单片机系统结构概论

1、单片机系统结构概论第1页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二内容提要计算机系统结构四个层次的认识国内系统结构研究的现状华中科技大学计算机系统结构学科介绍国内系统结构学科发展机会何在第2页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二计算机系统结构四个层次的认识哲学：信息与数字 数字的力量科学：后图灵理论软硬件的新定义；软硬件互动现象； 终极信念技术：系统结构的AIPSN三角形处理、存储、传输技术前沿与走向应用：无所不在的计算与后台支持； 流式多媒体是未来应用的方向第3页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二哲学层次信息与数字（为什么信息化等于数字化）数

2、字的极其强大的表达信息的能力系统结构：研究对数字进行操作的机器系统计算机的结构第4页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二人类自然信息状态（不借助任何工具和技术的状态）输入（获取）：看、听、闻、尝、感处理：大脑，世间最强大的处理器传输：声音、手势存储：大脑输出（表达）：语言、手势、表情自然状态的不足第5页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二信息技术与工具和人类发明了机械和交通技术和工具一样（主要是材料和能量技术），人类也发明了非常丰富多彩的信息技术和工具：输入（获取）：望远镜、传感器（发展较晚）处理：算筹、算盘、计算器、计算机传输：烽火台、旗语、鼓语、邮递、书

3、籍、交通、电报、电话、无线电、电视、Internet存储：结绳计数、文字、绘画、纸和印刷（非常伟大的发明，现代技术很多方面都没有超过它）、照相、录音、录像、数字存储输出（表达）：文字、绘画、声音（音响）、图形、图像（显示技术）（包括电影电视）第6页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二现象：九九归一，数字化大潮世纪之交的技术大转移：数字化大转移时间：世纪之交前后50年50年前开始，50年后成熟，信息领域数字技术一统天下目前正是转移的高峰期：计算机与Internet、数字控制、数字录音、数据通讯（目前主干，即将用户）、数字电视、数字广播、数字相机、数字摄像、数字城市、数字流域、数

4、字地球 . 数字化生存50年后，不是数字的信息产品很难见到（成熟）第7页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二信息统一于数字！第8页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二潜在的真理WHY?“电”是人类至今为止找到的最佳能量媒介（电统治了能量领域）终于找到了！“bit”是人类至今为止找到的最佳信息媒介（信息统一于数字） 第9页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二数字的力量the power of data1.可表达各种信息形式（人能接受的信息：文字、声音、图形、图像、视频；触觉？嗅觉？味觉？ ；机器能接受的信息：电流、电压等）（“比特”强大的表达

5、能力）2.可表达人的思想、办法、事物的规律 （程序的力量）3.可用单一的形式进行处理、传输、存储（实现的简单性）(任何信息设备都是相似的）第10页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二与数学的比较数学是抽象描述客观世界的静态符号系统“比特”在计算机的操作下，成为客观世界动态的符号系统“bit”表达信息的范围 数学表达信息的范围所以，计算机始于计算，但高于计算计算机真正的能力在于对“bit”进行操作（有步骤的处理、传输、存储）第11页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二科学层次计算科学的开山之作：图灵机模型第12页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，

6、星期二图灵理论希尔伯特问：存不存在一个解决所有数学问题的一般算法？图灵答道：有！图灵理论的俗解：如果不考虑时间，只要对bit进行处理、移动、存储操作，就能解决任何数学计算问题！这个理论指明了bit的强大功能，也包含了计算机的设计思想第13页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二后图灵理论只要对bit进行处理、传输、存储，就能解决几乎一切信息问题！系统结构的信念：只要处理、传输速度足够快，存储容量足够大，一切信息问题都能解决！（存在着这样的可能性）这个结论给我们一个信念：数字化信息世界一定能实现！第14页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二硬件、软件的新定义硬件

