,在可擴(kuò)展的多處理機(jī)系統(tǒng)中可以采用點對點的方式直接實現(xiàn)處理機(jī)的互連或者采用多級網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)處理機(jī)的互連。這些網(wǎng)絡(luò)由于沒有方便的監(jiān)聽機(jī)制和有效的廣播功能，在解決高速緩存的一致性問題時，一般采用各種目錄的方法。,此外，在解決由I/O操作所引起的高

20、速緩存不一致性問題時，可以采用把I/O處理機(jī)分別連接到私有的高速緩存上的方法。采用這種方法后，I/O處理機(jī)就和CPU共享高速緩存。如果通過總線能保持高速緩存的一致性，那么也可以保持I/O的一致性。,3．SMP的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)要較好地實現(xiàn)SMP系統(tǒng)，主要解決兩個問題，一是如何正確、高效地處理Cache一致性；二是如何向CPU提供足夠的訪存帶寬。下面具體介紹幾種常用的SMP結(jié)構(gòu)。,（1）總線式結(jié)構(gòu)如圖8.7所示，其中Agent是系統(tǒng)控制器

21、，主要功能是完成對整個系統(tǒng)的控制，包括系統(tǒng)總線仲裁、CPU命令解釋執(zhí)行、Cache一致性處理及MM、I/O控制，中斷傳送等。,,圖8.7 總線SMP結(jié)構(gòu),（2）交叉開關(guān)（Crossbar）結(jié)構(gòu)如圖8.8所示，交叉開關(guān)結(jié)構(gòu)將CPU、MM、I/O劃分成相對獨立的模塊，每個模塊對外部都有足夠的傳輸帶寬，最后用交叉開關(guān)將各部件連接成一個整體。在結(jié)構(gòu)中由于采用了PAC和MAC大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，但是Cache一致性處理速度較慢。,,圖8

22、.8 Crossbar結(jié)構(gòu)框圖,（3）總線與交叉開關(guān)結(jié)合型結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)具有Cache一致性處理速度快、操作簡單的特點，而交叉開關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸率高，兩者結(jié)合起來相互取長補短，即為結(jié)合型結(jié)構(gòu)。,8.2.3 機(jī)群服務(wù)器機(jī)群服務(wù)器是指通過特殊的軟件和硬件將兩臺或多臺計算機(jī)連結(jié)在一起而構(gòu)成的服務(wù)器系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上講，整個系統(tǒng)采用的是機(jī)群技術(shù)，就功能而言，整個系統(tǒng)是作為服務(wù)器使用。采用機(jī)群技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)中心的數(shù)據(jù)處理能力和服

23、務(wù)能力；同時，由于機(jī)群系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性，并且與大、中型機(jī)相比有較高的價格優(yōu)勢，所以目前很多服務(wù)器都是機(jī)群結(jié)構(gòu)。,1．機(jī)群技術(shù)機(jī)群（Cluster）是并行或分布式計算機(jī)系統(tǒng)的一種類型，它是由一組完整的計算機(jī)互連而成，可以作為一個單獨的統(tǒng)一資源來使用。,機(jī)群系統(tǒng)的主要優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）使用方便（2）可靠性好（3）可擴(kuò)展性好（4）性能價格比好,2．機(jī)群服務(wù)器機(jī)群服務(wù)器技術(shù)可以從兩個方面理解：一方面是多個

24、服務(wù)器作為機(jī)群的節(jié)點而構(gòu)成的一個大的服務(wù)器系統(tǒng)；另一個方面是由多個計算機(jī)構(gòu)成的機(jī)群作為服務(wù)器。,（1）服務(wù)器鏡像技術(shù)服務(wù)器鏡像技術(shù)是將建立在同一局域網(wǎng)上的兩臺服務(wù)器通過軟件或其他特殊的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（比如鏡像卡）將兩臺服務(wù)器的硬盤做鏡像。其中一臺服務(wù)器被指定為主服務(wù)器，另一臺為從服務(wù)器。由主服務(wù)器進(jìn)行事務(wù)處理和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從服務(wù)器只在主服務(wù)器出現(xiàn)故障時才投入運行，主、從服務(wù)器之間通過特殊的監(jiān)視機(jī)制互相監(jiān)測對方的狀態(tài)，如圖8.9所示。,,圖8

25、.9 服務(wù)器鏡像示意圖,（2）錯誤接管機(jī)群技術(shù)錯誤接管機(jī)群技術(shù)是將建立在同一個網(wǎng)絡(luò)里的兩臺或多臺服務(wù)器通過機(jī)群技術(shù)連接起來。機(jī)群節(jié)點中的每臺服務(wù)器各自有不同的作用，分別為用戶提供不同的服務(wù)，同時每臺服務(wù)器又監(jiān)測其它服務(wù)器的運行狀態(tài)，為指定服務(wù)器提供熱備份。當(dāng)某一結(jié)點因故障停機(jī)時，機(jī)群系統(tǒng)中指定的服務(wù)器會很快接管故障機(jī)的數(shù)據(jù)和應(yīng)用，繼續(xù)為用戶提供服務(wù)。,為了能有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)和應(yīng)用接管，錯誤接管技術(shù)一般都采用共享外部存儲設(shè)備的方式。如

26、圖8.10所示，兩臺或多臺服務(wù)器與共用的存儲設(shè)備（比如磁盤陣列）相連，數(shù)據(jù)一般都存放在共享存儲設(shè)備上。該技術(shù)具有良好的擴(kuò)展性，但因為采用了共享存儲設(shè)備，所以增加了外設(shè)費用。,,圖8.10 錯誤接管機(jī)群技術(shù)示意圖,（3）虛擬服務(wù)器技術(shù)虛擬服務(wù)器是建立在機(jī)群系統(tǒng)上的高性能服務(wù)器，如圖8.11所示，物理服務(wù)器（Real Server）通過高速交換機(jī)互連，負(fù)載平衡機(jī)（Load Balancer）接收用戶的請求并將其調(diào)度到物理服務(wù)器節(jié)點上。

27、,,圖8.11 虛擬服務(wù)器結(jié)構(gòu)示意圖,3．曙光2000介紹曙光2000是由國家智能能計算機(jī)研究開發(fā)中心研制的基于分布式存儲機(jī)群系統(tǒng)和消息傳遞機(jī)制的超級計算機(jī)系統(tǒng)。,它的節(jié)點可以從4個擴(kuò)展到128個，節(jié)點采用Power PC640e微處理器，節(jié)點之間通過10M/100Mbit/s高速以太網(wǎng)和100Mbit/s的“蟲孔”路由芯片組成的網(wǎng)絡(luò)互連，如圖8.12所示，每個節(jié)點都有自己的微處理器、內(nèi)存、內(nèi)置硬盤，通過PCI總線與外部相連。,,