單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論

單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日內(nèi)容提要計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四個層次的認(rèn)識國內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀華中科技大學(xué)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)科介紹國內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展機會何在第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四個層次的認(rèn)識哲學(xué)：信息與數(shù)字?jǐn)?shù)字的力量科學(xué)：后圖靈理論軟硬件的新定義；軟硬件互動現(xiàn)象；

終極信念技術(shù)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的AIPSN三角形處理、存儲、傳輸技術(shù)前沿與走向應(yīng)用：無所不在的計算與后臺支持；

流式多媒體是未來應(yīng)用的方向第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日哲學(xué)層次信息與數(shù)字（為什么信息化等于數(shù)字化）數(shù)字的極其強大的表達(dá)信息的能力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：研究對數(shù)字進(jìn)行操作的機器系統(tǒng)—計算機的結(jié)構(gòu)第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日人類自然信息狀態(tài)（不借助任何工具和技術(shù)的狀態(tài)）輸入（獲?。嚎?、聽、聞、嘗、感處理：大腦，世間最強大的處理器傳輸：聲音、手勢存儲：大腦輸出（表達(dá)）：語言、手勢、表情自然狀態(tài)的不足第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日信息技術(shù)與工具和人類發(fā)明了機械和交通技術(shù)和工具一樣（主要是材料和能量技術(shù)），人類也發(fā)明了非常豐富多彩的信息技術(shù)和工具：輸入（獲取）：望遠(yuǎn)鏡、傳感器（發(fā)展較晚）處理：算籌、算盤、計算器、計算機傳輸：烽火臺、旗語、鼓語、郵遞、書籍、交通、電報、電話、無線電、電視、Internet存儲：結(jié)繩計數(shù)、文字、繪畫、紙和印刷（非常偉大的發(fā)明，現(xiàn)代技術(shù)很多方面都沒有超過它）、照相、錄音、錄像、數(shù)字存儲輸出（表達(dá)）：文字、繪畫、聲音（音響）、圖形、圖像（顯示技術(shù)）（包括電影電視）第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日現(xiàn)象：九九歸一，數(shù)字化大潮世紀(jì)之交的技術(shù)大轉(zhuǎn)移：數(shù)字化大轉(zhuǎn)移時間：世紀(jì)之交前后50年50年前開始，50年后成熟，信息領(lǐng)域數(shù)字技術(shù)一統(tǒng)天下目前正是轉(zhuǎn)移的高峰期：計算機與Internet、數(shù)字控制、數(shù)字錄音、數(shù)據(jù)通訊（目前主干，即將用戶）、數(shù)字電視、數(shù)字廣播、數(shù)字相機、數(shù)字?jǐn)z像、數(shù)字城市、數(shù)字流域、數(shù)字地球……...數(shù)字化生存50年后，不是數(shù)字的信息產(chǎn)品很難見到（成熟）第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日信息統(tǒng)一于數(shù)字！第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日潛在的真理

WHY?

“電”是人類至今為止找到的最佳能量媒介（電統(tǒng)治了能量領(lǐng)域）終于找到了！“bit”是人類至今為止找到的最佳信息媒介（信息統(tǒng)一于數(shù)字）

第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日數(shù)字的力量thepowerofdata1.可表達(dá)各種信息形式（人能接受的信息：文字、聲音、圖形、圖像、視頻；觸覺？嗅覺？味覺？；機器能接受的信息：電流、電壓等）（“比特”強大的表達(dá)能力）2.可表達(dá)人的思想、辦法、事物的規(guī)律

（程序的力量）3.可用單一的形式進(jìn)行處理、傳輸、存儲（實現(xiàn)的簡單性）(任何信息設(shè)備都是相似的）第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日與數(shù)學(xué)的比較數(shù)學(xué)是抽象描述客觀世界的靜態(tài)符號系統(tǒng)“比特”在計算機的操作下，成為客觀世界動態(tài)的符號系統(tǒng)“bit”表達(dá)信息的范圍〉〉數(shù)學(xué)表達(dá)信息的范圍所以，計算機始于計算，但高于計算計算機真正的能力在于對“bit”進(jìn)行操作（有步驟的處理、傳輸、存儲）第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日科學(xué)層次計算科學(xué)的開山之作：圖靈機模型第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日圖靈理論希爾伯特問：存不存在一個解決所有數(shù)學(xué)問題的一般算法？圖靈答道：有！圖靈理論的俗解：如果不考慮時間，只要對bit進(jìn)行處理、移動、存儲操作，就能解決任何數(shù)學(xué)計算問題！這個理論指明了bit的強大功能，也包含了計算機的設(shè)計思想第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日后圖靈理論只要對bit進(jìn)行處理、傳輸、存儲，就能解決幾乎一切信息問題！系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信念：只要處理、傳輸速度足夠快，存儲容量足夠大，一切信息問題都能解決?。ù嬖谥@樣的可能性）這個結(jié)論給我們一個信念：數(shù)字化信息世界一定能實現(xiàn)！第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日硬件、軟件的新定義硬件：轉(zhuǎn)換域硬件：1、將各種形式的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息；2、將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為各種形式的信息（圖像、聲音、文字輸入輸出設(shè)備）數(shù)字域硬件：對數(shù)字進(jìn)行處理、傳輸、和存儲的硬件（計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的對象）第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日數(shù)字域的三種操作處理：對數(shù)字進(jìn)行改變性操作

