單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論

單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論第1頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容提要計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四個(gè)層次的認(rèn)識(shí)國(guó)內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)科介紹國(guó)內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展機(jī)會(huì)何在第2頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四個(gè)層次的認(rèn)識(shí)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(dòng)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(chǔ)、傳輸技術(shù)前沿與走向應(yīng)用：無(wú)所不在的計(jì)算與后臺(tái)支持；

流式多媒體是未來(lái)應(yīng)用的方向第3頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月哲學(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(qiáng)大的表達(dá)信息的能力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：研究對(duì)數(shù)字進(jìn)行操作的機(jī)器系統(tǒng)—計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)第4頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月人類自然信息狀態(tài)（不借助任何工具和技術(shù)的狀態(tài)）輸入（獲?。嚎?、聽(tīng)、聞、嘗、感處理：大腦，世間最強(qiáng)大的處理器傳輸：聲音、手勢(shì)存儲(chǔ)：大腦輸出（表達(dá)）：語(yǔ)言、手勢(shì)、表情自然狀態(tài)的不足第5頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月信息技術(shù)與工具和人類發(fā)明了機(jī)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?。和h(yuǎn)鏡、傳感器（發(fā)展較晚）處理：算籌、算盤、計(jì)算器、計(jì)算機(jī)傳輸：烽火臺(tái)、旗語(yǔ)、鼓語(yǔ)、郵遞、書(shū)籍、交通、電報(bào)、電話、無(wú)線電、電視、Internet存儲(chǔ)：結(jié)繩計(jì)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(méi)有超過(guò)它）、照相、錄音、錄像、數(shù)字存儲(chǔ)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6頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月現(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(shí)間：世紀(jì)之交前后50年50年前開(kāi)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(jì)算機(jī)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(jī)、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(jiàn)到（成熟）第7頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月信息統(tǒng)一于數(shù)字！第8頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月潛在的真理

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9頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月數(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(jué)？嗅覺(jué)？味覺(jué)？；機(jī)器能接受的信息：電流、電壓等）（“比特”強(qiáng)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(chǔ)（實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單性）(任何信息設(shè)備都是相似的）第10頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月與數(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(hào)系統(tǒng)“比特”在計(jì)算機(jī)的操作下，成為客觀世界動(dòng)態(tài)的符號(hào)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(jì)算機(jī)始于計(jì)算，但高于計(jì)算計(jì)算機(jī)真正的能力在于對(duì)“bit”進(jìn)行操作（有步驟的處理、傳輸、存儲(chǔ)）第11頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月科學(xué)層次計(jì)算科學(xué)的開(kāi)山之作：圖靈機(jī)模型第12頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖靈理論希爾伯特問(wèn)：存不存在一個(gè)解決所有數(shù)學(xué)問(wèn)題的一般算法？圖靈答道：有！圖靈理論的俗解：如果不考慮時(shí)間，只要對(duì)bit進(jìn)行處理、移動(dòng)、存儲(chǔ)操作，就能解決任何數(shù)學(xué)計(jì)算問(wèn)題！這個(gè)理論指明了bit的強(qiáng)大功能，也包含了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想第13頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月后圖靈理論只要對(duì)bit進(jìn)行處理、傳輸、存儲(chǔ)，就能解決幾乎一切信息問(wèn)題！系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信念：只要處理、傳輸速度足夠快，存儲(chǔ)容量足夠大，一切信息問(wèn)題都能解決?。ù嬖谥@樣的可能性）這個(gè)結(jié)論給我們一個(gè)信念：數(shù)字化信息世界一定能實(shí)現(xiàn)！第14頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硬件、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(duì)數(shù)字進(jìn)行處理、傳輸、和存儲(chǔ)的硬件（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的對(duì)象）第15頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字域的三種操作處理：對(duì)數(shù)字進(jìn)行改變性操作

