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1、1,第11章 计算机系统结构,11.1 计算机系统概述11.2 微机系统11.3 工作站和服务器11.4 多媒体计算机11.5 超级标量处理器、超级流水线处理器和超长指令字处理器11.6 向量计算机11.7 阵列处理器和多处理器系统,2,11.1 计算机系统概述,(一).计算机系统的分类(P361)随着计算机系统结构的发展，出现了各种复杂程度不同，运算速度、处理能力各异的计算机系统，同时也出现了对计算机系统进行分类的各种方法。目前常用的是1966年弗林根据指令流和数据流数量进行分类的方法。,3,指令流是机器执行的指令序列数据流是由指令流调用的数据序列可将计算机系统分成下列四类。,4,1.单指令
2、流单数据流(SISD)计算机系统 通常由一个处理器和一个存储器组成。典型的 SISD 计算机每次执行一条指令，每次从存储器取(或存)一个数据，为了提高运算速度，有些 SISD 计算机设置了指令流水线和运算操作流水线，有些还设置了多个功能部件和多体交叉存储器。,5,2.单指令流多数据流(SIMD)计算机系统 通常由一个指令控制部件、多个处理器和多个存储器组成。各处理器和各存储器之间通过互联网络进行通信。在程序运行时由指令控制部件向各个处理器“播送”同一条指令，所有“活动的”处理器在同一时刻执行同样的指令，这就是单指令流；各“活动的”处理器执行指令时所需的数据是从它本身专用的存储器中取的，所以各处
3、理器所处理的数据是各不相同的，这就是多数据流。,6,3.多指令流单数据流(MISD)计算机系统 MISD 计算机系统在同一时刻执行多条指令，但处理同一个数据。大多数人认为能列在这一系统中的计算机很少或根本不存在。,7,4.多指令流多数据流(MIMD)计算机系统 典型的 MIMD 计算机系统由多台处理器(包括指令控制部件和处理器)和多个存储器组成，并有一个互联网络实现各处理器和各存储器之间的通信。每台处理器执行各自的指令，存取各自的数据(各不相同)。,8,（二）提高计算机系统运算速度的方法,提高计算机系统的运算速度的方法可归纳为两种：(1)改进器件工艺，减少芯片线宽，提高集成度与工作频率。(2)
4、改进计算机系统结构，并使各部件之间的速度匹配。,9,针对单机系统的改进系统结构的方法有：采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果，以减少访问存储器次数。(2)采用多体交叉存储器和cache，以协调CPU和存储器之间的速度匹配。(3)CPU 和输入输出设备并行工作，以减少 CPU 等待和空闲时间。(4)操作重叠的流水线工作方式。,10,在本章中，我们将介绍多种计算机系统，其发展的最终目的是增强计算机处理能力和提高运算速度。,11,（三）开放系统,1.什么是开放系统 专有系统 硬件和软件都由一家公司提供，并不向外提供技术，从历史上看，一些有名的大计算机公司，如 IBM、DEC 都是靠独家专利的计算机
5、发迹的。,12,开放系统 硬件和软件可由多家公司提供，计算机系统的所有部分，如计算机体系结构、系统总线、操作系统、窗口系统、数据库、图形用户接口、计算机网络和通信服务等都是开放的，符合与制造商无关的国际标准。这样厂商之间很容易进行分工，用户可以选用市场上最好的、适合应用的软件、硬件组成计算机系统或信息系统。,13,2.开放系统的特点遵循标准接口，使得计算机系统之间有“可移植性”和“互操作性”。可移植性是指将操作系统或应用软件放在不同厂家的各种不同型号的计算机上使用。互操作性是指不同厂家在不同平台上开发的多种应用软件具有共享数据和协同工作的能力。,14,(2)开放系统可由制造商、增值转销商或最终
6、用户从不同公司购买设备进行扩充或升级，并能保护他们在软件上的投资(即原有软件仍能运行)。,15,(3)有大量第三方软件公司或用户的软件产品可在开放系统上运行。(4)开放接口应有一个公开的技术规格说明，即标准，有国际标准、国家标准及事实上的标准(工业标准)，前面二种标准应经相应的标准化组织通过，而工业标准是由于产品的巨大销量而成为实际的标准。,16,（四）计算机系统的性能评测,1.评测性能的几种方法计算机的时钟频率在一定程度上反映了机器速度，一般来讲，主频越高，速度越快，但是相同频率，不同体系结构的机器，其速度可能会相差很多倍，因此还需要有其他方法来测试速度。早期的计算机速度是通过计算得来的，当
