计算机硬件概论-微机系统及服务器技术课件

8.1计算机的形态与发展趋势 一般认为，计算机经历了4个时代，即电子管时代、晶体管时代、集成电路时代、大规模和超大规模集成电路时代。第8章微机系统及服务器技术8.1.1移动型计算机1：掌上电脑1．掌上电脑概况 掌上电脑是PDA（PersonalDigitalAssistant）系列的高端产品，俗称掌上机。广义的PDA还包括电子词典、电子记事本、个人通讯助理机等产品，但也有很多人就直接称掌上电脑为PDA。2．掌上电脑的结构特点 掌上电脑，顾名思义是手掌上的电脑，也就是能够在手掌上操作使用的电脑。因此，其外形、体积、重量和操作方式都要能适应手上操作的需要：既要方便携带，也要便于手持和在运动的状态下输入，同时还要具有普通电脑的一般功能。为满足以上要求，掌上电脑有其独特的结构特点。 （1）在硬件方面，掌上电脑的特点是体积小、重量轻、便于携带。掌上电脑的体积（长×宽×高）一般在120mm×50mm×16mm到140mm×90mm×20mm之间，重量一般在150～250g之间，形状为扁平长方体，便于手持，图8.1所示是两款掌上电脑的外形图。掌上电脑的基本配置如下。图8.1掌上电脑外形图 输入设备：触摸屏是掌上电脑的主要输入设备。 CPU：一般采用主频为75MHz（现在已达到133MHz、206MHz）基于RISC的内嵌式32位处理器。 内存：一般为2MB~16MB的FlashRAM及4MB~32MB的ROM，并可以通过PCMCIA插槽进对RAM及ROM进行扩展。 显示器：普遍采用分辨率为320×240像素和160×160像素的单色背光式LCD，灰度一般为4~8级，即使在低照度下也能使用。目前，也有部分掌上电脑使用真彩的LCD。 （2）在通信方面，掌上电脑的特点是外部接口功能较强，除了前面所述的PCMIA扩展槽外，一般还配有多用适配器接口，红外通讯端口（IrDA，TheInfraredDataAssociation）、通用电话接口和RS-232标准串口，有的还内置了Fax/Modem，配置了自适应（IR，Infrared）功能装置。 （3）在功耗方面，由于掌上电脑的移动计算和流动通信的要求，在很多场合都要使用电池驱动，因此掌上电脑的功耗较小，一般都采用2节5号或7号可充电的高效电池，它们支持掌上电脑正常运行时间在2~8小时之间。3．掌上电脑的操作系统 掌上电脑的操作系统的功能与台式机相似，可以说是整个系统的基础和核心，现有很多厂商涉足操作系统的研究与开发。影响较大的有以下4种：EPOC、Linux、PalmOS和WindowsCE。4．掌上电脑的功能和应用 掌上电脑的主要功能是移动计算和通信，具体而言，可以分为以下几个方面： ①信息处理。 ②任务管理。 ③连接上网。 ④同步传输。8.1.2移动型计算机2：笔记本电脑 笔记本电脑能满足移动终端设备所必须的移动性和高智能性。一方面，它适合移动计算、野外作业，体积小，重量轻，功能强，可用电池供电及无线通信等功能；另一方面，它的性能直追台式机，几乎具备台式机所有的功能。因此，笔记本电脑的应用已非常广泛。1．笔记本电脑的组成 虽然笔记本电脑的体积、重量、外形与台式机相差甚远，但其功能和性能与台式机基本相似，所以笔记本电脑的组成和部件与台式机相同，但各个部件又有其特殊的要求和标准，图8.2所示是笔记本电脑的外观图。图8.2笔记本电脑的外观图 输入设备：与台式机一样，笔记本电脑的输入设备主要是键盘和鼠标。 CPU：低散热和低功耗决定了笔记本电脑CPU在工艺上不同于台式机，在处理速度上也稍逊于台式机。 硬盘：笔记本电脑的硬盘同样也存在容量与体积之间的矛盾。 显示器：笔记本电脑的显示器采用平板液晶显示器（LCD）。 主板：与台式机不同，笔记本电脑的主板采用了ALL-IN-ONE设计。 电源系统：包括电源适配器、充电电池和电源管理系统等。笔记本电脑采用的电池基本上是镍电池和锂电池。2．笔记本电脑的接口 由于笔记本电脑具有移动计算和体积较小等特点，它除了有与台式机相同的串、并接口和鼠标接口外，还有一些特殊的接口，这些接口主要是为了满足功能扩充和通信的需要。 