CPU,DSP,ASIC,邏輯電路傳輸：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有目的的移動(dòng)操作總線、網(wǎng)絡(luò)（機(jī)器內(nèi)部網(wǎng)，LAN，WAN，INTERNET，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）存儲(chǔ)：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不變性的保存RAM，ROM，F(xiàn)LASH，硬盤，光盤，存儲(chǔ)系統(tǒng)（RAID，NAS，SAN）第16頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月軟件新定義（可運(yùn)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17頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(gè)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(jì)算機(jī)行業(yè)的人要干的事，系統(tǒng)軟件：OS，數(shù)據(jù)庫(kù)，普遍使用的應(yīng)用軟件）第18頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月軟硬件獨(dú)立原理和互動(dòng)原理獨(dú)立原理：軟件理論上能實(shí)現(xiàn)的功能本質(zhì)上與硬件是獨(dú)立的（不管硬件是何種形式）互動(dòng)原理：軟件實(shí)際能實(shí)現(xiàn)的功能受制于硬件，硬件發(fā)展一個(gè)臺(tái)階，軟件就能發(fā)展一大步第19頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月終極信念數(shù)字表示信息的能力是極為強(qiáng)大的最強(qiáng)大之處在于表達(dá)人的思想人的思想是無(wú)限的所以，利用數(shù)字進(jìn)行創(chuàng)造的可能性也是無(wú)限的只要足夠快，就能實(shí)現(xiàn)某種創(chuàng)造歷史的回顧跟隨法與超前法第20頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總趨勢(shì)加快處理的速度加快傳輸?shù)乃俣燃哟蟠鎯?chǔ)的容量和加快存儲(chǔ)的速度加快：1。器件快

2。結(jié)構(gòu)快（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的課題）第21頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工程層次利用已有的器件技術(shù)，在一定的價(jià)格限制下，設(shè)計(jì)出性能最好的計(jì)算機(jī)（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任務(wù)）計(jì)算機(jī)---數(shù)字操作機(jī)器件的變化：機(jī)械、繼電器、電子管、晶體管、集成電路、LSI、VLSI、ULSI、量子計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)……第22頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月APSNI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)AIPSN圖第23頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(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24頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硬件前沿處理以處理器的發(fā)展為核心發(fā)展動(dòng)力：1.晶體管數(shù)按摩爾定律增加

2.頻率提高過(guò)去水平（1978）：Intel8086,3微米工藝，2.9萬(wàn)個(gè)晶體管，6MHz目前水平（2001）：Alpha21464,0.125微米工藝，25000萬(wàn)個(gè)晶體管,大與2GHz將來(lái)水平（2005）：10億晶體管，頻率？第25頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月處理器芯片內(nèi)的技術(shù)現(xiàn)有技術(shù)：以指令級(jí)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(kuò)展指令前沿技術(shù)：多個(gè)處理核心集成在單個(gè)芯片中第26頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

摩爾定律(Moore’sLaw)

假設(shè)價(jià)格保持不變，處理器芯片上的晶體管數(shù)每18個(gè)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(guó)王與大臣的故事（64方格棋）（最后一個(gè)方格放18446744073709551615粒麥子，20位數(shù)，要數(shù)5840億年?。┑?7頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月世界第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC18000個(gè)晶體管70000電阻器18000電容器30噸第28頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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29頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月處理能力的需求無(wú)止境

科學(xué)計(jì)算、商業(yè)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對(duì)計(jì)算能力的需求是單個(gè)處理器所無(wú)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(jì)算機(jī)（MPP，CLUSTER,GRID)第30頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月無(wú)所不在的計(jì)算