7、时根据各类指令的执行频率按一定的比例估算，得到平均运算速度。这种方法很不精确，因为在不同程序中，不同指令的使用频率是不同的，而且数据长度、指令系统功能、cache、流水线等与机器的性能有很大关系，在计算时不能得到充分反映。,17,等效乘法速率(equivalent multiply rate,简称EMR)曾是美国政府确定计算机出口许可证浮点性能的限制性指标。核心程序法是把程序中应用得最频繁的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程序。但因程序短，以致访存的局部性大，cache 命中率偏高。基准程序法(benchmark)是目前一致承认的较好的测试方法。在下面我们将讲到各种基准测试程序，测试的结
8、果：通常整数性能用 MIPS(百万次整数运算指令秒)、浮点性能用 MFLOPS(百万次浮点运算指令秒)等表示。通常将 VAX11780 的运算速度定为1 MIPS。,18,2.基准测试程序基准测试程序往往是为了测试计算机系统某一部分性能而人为地选择一些典型指令组成的，也可能是从实际的应用程序中选择一部分作为测试程序。常用的有：,19,(1)整数测试程序Dhrystone 基准测试程序主要用于测试编译器和 CPU 处理整数指令和控制功能的有效性。当今已很少使用。(2)浮点测试程序Linpack 基准测试程序是一组求解密集线性代数方程组的程序包，初创于70年代，在以后的20多年中不断完善和更新，至
9、今仍是计算机性能测试的主要标准之一。Whetstone 基准测试程序主要由执行浮点运算、整数算术运算、功能调用、数组变址、条件转移和超越函数的程序组成。当今已很少使用。,20,(3)计算机综合测试程序 SPEC随着计算机技术的飞速发展，厂商和用户都希望有一个标准、客观和公正的评测工具。在此背景下，一个非营利性组织美国标准性能评价协会(Standard Performance Evaluation Corporation,简称SPEC)于1988年成立。SPEC发表的第一组标准化测试程序是SPEC 89，后来在1992年和1995年相继推出了SPEC 92和SPEC 95，并取代了老的版本。SP
10、EC的基准测试程序全部选自实际的应用程序。以下讨论SPEC 95测试程序。,21,SPEC 95由两组基准程序组成：SPEC CINT 95用C语言写成的整数/非浮点计算基准程序。由8个基准程序组成。SPEC CFP 95用FORTRAN语言写成的浮点计算基准程序。由10个基准程序组成。,22,(4)事务处理性能测试程序 事务处理性能测试委员会(Transaction Process performance Council,简称TPC)是一个专门负责制定计算机事务处理能力测试标准并监督其执行的组织。20世纪80年代初出现了一种新的在线计算模式，它通过在线数据库系统进行简单的事务处理，拥有良好的
11、在线事务处理(online transaction process,简称OLTP)系统的厂家就可以赢得更多的客户；因此制定有关的测试标准就提到日程上来了。TPC于1988年成立，1989年发布了其成立后的第一个标准：TPC-A。,23,20世纪90年代，TPC又发表了两个新的标准：OLTP测试标准TPC-C和决策支持系统测试标准TPC-D。这两个标准在各自领域内得到承认，但是随着系统能力的增加，新的TPC-C和TPC-D计划在1999年发布。1998年，TPC发布了新的基于Web商业的测试标准TPC-W，用来测试一些通过Internet进行的商业行为，如零售店、机票预定等。事务吞吐量(每分钟可
12、完成多少个任务)和性能价格比是TPC的两个重要测试指标。,24,(5)行业基准测试国内外一些重要行业，如核能、航天、气象、石油行业等，深感通用基准测试程序的不足，他们根据自己行业应用的特点而开发了一批基准测试程序，其成功者，再逐步推广到其他行业，成为公共的基准测试程序。,25,3.基准测试的公正性和准确性所有基准测试组织都是中立的，一般是非赢利的。测试结果一般来说是公正的，但是外界的干扰可能会冲击基准测试的公正性。测试结果是否能准确反映计算机实际使用的效果，这就是准确性问题。计算机系统性能是软硬件有机结合的整体的综合性能，而基准测试则是由若干个局部测试程序组成的，不能全面反映综合性能，尤其是尚