PC卡接口 USB接口 ZV接口 红外传输接口3．笔记本电脑的应用 笔记本电脑的应用已无处不在，在新闻、文化、金融、贸易、管理和教育等各个领域已发挥越来越重要的作用。8.1.3台式机1．概述 台式机就是我们常说的微型计算机，俗称“微机”，是目前使用最为广泛的一类计算机。2．微型计算机的总线结构 总线是微计算机内部进行通信的主体线路。微机总线结构的发展一共经历了以下几个阶段：PC/XT总线、ISA总线、EISA总线、MCA总线、VESA总线、PCI总线和AGP总线。其中，AGP总线只负责CPU和AGP显示之间的指令、数据和地址的传输，它可以和PCI总线共存。3．主板 台式机的主板有两种形式即AT与ATX主板。早期的台式机使用AT主板，现在的台式机都使用ATX主板，ATX主板在功能部件的布局上更利于扩展。主板上主要部件有：CPU（或CPU插槽）、高速缓存（Cache）、主存储器（Memory）、逻辑芯片组Chipset、I/O控制器等等。图8.3AGP/PCI总线系统结构图4．外部存储设备 台式机的外部存储设备主要包括硬盘、软盘驱动器和光盘驱动器。其中硬盘是最常用的设备而且硬盘存储技术的发展也是最快的。台式机常用的软盘是1.44MB的3.5英寸磁盘。光盘一般是CD-ROM，其容量大致为600MB左右。5．I/O设备 台式机的主要输入/输出设备有键盘、鼠标和显示器。8.1.4服务器1．概述 服务器是计算机的又一形态，它与台式机的区别不是在外形而是在功能上，因为在一些要求不高的场合一般台式机也可以作为服务器。 服务器是一种更高形态的计算机。2．服务器的选择 服务器的选择一般根据实际的需要，可以选择大型机或小型机，也可选择普通的PC机，常用的是PC专用服务器。 PC专用服务器由于采用了多种技术具有较多优点，它把大型机和小型机的高可靠性、较好的容错能力和较强的数据处理能力与PC机的操作方便、兼容性强、价格低的优势融为一体，是一般网络系统服务器的主要选择对象。8.2服务器技术

8.2.1服务器的种类、特点和性能1．服务器的分类 服务器的分类有多种方法，主要按以下几种标准来划分： ①按CPU类型分： RISC架构服务器和CISC架构服务器。 ②按用途分： 运算服务器、数据库服务器、Web服务器、网络文件服务器、电子邮件服务器和打印服务器等。 ③按规模分： 大型服务器（计算中心级或企业级）、中型服务器（部门级）、小型服务器（基层工作组织）、入门级服务器等。2．服务器的性能评价 服务器的性能主要包括服务器的运算能力、I/O能力、任务处理能力等方面。为衡量服务器性能的优劣，现已提出了多种测试标准，常用的SPEC测试和TPCC测试。3．服务器的特性与相关技术 服务器的主要特性可概括为3点，即服务器的可靠性、可用性和可扩展性。服务器的可靠性是指服务器可提供的持续非故障时间，故障时间越少，服务器的可靠性越高。 服务器的可用性追求的是零故障时间，也就是说，如果以一年为标准则一年356天，每天24小时都要不间断地工作且不出现故障。 服务器的可扩展性通常包括：中央处理器的扩展，内存、外存容量的扩展及服务器对各种国际标准的支持。 为了提高服务器的性能，计算机厂商主要采用了以下技术：冗余技术；故障在线修复技术；机群系统；光纤通道技术；纠错码（ECC）和服务器自动重启动（ASR）技术等等。8.2.2SMP多处理器原理 对称多处理器（SMP）结构是当前并行服务器常用的结构。如图8.4所示，它是由多个微处理器互连而成，处理器数可多达几十个，各个处理器完全相同，能同等地访问存储器的每一个单元和控制每一台I/O设备。图8.4SMP系统结构图1．SMP技术特性 SMP采用共享存储器结构，其互联网络采用总线或交叉开关方式，多个CPU对称地与互联网络相连，整个系统有如下特点：（1）处理速度大大提高（2）单一地址空间（3）高速缓存的一致性（4）低时延的存储器通信2．高速缓存的一致性问题 在SMP结构中存在高速缓存的一致性问题，当多台处理机对共享存储器某个单元在其本地高速缓存中的拷贝要进行维护时，只要对该单元的本地拷贝进行修改，就有可能引起存储器的全局不一致性。