7、：转换域硬件：1、将各种形式的信息转换为数字信息；2、将数字信息转换为各种形式的信息（图像、声音、文字输入输出设备）数字域硬件：对数字进行处理、传输、和存储的硬件（计算机系统结构研究的对象）第15页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二数字域的三种操作处理：对数字进行改变性操作 CPU, DSP, ASIC, 逻辑电路传输：对数据进行有目的的移动操作 总线、网络（机器内部网，LAN，WAN，INTERNET，无线网络）存储：对数据进行不变性的保存 RAM，ROM，FLASH，硬盘，光盘，存储系统（RAID，NAS，SAN）第16页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，

8、星期二软件新定义（可运行的）思想和内容的数字化思想：算法、规律、办法（由程序承担）内容：图形、图像、数据、声音、文字等第17页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二所有的硬件都是相似的，软件则各有各的不同各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏各个领域都有自己的软件，但也有共性软件（这就是我们从事计算机行业的人要干的事，系统软件：OS，数据库，普遍使用的应用软件）第18页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二软硬件独立原理和互动原理独立原理：软件理论上能实现的功能本质上与硬件是独立的（不管硬件是何种形式）互动原理：软件实际能实现的功能受制于硬件， 硬件发展一个台阶，

9、软件就能发展一大步第19页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二终极信念数字表示信息的能力是极为强大的最强大之处在于表达人的思想人的思想是无限的所以，利用数字进行创造的可能性也是无限的只要足够快，就能实现某种创造历史的回顾 跟随法与超前法第20页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二计算机系统结构的总趋势加快处理的速度加快传输的速度加大存储的容量和加快存储的速度加快：1。器件快 2。结构快（系统结构研究的课题）第21页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二工程层次利用已有的器件技术，在一定的价格限制下，设计出性能最好的计算机（系统结构的任务）计算

10、机-数字操作机器件的变化：机械、继电器、电子管、晶体管、集成电路、LSI、VLSI、ULSI、量子计算机、光计算机、生物计算机第22页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二APSNI系统结构AIPSN图第23页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二系统结构AIPSN图总目标：加速AccelerationA：Architecture, Amdalhs lawI: Instruction, Interface P: Processing, ParallelS: Storage, SystemN: Network, coNnection第24页，共57页，2022年，

11、5月20日，18点2分，星期二硬件前沿处理以处理器的发展为核心发展动力：1.晶体管数按摩尔定律增加 2.频率提高过去水平（1978）：Intel 8086, 3微米工艺，2.9万个晶体管，6MHz目前水平（2001）：Alpha 21464, 0.125微米工艺，25000万个晶体管,大与2GHz将来水平（2005）：10亿晶体管，频率？第25页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二处理器芯片内的技术现有技术：以指令级并行技术为主流水线：指令流水线、数据流水线超标量：多套部件、片内SIMD、VLIW后RISC、多媒体扩展指令前沿技术：多个处理核心集成在单个芯片中第26页，共57

12、页，2022年，5月20日，18点2分，星期二 摩尔定律( Moores Law) 假设价格保持不变，处理器芯片上的晶体管数每18个月翻一番1979-2001，22年精确的符合还要符合10年以上印度舍汉姆国王与大臣的故事（64方格棋）（最后一个方格放粒麦子，20位数，要数5840亿年！）第27页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二世界第一台电子计算机ENIAC18000个晶体管70000电阻器18000电容器30吨第28页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二V-IRAM1: 0.25 m, Fast Logic, 200 MHz1.6 GFLOPS(64b)

13、/6.4 GOPS(16b)/16MBMemory Crossbar SwitchMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM+Vector RegistersxLoad/Store16K I cache16K D cache2-way SuperscalarVectorProcessor4 x 644 x 644 x 644 x 644 x 644 x 64or8 x 32or16 x 164 x 644 x 64QueueInstructionI/OI/OI/OI/OSerialI/O第29页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二处理能力的需求无止境 科学计