13、未解决如何检测系统的瓶颈问题；再加上厂家大肆宣传对其有利的测试结果，而掩盖其缺点，因此对基准测试的结果也不能迷信。另外有些重要性能，如系统的可靠性、可用性和可维护性很难测试。因此基准测试所获得的局部结论是基本可信的，但不足以准确反映实际使用效果。,26,11.2 微机系统,Intel微处理器及个人计算机Intel微处理器及个人计算机20世纪80年代微机的兴起促进了计算机的大普及。微机的核心是微处理器。当前世界上影响最大的半导体器件生产厂家是 Intel 公司。微处理器沿着增加字长、提高主频、提高集成度的方向发展。表11.1列出了Intel微处理器芯片的有关参数。,27,表11.1 Intel微
14、处理器性能,28,表11.1中列出的8086是同一系列的微处理器，其时钟频率(主频)已从8086的5MHz提高到P的450MHz，集成度从2.9万个管子发展到750万个管子，相应的工艺(线宽)从3m减少到0.25m。但是以上的指标反映的是芯片的性能，还不能完全代表微机系统的性能，影响系统性能的还有微处理器与内存之间的总线速度，地址总线宽度，数据总线宽度，芯片内部是否设置浮点协处理器，是否设置cache(一级和二级)等。,29,(1)内存总线速度开始时芯片内部的时钟频率与总线频率一致，后来出现了倍频技术，使内部时钟频率可以高于总线频率。(2)地址总线宽度确定了处理器可访问的内存容量，其宽度已从2
15、0位(支持1MB容量)发展到64位。(3)数据总线宽度表11.1中列出的内部数据宽度是指处理器芯片内部传送数据的总线宽度，外部数据宽度是指处理器与内存(或I/O接口)之间交换数据的宽度。,30,(4)浮点处理器(5)cache存储器随着微机主频和集成度的提高，在片内设置cache具有必要性和可能性，而且更进一步从一级cache(L1)发展到两级cache(L1和L2)。个别的甚至发展到三级cache(Alpha 21164)。在80486微处理器中，内置有代码(程序)和数据共用的容量为8KB/16KB的L1 cache。而在Pentium微处理器中，使用了两个容量各为8KB的L1 cache，
16、一个用于代码，一个用于数据。,31,(6)MMX技术新的通信、游戏、娱乐和教育等应用要求PC具有视频、3D图形、动画、音频等多媒体功能，Pentium MMX将多媒体扩展(MultiMedia eXtention,简称MMX)技术结合到Pentium芯片中，具有以下特点：,32,1.AMD公司和Cyrix公司的兼容芯片AMD公司和Cyrix公司生产与Intel 8086兼容的芯片，在同样性能的情况下，他们的产品的价格比Intel便宜。由于他们参与竞争，刺激了微处理器硬件技术的迅猛发展。表11.2列出AMD，Cyrix和Intel三家公司的产品的有关特征。,33,表11.2 AMD，Cyrix和
17、Intel公司产品有关特征,34,2.微机的主板结构主板是PC机硬件系统集中管理的核心载体。几乎集中了全部系统功能，能够根据系统和程序的需要，调度PC机各个子系统配合工作，并为实现系统的管理提供充分的硬件保证。现在的主板有两种设计模式：一种是IBM公司提出的AT结构标准，其布局不够理想，通常适用于Pentium级以下的PC机系统；另一种是Intel公司提出的ATX结构标准，布局合理，同时推出了ATX电源，可以用操作系统进行关机控制。,35,主板的主要构成 CPU插座。随着CPU功能的加强，CPU管脚数量不断增加，Socket 7是一种符合工业标准的插座，采用零插拔力(zero-insertio
18、n force,简称ZIF)设计，以便于CPU的安装(插拔)。Socket 8是Pentium Pro的专用插座形式，其缺点是占主板的面积太大。Slot 1是Intel为P所设计的插槽形式。内存插槽。主板上为内存专用的插槽，扩充内存容量变得更简单。只要购买能适应插槽模式的内存条，插入或更换即可使用，现在主板上大都采用72线或168线的插槽。,36,芯片组。芯片组是主板的关键部件，由一组(例如2个)超大规模集成电路芯片构成，它被固定在主板上，不能像CPU、内存条等那样容易更换(升级)，而正是由它控制和协调整个计算机系统运转。前面介绍的DMA控制器、中断控制器、定时钟和总线控制器等都被集成在芯片组
19、中。二级高级缓冲存储器。二级高速缓存固定在主板上，P则将其内置于封装盒内。,37,CMOS芯片。CMOS芯片中存放着重要的BIOS信息和与机器运行有关的信息。系统BIOS是对基本I/O系统进行控制和管理的软件。总线扩展槽。用于扩展主板所支持的功能以外的其他用途的板卡，一般预留ISA和PCI两种形式的扩展槽。AGP显示卡插槽。随着人们对PC机的图形处理能力的要求提高，使得PCI显示卡难以满足，33MHz的显示总线频率已经限制了多媒体PC机性能。于是Intel对PCI总线进行了局部改良，专门设计了AGP显示插槽，使AGP显示卡与CPU直接交换数据，改善了图形显示功能。,38,外接接口插座。主要指连