这种不一致性在多处理器结构中是必须要避免的。（1）不一致性问题的产生 图8.5所示说明了由数据共享和进程迁移所引起的高速缓存的不一致。图8.5数据共享和进程迁移中的高速缓存一致性问题 绕过高速缓存的I/O操作也可能产生不一致性问题。图8.6中，在高速缓存和SM中保存同样的变量X，当I/O处理机将一个新的数据X1写入SM中时，绕过了采用写通过策略的高速缓存，如图8．6(b)所示，则在高速缓存和SM之间产生了不一致性；当直接从共享存储器输出数据时，如图8.6(c)所示，采用写回策略的高速缓存也会产生不一致性。图8.6绕过高速缓存的I/O操作的不一致性（2）不一致性的解决方案 在采用总线结构的存储器系统中，总线是保证高速缓存一致性的最方便的装置。总线结构允许系统中所有处理器能观察到存储器的状态。如果总线操作破坏了本地高速缓存中数据的一致性状态，那么高速缓存的控制器就采用相应的操作使本地拷贝失效。这种方案就是广播侦听（snoop）和写失效策略。 在可扩展的多处理机系统中可以采用点对点的方式直接实现处理机的互连或者采用多级网络实现处理机的互连。这些网络由于没有方便的监听机制和有效的广播功能，在解决高速缓存的一致性问题时，一般采用各种目录的方法。 此外，在解决由I/O操作所引起的高速缓存不一致性问题时，可以采用把I/O处理机分别连接到私有的高速缓存上的方法。采用这种方法后，I/O处理机就和CPU共享高速缓存。如果通过总线能保持高速缓存的一致性，那么也可以保持I/O的一致性。3．SMP的实现结构 要较好地实现SMP系统，主要解决两个问题，一是如何正确、高效地处理Cache一致性；二是如何向CPU提供足够的访存带宽。下面具体介绍几种常用的SMP结构。（1）总线式结构 如图8.7所示，其中Agent是系统控制器，主要功能是完成对整个系统的控制，包括系统总线仲裁、CPU命令解释执行、Cache一致性处理及MM、I/O控制，中断传送等。图8.7总线SMP结构（2）交叉开关（Crossbar）结构 如图8.8所示，交叉开关结构将CPU、MM、I/O划分成相对独立的模块，每个模块对外部都有足够的传输带宽，最后用交叉开关将各部件连接成一个整体。在结构中由于采用了PAC和MAC大大提高了数据传输速度，但是Cache一致性处理速度较慢。图8.8Crossbar结构框图（3）总线与交叉开关结合型结构 总线结构具有Cache一致性处理速度快、操作简单的特点，而交叉开关的数据传输率高，两者结合起来相互取长补短，即为结合型结构。8.2.3机群服务器

机群服务器是指通过特殊的软件和硬件将两台或多台计算机连结在一起而构成的服务器系统。从结构上讲，整个系统采用的是机群技术，就功能而言，整个系统是作为服务器使用。采用机群技术能够提高系统的稳定性和网络中心的数据处理能力和服务能力；同时，由于机群系统具有很好的扩展性，并且与大、中型机相比有较高的价格优势，所以目前很多服务器都是机群结构。1．机群技术 机群（Cluster）是并行或分布式计算机系统的一种类型，它是由一组完整的计算机互连而成，可以作为一个单独的统一资源来使用。 机群系统的主要优点体现在以下几个方面： （1）使用方便 （2）可靠性好 （3）可扩展性好 （4）性能价格比好2．机群服务器 机群服务器技术可以从两个方面理解：一方面是多个服务器作为机群的节点而构成的一个大的服务器系统；另一个方面是由多个计算机构成的机群作为服务器。（1）服务器镜像技术 服务器镜像技术是将建立在同一局域网上的两台服务器通过软件或其他特殊的网络设备（比如镜像卡）将两台服务器的硬盘做镜像。其中一台服务器被指定为主服务器，另一台为从服务器。由主服务器进行事务处理和网络服务，从服务器只在主服务器出现故障时才投入运行，主、从服务器之间通过特殊的监视机制互相监测对方的状态，如图8.9所示。图8.9服务器镜像示意图（2）错误接管机群技术 错误接管机群技术是将建立在同一个网络里的两台或多台服务器通过机群技术连接起来。机群节点中的每台服务器各自有