CPU,DSP,ASIC,邏輯電路傳輸：對數(shù)據(jù)進(jìn)行有目的的移動操作總線、網(wǎng)絡(luò)（機器內(nèi)部網(wǎng)，LAN，WAN，INTERNET，無線網(wǎng)絡(luò)）存儲：對數(shù)據(jù)進(jìn)行不變性的保存RAM，ROM，F(xiàn)LASH，硬盤，光盤，存儲系統(tǒng)（RAID，NAS，SAN）第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日軟件新定義（可運行的）思想和內(nèi)容的數(shù)字化思想：算法、規(guī)律、辦法（由程序承擔(dān)）內(nèi)容：圖形、圖像、數(shù)據(jù)、聲音、文字等第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日所有的硬件都是相似的，軟件則各有各的不同

各種硬件在數(shù)字域都有相同或相似的內(nèi)臟各個領(lǐng)域都有自己的軟件，但也有共性軟件（這就是我們從事計算機行業(yè)的人要干的事，系統(tǒng)軟件：OS，數(shù)據(jù)庫，普遍使用的應(yīng)用軟件）第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日軟硬件獨立原理和互動原理獨立原理：軟件理論上能實現(xiàn)的功能本質(zhì)上與硬件是獨立的（不管硬件是何種形式）互動原理：軟件實際能實現(xiàn)的功能受制于硬件，硬件發(fā)展一個臺階，軟件就能發(fā)展一大步第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日終極信念數(shù)字表示信息的能力是極為強大的最強大之處在于表達(dá)人的思想人的思想是無限的所以，利用數(shù)字進(jìn)行創(chuàng)造的可能性也是無限的只要足夠快，就能實現(xiàn)某種創(chuàng)造歷史的回顧跟隨法與超前法第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總趨勢加快處理的速度加快傳輸?shù)乃俣燃哟蟠鎯Φ娜萘亢图涌齑鎯Φ乃俣燃涌欤?。器件快

2。結(jié)構(gòu)快（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的課題）第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日工程層次利用已有的器件技術(shù)，在一定的價格限制下，設(shè)計出性能最好的計算機（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任務(wù)）計算機---數(shù)字操作機器件的變化：機械、繼電器、電子管、晶體管、集成電路、LSI、VLSI、ULSI、量子計算機、光計算機、生物計算機……第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日APSNI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)AIPSN圖第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日系統(tǒng)結(jié)構(gòu)AIPSN圖總目標(biāo)：加速AccelerationA：Architecture,Amdalh’slawI:Instruction,InterfaceP:Processing,ParallelS:Storage,SystemN:Network,coNnection第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日硬件前沿處理以處理器的發(fā)展為核心發(fā)展動力：1.晶體管數(shù)按摩爾定律增加

2.頻率提高過去水平（1978）：Intel8086,3微米工藝，2.9萬個晶體管，6MHz目前水平（2001）：Alpha21464,0.125微米工藝，25000萬個晶體管,大與2GHz將來水平（2005）：10億晶體管，頻率？第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日處理器芯片內(nèi)的技術(shù)現(xiàn)有技術(shù)：以指令級并行技術(shù)為主流水線：指令流水線、數(shù)據(jù)流水線超標(biāo)量：多套部件、片內(nèi)SIMD、VLIW后RISC、多媒體擴展指令前沿技術(shù)：多個處理核心集成在單個芯片中第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日

摩爾定律(Moore’sLaw)

假設(shè)價格保持不變，處理器芯片上的晶體管數(shù)每18個月翻一番1979-2001，22年精確的符合還要符合10年以上印度舍漢姆國王與大臣的故事（64方格棋）（最后一個方格放粒麥子，20位數(shù)，要數(shù)5840億年?。┑诙唔?，共五十七頁，2022年，8月28日世界第一臺電子計算機ENIAC18000個晶體管70000電阻器18000電容器30噸第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日V-IRAM1:0.25μm,FastLogic,200MHz

1.6GFLOPS(64b)/6.4GOPS(16b)/16MBMemoryCrossbarSwitchMM…MMM…MMM…MMM…MMM…MMM…M…MM…MMM…MMM…MMM…M+VectorRegistersx÷Load/Store16KIcache16KDcache2-waySuperscalarVectorProcessor4x644x644x644x644x644x64or8x32or16x164x644x64QueueInstructionI/OI/OI/OI/OSerialI/O第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日處理能力的需求無止境

科學(xué)計算、商業(yè)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對計算能力的需求是單個處理器所無法滿足的解決辦法：系統(tǒng)技術(shù)并性處理：多處理器（SMP,cc-NUMA）多計算機（MPP，CLUSTER,GRID)第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日無所不在的計算