20、接硬盘、软驱和光驱的电缆插座。其标准有IDE、EIDE以及新IDE接口规范Ultra DMA/33。Ultra DMA/33将数据传输率提高到33MB/s。串行和并行端口。通常为两串一并；另一种新的USB技术正在兴起，即通用串行接口总线(Universal Serial Bus，简称USB)，连接的设备可以多达127个，它可以实现机箱外的“热即插即拔”，在不打开机箱，不关闭电源的情况下，可以随时插接或拔除外设。,39,除此以外，某些主板还具有远程开机、定时开机和键盘开机的能力。以上介绍的主机板主要适用于台式PC机。综上所述，主板上主要装配有CPU，芯片组以及若干个插槽和外设接口插座。其中CPU
21、插在固定在主板上的插座(Pentium及其前的CPU)中或插在Slot 1插槽(P)中。,40,PC的分类1.台式机台式机即是放在桌上使用的PC机，前面介绍的微处理器以及主机板都适用于台式机。2.便携机(笔记本PC机)将便携机称之为笔记本PC机，是因为其外形像笔记本，一般表面面积相当于A4纸大小，厚度在3cm左右，重量约3kg。其CPU和台式机一样，从80286升到80486，Pentium再升到P。笔记本PC机和台式PC机在系统结构和功能上已相差不多，由于它的实用性和便携性而深受用户欢迎。下面对笔记本PC机的特点及其和台式机的主要差别作一介绍。,41,(1)笔记本PC机的结构最初的笔记本PC
22、机，大多采用“一体化”结构，将系统涉及的各种芯片及各种适配器都设计在一块主板上，以缩小PC机尺寸。其缺点是散热性差，容易因机内温度过高而引起故障，因此被模块化结构取代。“模块化”将相对独立的逻辑芯片组成部件独立出来形成一个个模块(卡)，将卡插入主机板上的插槽中，构成整机系统。这种结构虽增加了PC机体积，但较好地解决了散热问题，并增加了配置的灵活性。,42,随着半导体工艺的进步，微处理器实现了体积、功耗更小的目标，为“全内置”(All-in-One)的实现奠定了基础。全内置与一体化没有本质的差别，散热问题仍未解决。从用户需求出发，笔记本PC机除了具有轻便、灵巧、多能和实用的特点外，还要求能够变换
23、其配置。于是将“全内置”和“模块化”结合起来，全内置指的是将CPU、内存盘控、串/并接口、显示适配器和Modem等置于一块主板上，模块化则能方便更换机内配置以适应外出使用或不同应用的需要。例如将软驱或光驱更换为硬盘或电池模块等。,43,(2)散热问题便携机的散热问题一直是设计人员密切关注的问题，一方面要降低发热部件的发热量，采取降低芯片的电压等方法，例如0.25m工艺的Pentium芯片内部运行电压已降到1.8V。另一方面则要加强散热，目前人们使用的导流、散热器以及排风扇技术正在不断改进。PC机能耗的降低意味着电池寿命的延长，便携机在外出工作时，是依靠电池工作的。(3)显示器采用薄型轻量的平面
24、显示器，而不用台式机的CRT显示器。,44,(4)外设接口(PCMCIA)PC机必备的串口和并口已做在主板上，在机箱后部有插座引出。因笔记本PC机体积有限，一般不设置扩展槽，因而在1984年为便携式PC机制定了一种外设接口标准，称之为PCMCIA。一般笔记本PC机有一个或多个PCMCIA插槽，供各种外部设备相应的接口卡插入。(5)键盘采用超薄型键盘，同时具有外接键盘接口，可外接台式机的键盘。,45,3.个人数字助理(personal digital assistant,简称PDA)(1)PDA的特点PDA是一个面向广大用户的计算和通信的设备，它不同于其他类型计算机，具有以下特点：体积小，重量轻
25、，便于握在手中或放在口袋里。集计算和通信于一体，适合于移动办公人员使用。具有适用的应用软件。具有电子记事簿的功能，如日程管理、地址管理和电话号码管理等。同时还提供文字处理软件和电子表格软件等。,46,具有通信能力。PDA可外接或内置modem(调制解调器)，通过有线或无线方式发送和接收数据。以笔输入为主，并逐步向语音输入发展。降低电源功耗，配备高容量电池。价格低廉。目前世界上有许多公司推出了PDA产品，美国和日本处于领先地位，但还没有统一标准，各个产品具有各自的特点。,47,(2)PDA的类型由于应用领域的不同，各种PDA产品在性能上有较大差异，大致可分为以下四类：笔式掌上机，有着与微机完全不
