嵌入式复习提纲(浙江大学)

1、陈天洲 浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p服务器n目标：p可用性p可扩展性p有效带宽n利润最大的市场n包括大型机、超级计算机等p桌面n办公等用途n最广阔的市场n包括台式机，笔记本p嵌入式n非计算机形态n潜力最大的市场p以往计算机分类：n大型计算机、中型机、小型机和微计算机p目前计算机分类：n超级计算机，大型计算机、工作站、微计算机、亚微计算机亚微计算机(嵌入式计算机) 是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p微软在2002年将嵌入式系统定义为完成某一特定功能、或是使

2、用某一特定嵌入式应用软件的计算机或计算装置。 p英国电机工程师学会的定义:n “嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂操作的装置”n通常执行特定功能n以微电脑和外围构成核心n严格的时序和稳定性要求n全自动操作循环p精确定义:n以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p有处理器n计算机五大部件p运算器，控制器合称处理器p存储器p输入输出n如果只有存储器、输入输出，不能认为是嵌入式系统p不能执行计算机最基础的功能p常用32位处理器n价格

3、与单片机接近n性能高n网络支持能力强浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备组成p高集成度n逐步形成单芯片解决方案p系统芯片 (SOC)p定制性n面向用户n面向产品n面向应用 p解决方案不唯一n不可垄断的高度分散的工业，候选器件太多n而PC由WINTEL（window，intel）垄断浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软件、开发工具p软件要求固态化存储 p稳定性要求高n软件代码高质量、高可靠性p可能无系统软件p软硬件紧密结合，协同开发浙浙 江江 大大

4、 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p实时性强p功耗低p支持升级n软件和硬件结合紧密p由于定制，可能无硬盘，无通用操作系统p产品升级换代困难p和硬件同步升级n具有较长的生命周期浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/pUMPC：Ultra-Mobile PCpPDAn个人信息助理n掌上电脑p手机n普通手机n智能手机p与PDA结合pPMP：Portable Media Playerp办公用品n录音笔nFLY数字笔nGenius数字便笺nPolymer Vision手机书p手表nMartin Frey手表n手表手机：M300nNike的S

5、peed+手表n韩国防性罪犯的电子手镯n爱国者视频MP4手表p运动玩具游戏nGTX公司定位的运动跑鞋n遥控蜻蜓n次世代p摄像器材n数码相机nDVp智能家居n智能家具n智能家电p多媒体终端nIP电话n视频会议n可视电话p家庭音响p电视n高清电视、数字电视、立体显示技术p汽车电子p军工n武器控制系统、数字化单兵系统浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p嵌入式设备多为电池供电n如一个无线传感网（WSN）的节点可能由电池供电工作若干年p嵌入式手持设备向移动多媒体终端发展n多媒体功能对电池的消耗巨大p合理利用电池的容量，延长电池的使用时间已经是制约嵌入式设备发展的

6、一个重要问题p高性能计算领域的高能耗密度有迫切的节能需求浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p改进芯片制造工艺p设计芯片节能体系结构p在硬件支持下的软件节能n为系统提供合适的资源n让多余的资源休眠p不同的节能技术应用于计算机系统的各个方面n现阶段的研究工作各自关注不同的节能领域n软硬件，OS和编译器协同浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/pDynamic Voltage Scaling动态调频/调压的技术n在一定范围内，处理器的频率和电压是

7、成正比的，所以也有DFS或者DFVS的说法n1998年被提出n在此观点提出后，具有DVS功能的处理器开始制造p前提假设n处理器的负载一直在变n当处理器的利用率比较低的时候可以通过DVS技术slow down处理器，但是不能因此而影响性能p目前研究多应用于周期性任务（易于预测）浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p经验简化公式 PdynamicacV2fnC表示电路负载（电容）大小nV表示供电电压nf为工作频率n降低f同时降低了V，降低了功率pDVS调度的原则n提供合适而不是过多的计算能力pDVS由处理器提供调频能力，其他工作由OS等软件完成浙浙 江江 大

8、大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/pSoC 设计中降低功耗的电压调节技术有两种方式n一种是开环电压调节（动态）p就是DVSn另一种则是闭环（自适应）电压控制方法p自适应电压调节p闭环方式可进一步减小功耗pAdaptive Voltage Scaling p通过反馈机制将电源电压调整到给定工作负载(处理量)所需的最小值。p需要将部分电源管理电路置入主处理器浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/pIBM开发了一个应用十分广泛的电源管理框架p可以根据需要开发各种设备的电源管理策略（DPM）n屏蔽了下层的硬件n为上层提供了统一的接口n可

9、以制定device的各种参数n还可以将自己的策略通过plug in的方式加进去p基本思想n将下层的硬件建模成一种由operation states和operating points组成的状态机。nOS：Operation states是由各种OS状态组成的，包括idle，active，sleep等。nOP：operation point是由处理器频率和内核电压组成p设计者n在最初的时候根据体系结构指定各种OS和OPp用户n通过policy控制系统在各个状态之间进行转移浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/pcompiler静态编译n编译过程插入节能算法p缺