PervasiveComputing計算機發(fā)展的特點：1.無所不在的含有智能的小裝置；2.支持服務(wù)的后臺巨型計算機第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日將來的處理技術(shù)量子計算（最令人鼓舞的進(jìn)展）光計算（目前狀況，速度快，集成度低）生物計算（DNA計算機，起步階段）第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日存儲的前沿半導(dǎo)體存儲：RAM,ROM,FLASH的高速發(fā)展目前硬盤存儲：100GB2萬轉(zhuǎn)/分實驗室水平：一道一GPC機的主流硬盤容量增加2,000倍10MB100MB500MB4GB10GB20GB第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日存儲前沿（續(xù)）光存儲：CD-ROM，DVD，MO近場光記錄，全息存儲第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日數(shù)字化信息的增長趨勢爆炸性增長（主要爆發(fā)點：多媒體，Internet)----容量需求不斷的增長----可擴展性需求第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日WirelessOnlineVideoE-CommerceCustomerMgmt.DATADataAnalysisEnterprise

ApplicationsClient/Server70’s 80’s 90’s 00’s 10’sBasic

AccountingExplosioninDataVolumes數(shù)據(jù)信息爆炸式增長第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日典型的存儲容量需求挑戰(zhàn)網(wǎng)站多媒體,XonDemand數(shù)字化XX:數(shù)字化流域，數(shù)字化城市，數(shù)字化地球…...電子商務(wù)虛擬現(xiàn)實人類基因庫從現(xiàn)在起的18個月內(nèi),新的存儲量等于有史以來老的存儲量之和!

———1998年圖靈獎獲得者JimGray第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日性能：瓶頸的轉(zhuǎn)移應(yīng)用的轉(zhuǎn)移CPU瓶頸70年代90年代網(wǎng)絡(luò)瓶頸80年代內(nèi)存瓶頸00年代海量存儲瓶頸共享處理機

共享存儲器里的數(shù)據(jù)Makethecommoncasefast!第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日Network網(wǎng)站的存儲：幾十萬用戶同時點擊到一個站點去獲得海量存儲系統(tǒng)中的信息。WWW:worldwideweb變?yōu)閣orldwidewait第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日數(shù)據(jù)是最寶貴的財富對很多領(lǐng)域，數(shù)據(jù)是比硬件設(shè)備寶貴得多的資源:銀行、電信、保險、電子商務(wù)、網(wǎng)站、企業(yè)信息………

信息安全（數(shù)據(jù)備份，災(zāi)難恢復(fù)）第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日現(xiàn)有的存儲體系結(jié)構(gòu)Directattatchedstorage（DAS）直連存儲Centralizedstorage集中式存儲Network-attatchedstorage(NAS)附網(wǎng)存儲Storageareanetworks(SANs)存域網(wǎng)第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日Direct－attachedstorage

（DAS）直連存儲結(jié)構(gòu)圖第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日Centralizedstorage

集中式存儲結(jié)構(gòu)圖第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日Network-Attachedstorage

（NAS）附網(wǎng)存儲結(jié)構(gòu)圖第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日StorageAreaNetworks

（SAN）存域網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日SAN的構(gòu)成IBMSUNSymmetrix

StorageHubS10/L10SwitchF16IntegratedManagementHPJBOD’s&ArraysTapeLibrariesNTBridgeFC4/2HighSpeedNetworkHPUXServersServersSANStorage

DevicesFC10FC3012HMC256HPEQUATIONARCHITECTUREHPSureSpan第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日傳輸前沿寬帶網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)已完全光纖化（傳輸容量10-100Tbps，路由交換10G-1Tbps)接入網(wǎng)的瓶頸正在攻克(xDSL,ISDN,Cablemodem,FTTH)（Internetmovie)無線網(wǎng)方興未艾(視頻手機，移動計算，Bluetooth技術(shù)）第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日不同的應(yīng)用對計算機的要求是很不一樣的科學(xué)計算：浮點性能商業(yè)應(yīng)用：事務(wù)處理能力網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：響應(yīng)時間、傳輸能力通用機：綜合性能不同的應(yīng)用要用不同類型和不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機應(yīng)用層次第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日軟件前沿1.以INTERNET為平臺的軟件Microsoft.NET,I軟件（InternetInside)JAVA,GRID2.智能軟件智能人機界面（語音識別、自然語言理解、手勢識別）3.多媒體與虛擬現(xiàn)實軟件多媒體表達(dá)，多媒體查詢，VR互動“bethere”—三維全息實體顯示第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日系統(tǒng)結(jié)構(gòu)未來幾年的熱點移動多媒體計算1。無所不在的小裝置2。強大的后臺支持結(jié)構(gòu)第五十頁，共五十七頁，2022年，8月28日小結(jié)哲學(xué)層次：數(shù)字與信息的關(guān)系科學(xué)層次：后圖靈原理，認(rèn)識“bit”強大的力量工程層次：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容如何設(shè)計高性能的計算機應(yīng)用層次：計算機的設(shè)計及結(jié)構(gòu)特點與應(yīng)用緊密相關(guān)第五十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日國際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究單