26、同的使用对象，主要特点是强调笔输入(一般不带键盘)，配有良好的手写体识别软件，并内置有字处理和电子表格软件；有的还具有Internet联网功能。掌上PC机，是微缩的便携式计算机，它的特点是与微型机兼容，以键盘作为主要输入设备(或兼有笔输入)，以DOS作为操作系统，或以Windows CE(consultor electronics)作为操作系统。,48,个人通信机，主要特点是带有modem和通信软件，可通过有线或无线网发送或接收E-mail(电子邮件)和Fax(传真)。电子组织机(electronic organizer),在PDA中，组织机的功能最简单，没有操作系统，只能运行一些固定的应用软
27、件，用于管理和存放资料。例如，计划管理、日程安排等，不具有通信功能。耗电量较少，电池寿命较长，价格较低。(3)PDA的硬件,49,PDA的微处理器(MPU)要求MPU芯片低成本、低功耗、小尺寸。因此其工作电压低，多数工作在3.3V或更低的电压。一般带有电源管理单元，若一定时间不用PDA，可自动关掉显示器或某些部件的电源。PDA的MPU芯片上一般包含多种功能部件。例如，有的芯片上包含有图形处理部件、电源管理部件、存储控制部件和LCD显示接口等。由于PDA推出于20世纪90年代，当时RISC结构已出现，因此有的公司推出的MPU采用RISC结构，有的仍采用CISC结构。,50,存储器由于受尺寸限制，
28、PDA中没有内置软盘或硬盘驱动器，所有的软件和数据都存放在RAM和ROM中，因此容量有限。要解决PDA的存储容量问题，同时满足体积小、容量大、耗电低、非易失、价格低的要求，快闪存储器(flash RAM)是未来PDA的一个解决方案。,51,通信部件影响PDA通信功能的因素是无线通信网、通信部件和通信软件。所有通信部件，包括modem可制在一张PCMCIA卡上。需要注意的是，PDA对无线通信网提出了更高的要求，因为无线通信网当初建立时，不是为数据通信设计的，在传送语音时，短暂的传输中断并不影响效果，而在传送E-mail、Fax或数据文件时，则不允许。另外，无线通信网种类很多，缺乏标准、传输率低、
29、服务的覆盖范围有限，这些缺点还有待于克服。通信软件的发展还更滞后一些，相对来说，通信部件还解决得比较好一些。,52,电池便携机和PDA等移动计算和通信的设备中都需要配备有电池，对电池的要求是轻便、小巧和使用时间长。目前常用的电池主要有镍镉电池、镍金属氢化物电池和锂离子电池。表11.3列出几种电池的性能比较。还有一种可重复充电的碱电池，其能量密度居中，介于镍镉电池和锂离子电池之间，是PDA中使用最广泛的电池。智能化电池就是在电池中集成了微控制器，用来监视电池的运行状态。,53,表11.3 移动计算机中的电池,54,4.手持计算机(HPC)自Windows CE成为PDA的主流操作系统之后，在该领
30、域出现了新的名词HPC，形成了笔式掌上机和掌上PC两类分支，集通信功能、个人信息处理和计算功能于一体。在中文Windows CE推出后，解决中文信息处理中人机交互问题将是HPC技术难点之一，HPC存放软件的ROM的容量也要扩大，至少需要8MB。,55,家用PC目前普遍认为家用电脑是指能在家中使用的基于多媒体的、集工作、事务处理、娱乐和学习于一体的高性能个人计算机。由于其使用对象不是专业人员，因此还要求操作简易。但是家用电脑还不是家用电器。家用电器通常是针对人们生活中特定需求而设计的。例如，电视机和电冰箱，其设计目标很明确，使用起来也极为方便，产品相对来说也比较稳定。而与之形成鲜明对照的是，计算
31、机功能多，且更新快。诸多功能需要通过硬件和软件的配合才能实现，因而增加了用户的使用难度。,56,嵌入式计算机（工业PC和军用计算机）嵌入式计算机是嵌入应用系统中的计算机。嵌入式微处理器和通用微处理器最大的不同就是嵌入式微处理器多数工作在用户自己设计的系统中。,57,嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事本、PDA、手机等消费类电子产品。这些产品除了高性能外还要求很低的功率消耗，这是考虑到散热和供电电池的工作寿命而提出的。由于嵌入式微处理器应用范围极为广泛，要求各异，因此没有一种结构的嵌入式处理器能满足不同设计师的所有要求，采用8086看来是比较适宜的，因为它在性能价格比，开发