10、点ncompiler的视线只是局限在program内部ncompiler不知道程序到底怎么运行的p为了获得程序的运行数据，compiler只能通过模拟的手段p获得的信息是不足的，不够真实n编译器在优化的时候，认为程序是在没有被打搅的情况下运行的，认为他的运行空间是纯洁的浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p提供了反馈的方法n一个程序被编译之后，在执行的过程中，还是被监视着n采集程序的运行信息反馈给编译器n编译器按照得到的信息再次编译程序n程序继续运行n再次反馈信息给编译器nLooppUnnikrishnan研究成果n通过仪器测出不同的电量需求和条件下面程

11、序的临界区，通过预先编译的方法，准备各种情况下的方案n通过一个叫做Dyninst的工具p这个工具可以在程序运行过程中，对程序的运行段进行patch，修改他的程序的状态浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p由程序员手工完成低功耗的程序n借助硬件提供的节能方法p定制节能的通信协议p多媒体和网络应用中的节能浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/多核技术是处理器发展的必然多核技术是处理器发展的必然 p推动微处理器性能不断提高的因素n半导体工艺技术的飞速进步n体系结构的不断发展p这两个因素相互影响，相互促进n工艺和电路技术的发

12、展使得处理器性能提高约20倍n体系结构的发展使得处理器性能提高约4倍n编译技术的发展使得处理器性能提高约1.4倍。p如今，这个规律已经很难维持浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p计算机硬件发展危机nVLSI发展到ULSIn主频瓶颈p技术上两条出路n提高片内核的数量p发展到多核n集成外围电路到处理器中p发展到SOC（系统芯片，system on chip）p产业上的出路nPC市场有没有出路，来源于对多核计算机的需求n将成熟的32位计算机技术融合（嵌入）到非PC产品中n使用计算机网络技术取代通讯浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心

13、心http:/p2006年突然推出双核，年底到四核p2006年Q4英特尔内部已有16核处理器p2007年1月10日英特尔已经展示了8核计算机p市场对多核反应冷淡n技术准备不足p多处理器技术长期以来针对服务区p并行计算技术针对科学计算n实际难点多p应用软件，事务处理如何使用多核？p系统软件对多核的支持不足p软件开发对多核支持不足p机会与挑战并存浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p通用微处理器的主频已经突破了4GHzp数据宽度也达到64位。p0.13um工艺的微处理器已经批量生产p65nm工艺以下的微处理器也已问世p到2010年左右，芯片上集成的晶体管数目

14、将超过10亿个n如何有效地利用数目众多的晶体管？p多核n通过在一个芯片上集成多个简单的处理器核n利用这些晶体管资源n发挥其最大的能效浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p单芯片多处理器通过在一个芯片上集成多个微处理器核心来提高程序的并行性n每个微处理器核心是一个相对简单的单线程微处理器或者比较简单的多线程微处理器n多个微处理器核心就可以并行地执行程序代码n具有了较高的线程级并行性p由于CMP采用了相对简单的微处理器作为处理器核心n使得CMP具有高主频、设计和验证周期短、控制逻辑简单、扩展性好、易于实现、功耗低、通信延迟低等优点pCMP能充分利用指令级并行

15、和线程级并行p目前CMP已经成为处理器体系结构发展的一个重要趋势浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p18个月左右CPU性能翻一番，价格减一半p目前CPU的主频速度已经接近物理极限p技术难题：半导体工艺、功耗增高pIntel、AMD、IBM、SUN等主流CPU厂商从以往的单一提高主频，向如今的超线程、多核方向转变 浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p多核处理器系统n系统中包含一个多核的处理器芯片n每个处理器核能够独立运行程序p单核多处理器系统n多个单核的处理器构成的系统n处理器之间的通信延迟时间较长p多核多处理器

16、系统n多个多核处理器构成的并行系统n两个并行处理的层次浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p按单芯片多处理器上的处理器是否相同进行划分p同构CMPn由通用的处理器组成n多个处理器执行相同或者类似的任务p异构CMPn通用处理器p作为控制、通用计算n其他核pDSP、ASIC、媒体处理器、VLIW处理器等p针对特定的应用提高计算的性能由通用内核（GP）与专用硬件（SP）组成的异构多核处理器 浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p同构多核处理器的优点n控制逻辑简单n高主频。 n低通信延迟n低功耗n设计和验证周期短p异构多核

17、化n功能强大n内核结构复杂n执行特定任务的时候效率会受影响n功耗也难以控制n对于特定的任务，比如XML、多媒体信息、TCP/IP协议处理等，一些专用硬件在性能和功耗方面很可能会比通用处理器更有优势浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p尚无多核操作系统，只有多处理器操作系统p目前多核平台n由操作系统分配线程进行多核运算p操作系统的支持n同步机制p同步函数p互斥函数n任务调度机制p并行线程的调度浙浙 江江 大大 学学 嵌嵌 入入 式式 研研 发发 中中 心心http:/p双核甚至多核处理器需要多线程化p大多数应用用C或C+编写的p根据单线程设计p多线程优化n需要耗费大量劳动力的改写过程n重头再来p多核迫使软件开发朝并行化方向发展pRISC架构的多核系统上已经形成了比较成熟的多线程系统并行处理能力p在x86架构下，应用程序的开发者还停留在单线程的开发模式下。浙浙 江江