14、算、商业应用、网络应用对计算能力的需求是单个处理器所无法满足的解决办法：系统技术并性处理：多处理器（SMP,cc-NUMA） 多计算机（MPP，CLUSTER, GRID)第30页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二无所不在的计算Pervasive Computing计算机发展的特点：1. 无所不在的含有智能的小装置；2. 支持服务的后台巨型计算机第31页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二将来的处理技术量子计算（最令人鼓舞的进展）光计算（目前状况，速度快，集成度低）生物计算（DNA计算机，起步阶段）第32页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星

15、期二存储的前沿半导体存储：RAM, ROM, FLASH 的高速发展目前硬盘存储：100GB2万转/分实验室水平：一道一GPC机的主流硬盘容量增加2,000倍10MB100MB500MB4GB10GB20GB第33页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二存储前沿（续）光存储：CD-ROM，DVD，MO近场光记录，全息存储第34页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二数字化信息的增长趋势爆炸性增长（主要爆发点：多媒体，Internet)- 容量需求不断的增长-可扩展性需求第35页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二WirelessOnline V

16、ideoE-CommerceCustomer Mgmt.D A T AData AnalysisEnterpriseApplicationsClient/Server70s80s90s00s10sBasic AccountingExplosion inData Volumes数据信息爆炸式增长第36页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二典型的存储容量需求挑战网站多媒体,X on Demand数字化XX:数字化流域，数字化城市，数字化地球.电子商务虚拟现实人类基因库从现在起的18个月内,新的存储量等于有史以来老的存储量之和!1998年图灵奖获得者Jim Gray第37页，共57

17、页，2022年，5月20日，18点2分，星期二性能：瓶颈的转移 应用的转移CPU瓶颈70年代90年代网络瓶颈80年代内存瓶颈00年代海量存储瓶颈共享处理机 共享存储器里的数据Make the common case fast!第38页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二Network网站的存储：几十万用户同时点击到一个站点去获得海量存储系统中的信息。WWW: world wide web 变为world wide wait第39页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二数据是最宝贵的财富对很多领域，数据是比硬件设备宝贵得多的资源:银行、电信、保险、电子商务、网站

18、、企业信息 信息安全（数据备份，灾难恢复）第40页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二现有的存储体系结构Direct attatched storage（DAS）直连存储Centralized storage 集中式存储Network-attatched storage(NAS) 附网存储Storage area networks(SANs) 存域网第41页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二Directattached storage（DAS）直连存储结构图第42页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二Centralized storage

19、集中式存储结构图第43页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二Network-Attached storage（NAS）附网存储结构图第44页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二Storage Area Networks（SAN）存域网结构图第45页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二SAN的构成IBMSUNSymmetrixStorageHub S10/L10Switch F16IntegratedManagement HP JBODs & Arrays TapeLibrariesNTBridge FC4/2High SpeedNetwor

20、kHPUX ServersServersSANStorageDevicesFC10FC3012HMC256HP EQUATIONARCHITECTUREHP SureSpan第46页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二传输前沿宽带网络主干网已完全光纤化（传输容量10-100Tbps，路由交换10G-1Tbps)接入网的瓶颈正在攻克(xDSL, ISDN,Cable modem,FTTH)（Internet movie)无线网方兴未艾(视频手机，移动计算，Bluetooth技术）第47页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二不同的应用对计算机的要求是很不一样的科

21、学计算：浮点性能商业应用：事务处理能力网络服务：响应时间、传输能力 通用机：综合性能不同的应用要用不同类型和不同系统结构的计算机应用层次第48页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二软件前沿1.以INTERNET为平台的软件Microsoft .NET , I软件（Internet Inside)JAVA, GRID2.智能软件智能人机界面（语音识别、自然语言理解、手势识别）3.多媒体与虚拟现实软件多媒体表达，多媒体查询，VR互动“be there”三维全息实体显示 第49页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二系统结构未来几年的热点移动多媒体计算1。无所不在的小装置2。强大的后台支持结构第50页，共57页，2022年，5月20日，18点2分，星期二小结哲学层次：数字与信息的关系科学层次：后图灵原理，认识“bit”强大的力量工程层次：系统结构研究的内容 如何设计高性能的计算机应用层次：计算机的设计及结构特点与 应用紧密相