32、难易程度，开发周期，硬件软件的兼容性以及长期供货保障等方面都具有无可比拟的优势。,58,嵌入式计算机一般具有以下特征：功能和结构符合应用系统的要求。嵌入式计算机往往直接嵌入到所服务的对象(如武器)中，因此其功能与结构(体积、形状、重量)要符合服务对象的要求及其所提供的环境。高可靠性和高安全性，维护简单。实时性实时操作系统和实时应用系统。直接与传感器及执行机构相连接。硬件一般用单片机或单板机；在软件方面，因程序固定，往往被固化在机内，人机界面简单。,59,1.嵌入式工业PC嵌入式工业PC以其小型化体积，模块化和组合化的灵活结构，丰富的过程控制能力，特殊的恶劣环境适应能力，良好的开发环境，方便的联
33、网能力和高可靠性，而被广泛应用于工业控制中。一般的PC，如应用于环境条件差的工厂中，尚存在以下问题：主板尺寸大，散热差；不能承受工厂中的震动和冲击；输入输出(I/O)种类少，可扩展能力差；不能防尘；抗电网干扰能力差；抗电磁干扰能力差；温度范围窄；MTBF(平均无故障时间)短；故障检测和自动排除故障的能力差等。,60,经过改造的工业PC，一般具有以下特点：(1)全钢、密封机箱，加强散热、过滤器防尘。(2)系统功能分散到几块板上，减少板的尺寸，使维护和维修条件得到改善。(3)板上信号用多层地线隔离，均匀分布电容器，以增强抗电磁干扰能力。(4)采用半导体盘替代软、硬盘，减少运动部分，增强防震能力。(
34、5)增加PC插槽数目，开发种类齐全的工业I/O板，给系统提供了较灵活的组合配置能力。,61,(6)采用长寿命、高可靠的工业开关电源。(7)选择温度范围宽的元器件，以适应工业现场的温度范围(-25+65)。(8)采用容错技术(见11.5节)。,62,2.军用嵌入式计算机 前面讲到的嵌入式计算机特征以及有关嵌入式工业PC的描述同样适用于军用嵌入式计算机。以下仅对关键技术作一些补充。(1)军用加固技术过去50年中，通用计算机所采用的技术与工艺不断得到发展，军用计算机很多都是以民用的计算机为基础进行加固后而成的。按军用标准加固的嵌入式计算机能承受战争环境中对冲击、振动、加速度、温度、湿度、泥水烟雾、尘
35、埃和辐射(宇宙射线和核爆辐射等)以及敌方的电磁干扰等考验。,63,(2)容错技术在很多军用场合，对嵌入式计算机的可靠性要求很高。例如，卫星要在太空连续运行数月或数年，运行环境非常严酷，运行期间又不能进行维护。所以除了采取加固技术和抗辐射元器件外，还要采用容错技术。容错技术可在芯片级实施，也可在模块和部件级实施，或在系统级实施。,64,(3)数据融合技术数据融合技术是指计算机把来自许多传感器的信息以及其他信息源的数据加以分析和综合，从而做出决策，以缓解武器操作人员、情报分析人员和指挥决策人员的负担，并提高决策和操作的正确性和实时性。(4)实时操作系统和实时应用系统嵌入式计算机的实时性由其硬件、软
36、件提供保证，其中硬件运算速度、实时操作系统和实时应用程序起主导作用。从计算机接收到传感器/信息源提供的信息开始，到输出各种控制信息或决策信息，其时间必须小于给定值，如超过给定值，其输出信息可能已毫无价值。,65,智能卡将微控制器芯片镶嵌入形似名片的卡片中，即为智能卡。从用途来分类，该卡可分为金融卡和非金融卡两类。智能卡中微控制器(或微处理器)包括以下内容：CPU、ROM、RAM、E2PROM和I/O接口。其中ROM主要存放卡的操作系统(chip operating system,简称COS)。RAM主要存放卡操作过程中的一些中间数据。E2PROM主要存放应用数据。卡中只有一个I/O接口，用来与
37、外界交换信息，而工业控制MCU则有多个I/O接口。,66,根据智能卡与外界交换信息的方式不同可分为接触式IC卡和非接触式IC卡。接触式IC卡：卡通过触点与外界交换信息并取得能源(外加电压)。国际标准(ISO 7816)规定卡上可以有8个触点，并规定了卡的尺寸和触点在卡上的位置。一般只用其中的5个触点，分别为电压、地、Reset(复位)、Clk(时钟)和I/O端口，ISO 7816标准对电信号及传输特性作出了明确的规定。非接触式IC卡：卡上不带触点，信号与电源都依靠读写器发射的电磁波取得。当卡与读写设备在一定距离范围内(一般为1cm到10cm)时可交换信息。同时因避免了接触不良的问题而带来了可靠
