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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。,,
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