PervasiveComputing計(jì)算機(jī)發(fā)展的特點(diǎn)：1.無(wú)所不在的含有智能的小裝置；2.支持服務(wù)的后臺(tái)巨型計(jì)算機(jī)第31頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月將來(lái)的處理技術(shù)量子計(jì)算（最令人鼓舞的進(jìn)展）光計(jì)算（目前狀況，速度快，集成度低）生物計(jì)算（DNA計(jì)算機(jī)，起步階段）第32頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月存儲(chǔ)的前沿半導(dǎo)體存儲(chǔ)：RAM,ROM,FLASH的高速發(fā)展目前硬盤存儲(chǔ)：100GB2萬(wàn)轉(zhuǎn)/分實(shí)驗(yàn)室水平：一道一GPC機(jī)的主流硬盤容量增加2,000倍10MB100MB500MB4GB10GB20GB第33頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月存儲(chǔ)前沿（續(xù)）光存儲(chǔ)：CD-ROM，DVD，MO近場(chǎng)光記錄，全息存儲(chǔ)第34頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字化信息的增長(zhǎng)趨勢(shì)爆炸性增長(zhǎng)（主要爆發(fā)點(diǎn)：多媒體，Internet)----容量需求不斷的增長(zhǎng)----可擴(kuò)展性需求第35頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(zhǎng)第36頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月典型的存儲(chǔ)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(shí)人類基因庫(kù)從現(xiàn)在起的18個(gè)月內(nèi),新的存儲(chǔ)量等于有史以來(lái)老的存儲(chǔ)量之和!

———1998年圖靈獎(jiǎng)獲得者JimGray第37頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月性能：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(chǔ)瓶頸共享處理機(jī)

共享存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)Makethecommoncasefast!第38頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Network網(wǎng)站的存儲(chǔ)：幾十萬(wàn)用戶同時(shí)點(diǎn)擊到一個(gè)站點(diǎn)去獲得海量存儲(chǔ)系統(tǒng)中的信息。WWW:worldwideweb變?yōu)閣orldwidewait第39頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)據(jù)是最寶貴的財(cái)富對(duì)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(xiǎn)、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40頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)有的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)Directattatchedstorage（DAS）直連存儲(chǔ)Centralizedstorage集中式存儲(chǔ)Network-attatchedstorage(NAS)附網(wǎng)存儲(chǔ)Storageareanetworks(SANs)存域網(wǎng)第41頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Direct－attachedstorage

（DAS）直連存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖第42頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Centralizedstorage

集中式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖第43頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Network-Attachedstorage

（NAS）附網(wǎng)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖第44頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月StorageAreaNetworks

（SAN）存域網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖第45頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SAN的構(gòu)成IBMSUNSymmetrix

StorageHubS10/L10SwitchF16IntegratedManagementHPJBOD’s&ArraysTapeLibrariesNTBridgeFC4/2HighSpeedNetworkHPUXServersServersSANStorage

DevicesFC10FC3012HMC256HPEQUATIONARCHITECTUREHPSureSpan第46頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳輸前沿寬帶網(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(wú)線網(wǎng)方興未艾(視頻手機(jī)，移動(dòng)計(jì)算，Bluetooth技術(shù)）第47頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不同的應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)的要求是很不一樣的科學(xué)計(jì)算：浮點(diǎn)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(shí)間、傳輸能力通用機(jī)：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(jì)算機(jī)應(yīng)用層次第48頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月軟件前沿1.以INTERNET為平臺(tái)的軟件Microsoft.NET,I軟件（InternetInside)JAVA,GRID2.智能軟件智能人機(jī)界面（語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言理解、手勢(shì)識(shí)別）3.多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí)軟件多媒體表達(dá)，多媒體查詢，VR互動(dòng)“bethere”—三維全息實(shí)體顯示第49頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)結(jié)構(gòu)未來(lái)幾年的熱點(diǎn)移動(dòng)多媒體計(jì)算1。無(wú)所不在的小裝置2。強(qiáng)大的后臺(tái)支持結(jié)構(gòu)第50頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小結(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(shí)“bit”強(qiáng)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(jì)高性能的計(jì)算機(jī)應(yīng)用層次：計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用緊密相關(guān)第51頁(yè)，課件共57頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月國(guó)際系統(tǒng)結(jié)