38、性。,67,(1)读写器向卡上写信息或从卡上读出信息的设备称为“读写器”或“读写机具”。卡运行所需的电源是由读写器提供的。工作时由读写器向卡发出命令和数据(如果有数据)，卡执行命令后向读写器发回应答和数据(如果有数据)。(2)卡操作系统(COS)卡内有专用操作系统，称为COS。由于卡的应用性质决定了卡的安全性非常重要，卡要防止被伪造，卡内数据要防止被非法篡改，有些数据要保密，甚至不允许被读写器所读取。,68,为保证安全，卡的一切操作都在卡内操作系统的控制下进行。读写器发送来的命令，也是经过COS的分析后执行的。也就是说从读写器向卡供电开始，直到断电为止所有操作都受COS监控。断电后，卡内操作系
39、统以及卡上的数据都不能丢失，为此分别采用ROM和E2PROM来保存COS和数据。卡所能执行的命令以及执行命令后所发的应答也在ISO 7816标准中有所规定。(3)卡的安全策略为了保证安全，除了卡的操作都在COS监控下进行以外，卡的密码、密钥系统也是关键。密码通常用来验证发行人或持卡人的身份(必要时)。,69,绿色计算机人类赖以生存的环境受到严重污染，为满足环保要求而设计和生产的计算机称为绿色计算机。一般指对环境无害的计算机及其配套设备(如打印机、显示器等)，不仅要求其本身符合省电、低噪声、低辐射、可回收等规范和要求，而且要求在生产、制造和销售过程中无污染、省能源。生产厂商已经采取了很多措施，主
40、要有：(1)采用节电的电源管理技术。在计算机不处于真正的工作状态时，降低时钟频率、停止时钟或降低电源电压。,70,(2)降低机器各部分电源电压，以减少计算机运行时的功耗。(3)采取各种屏蔽措施，减少高频的电磁辐射，减少打印机的噪音等。(4)满足计算机操作人员工作舒适以及减少显示器的闪烁等。(5)在计算机生产的工艺过程中，选用无害的化学材料和清洗剂等。(6)易回收。包括计算机本身的材料、包装材料以及使用时的消耗材料等容易被分解或可再生。各国相继制定或正在制定绿色计算机的产品标准。,71,（二）工作站和服务器,工作站工作站是个人使用的台式计算机系统，是一种具有高速数据处理能力、高性能的图形处理系统
41、。它具有良好的人机界面和通用的操作系统(UNIX、Windows NT等)，标准的网络互联接口和标准的输入输出接口。并拥有丰富的应用软件，用于工程、科研、管理等应用场合。很强的图形处理能力是工作站的最大特点之一。工作站系统的构成：中央处理器CPU、主存储器、总线系统、图形子系统、网络接口、输入输出子系统、大容量外设、操作系统和应用软件。,72,1.中央处理器CPU早期的工作站采用CISC作为CPU。目前各大工作站厂商都选用RISC处理器芯片，这些高性能芯片代表了当前微处理器的最高水平，也保证了工作站在计算和处理能力方面的优势。在高档工作站中往往采用多个微处理器来构成系统，以提高性能。2.存储器
42、采用cache-主存-外存三级存储体系，其容量根据应用需要而定。由于硬件发展很快，随着操作系统和应用软件的发展，存储器容量也日趋庞大。一般情况下，工作站的存储器容量大于PC。,73,3.总线系统在工作站中，总线是影响系统性能的主要瓶颈之一，为提高系统性能可采用主桥(host bridge)等组成的多总线结构。近年来，在中、高档工作站中出现了非总线方式的结构。图形处理和显示功能是工作站的一个重要指标。CAD，CAM，CAE和三维动画处理对图形处理提出了要求，工作站将复杂的三维图形/图像处理转移到专用的图形处理器中，以达到加速图形处理的目的。,74,4.网络接口工作站一般提供传输率为10Mb/s的
43、局域网(以太网)接口。目前100Mb/s的高速网络已投入应用，这对图形、图像和视频信号在网络上传输的瓶颈问题提供了解决方案。5.输入输出接口在工作站上，基本的对外输入输出接口有键盘、鼠标、串口、并口和SCSI接口。6.操作系统目前UNIX操作系统已被广泛应用于工作站中，由于市场的需求，Windows NT操作系统逐渐在低中档工作站中推广。,75,7.应用软件在工作站上运行的软件非常丰富，且规模较大，主要包括：在电子、机械、建筑、化工和军事领域中的CAD，CAM和CAE；三维动画和多媒体软件设计、地理信息系统、气象和地震等领域的数据处理；大型系统仿真、控制和作战模拟等。,76,服务器在计算机网络
44、应用中，服务器根据客户机提出的服务请求，完成所需的计算和管理任务，客户机接收到计算结果后，进一步进行后处理。在这种系统中，一台服务器要面向多个客户的服务请求。它的作用是通过网络按客户的要求提供各种服务，包括共享文件、共享数据库、共享硬盘驱动器、共享打印机、应用计算、通信服务等，并对整个网络环境进行集中管理。用作服务器的计算机可以是一台PC台式机，直到一台巨型机。服务器更加重视可靠性、可用性和可扩展性，例如采用对称多处理器(SMP)、磁盘阵列、热插拔、电源备份等技术。,77,11.3 多媒体计算机,多媒体计算机是集声音、文字、图形、图像、动画和通信于一体的信息处理工具。（一）概述媒体(mediu
45、m)原指承载信息的载体，在这里是指信息的表示形式，文字、图形、图像、声音等表示的是信息不同的表示形式，也就是媒体。多媒体(multi medium)技术是指对多种媒体信息进行处理和传送的技术，是将音像技术、计算技术和通信技术结合起来的一种综合技术。,78,由于通用计算机系统在存储和处理数据(特别是视频数据)方面还达不到实时要求，因此多媒体计算机必须要有相应的硬件支持，其中音频、视频的专用处理芯片以及新型体系结构是关键技术。多媒体计算机可以是将通用计算机配置专用硬件和相应软件，从而能对文本、图形、图像、动画、音频、视频等多种媒体进行存储、处理和传输的计算机。,79,（二）多媒体计算机系统的组成多
46、媒体计算机系统的层次结构如图11.2所示。图11.2 多媒体计算机系统的层次结构,80,1.多媒体硬件组成(1)功能强、速度快的CPU和专用的集成电路芯片。(2)大容量主存和外存(CD-ROM必备)，支持音频/视频数据的存储和传送。(3)高分辨率的显示设备和性能佳的显示适配器。(4)音频卡，应具有立体声合成、模拟混音、乐器数字接口(musical instrument digital interface,简称MIDI)、CD-ROM接口和输出功率放大器等。(5)通信部件(调制解调器)。,81,2.多媒体软件结构(1)多媒体设备驱动程序和音频/视频压缩与解压缩软件。多媒体驱动程序完成多媒体设备的
47、初始化、设备的打开和关闭等操作。(2)操作系统，负责多媒体系统的多任务调度、音频/视频信息的同步控制与处理，要求实时性好，目前流行的是视窗软件(Windows 95/97/98)。(3)多媒体编辑工具和写作工具，用于多媒体数据采集和编辑，并将其联接成完整的视听资料。(4)多媒体应用软件，在多媒体系统平台上开发的面向应用的软件。,82,（三）多媒体计算机系统的关键技术 1.多媒体数据压缩/解压数字化视频/音频信号的数据量非常大。再影视系统中无论是存储量或传输率，计算机都难以满足要求，为此要对数据进行压缩。图像数据存在很大的相关性和冗余度，因此在允许存在一定失真度的情况下，可进行大比例的压缩。一种
48、较好的数据压缩技术应尽量做到压缩比大、实现方法简单和还原(解压)效果好，即重建的图像难以观察出图像的损伤。国际标准化组织ISO已为之制定了国际标准，其中影响最大的是用于视频图像压缩的MPEG标准。,83,2.多媒体通信技术实现信息共享，通常需要传送文本、图形、图像、影视、动画、声音等，其传输速率从几个bps到几十Mb/s(例如HDTV)，在很多场合要求实时，因此对通信的要求极高。光纤通信的发展解决了通信介质问题，今后满足不同特点的综合多媒体信息的网络交换技术将成为通信的关键技术。,84,3.具有多媒体处理功能的微处理器和(或)专用芯片多媒体计算机需要快速实时完成视频/音频信号的采集、压缩和解压
49、缩、图形、图像和声音处理以及信息的输出，必须采用专门为之设计的芯片。随着集成电路的发展，CPU的运算速度以及功能大为增加，某些原来由专用芯片实现的一部分功能可以由CPU中的硬件或软件来完成，技术发展很快。4.多媒体操作系统5.多媒体数据库6.超媒体,85,（四）视频和音频信息的获取和回放多媒体计算机要综合处理声、文、图信息，首先要解决把视频和音频信息数字化后送入计算机。1.视频信号的获取一般视频信号源自摄像机、录像机、扫描仪和视频光盘等，它们的输出大多数是彩色全电视信号，要把这种信号送到计算机中，需要下列电路：(1)彩色解码电路。将电视信号分成RGB(红绿蓝)或YUV。Y是亮度信号，U，V是色
50、差信号。(2)同步锁相和时序电路。产生时钟信号和所有的控制信号，这些信号与视频信号源的同步是通过锁相回路实现的。,86,(3)A/D变换器。将模拟的Y，U，V信号转换成数字信号。(4)帧存储器。存放YUV或RGB数字式信号。2.音频信号的获取音频信号获取设备的主要组成部分如下：音频的信号源是拾音器(麦克风)，具有可编程增益控制的音频放大器，低通滤波器(滤掉噪音)，A/D变换器，存储器。将处理好的信息输出的部件主要组成如下：D/A变换器，滤波器(改善输出语音信号的质量)，功率放大和增益控制器(可编程的音量控制器，分左右两路输出到音响设备)。,87,多媒体计算机的用途与实例 1.多媒体系统的用途按
