【正文】 133 圖 四端口存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 134 3. 容錯(cuò)計(jì)算機(jī) 容錯(cuò)計(jì)算機(jī)是高可靠性計(jì)算機(jī)，當(dāng)其硬件在一定范圍內(nèi)發(fā)生固定性故障或偶然性差錯(cuò)時(shí)，該系統(tǒng)能自動(dòng)采取一些措施，保證計(jì)算機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。圖 構(gòu)圖。 131 圖 交叉開(kāi)關(guān) 132 (3) 多端口存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 每個(gè)存儲(chǔ)器模塊有多個(gè)端口，每個(gè)處理機(jī)和輸入輸出模塊都分別接到一個(gè)端口上，因而它們都可以獨(dú)立地直接訪問(wèn)存儲(chǔ)器。 圖 SMP結(jié)構(gòu) 130 2. 多處理機(jī)的互連結(jié)構(gòu) (1) 總線結(jié)構(gòu) 單總線結(jié)構(gòu)把所有功能部件連接到總線上，為解決總線太忙的問(wèn)題，可擴(kuò)充為雙總線結(jié)構(gòu)或多總線結(jié)構(gòu)。 SMP有一個(gè)統(tǒng)一的共享主存空間，而 MPP的微處理器有各自的局部存儲(chǔ)器。 MPP的結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 處理機(jī)數(shù)和機(jī)器速度的關(guān)系 127 大規(guī)模并行處理機(jī) (MPP)和對(duì)稱多處理機(jī) (SMP)是 20世紀(jì) 80年代中期發(fā)展起來(lái)的新機(jī)種。 124 圖 具有局部存儲(chǔ)器和 cache 的多處理機(jī)系統(tǒng) 125 在圖 臺(tái)計(jì)算機(jī) (稱為 HOST)作為系統(tǒng)管理之用，其機(jī)構(gòu)如圖 。但有了 cache 以后，又要產(chǎn)生系統(tǒng)中多個(gè) cache 之間以及 cache 同主存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題。為了進(jìn)一步減少訪問(wèn)主存次數(shù)，可在處理機(jī)與存儲(chǔ)器之間設(shè)置 cache。由于有了局部存儲(chǔ)器，因此減少了主存訪問(wèn)的沖突。 這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：由于共享主存，所以系統(tǒng)資源的管理和使用比較方便，是順序計(jì)算機(jī)的擴(kuò)充，缺點(diǎn)是受互連網(wǎng)絡(luò)傳輸率的影響，系統(tǒng)中處理機(jī)數(shù)目較少。除此以外，有一些 (或全部 )處理機(jī)可以設(shè)有單獨(dú)使用的局部存儲(chǔ)器。 根據(jù)存儲(chǔ)器的不同組成形式，有分布存儲(chǔ)器與共享存儲(chǔ)器兩種陣列處理機(jī)結(jié)構(gòu)，分別如圖 (a)和圖(b)所示。 119 在 PE之間設(shè)置互連網(wǎng)絡(luò) ICN，規(guī)定了各 PE之間的連接方式，是傳送數(shù)據(jù)的通路。在 CU控制下，各 PE對(duì)各自的數(shù)據(jù)并行地執(zhí)行同一條指令所規(guī)定的操作。 118 SIMD 并行處理機(jī)系統(tǒng) (陣列處理機(jī)系統(tǒng) ) 陣列處理機(jī)是以大量相同的處理單元按規(guī)則的幾何形狀排列成陣列而得名的，由在同一控制器 CU控制下的多個(gè)處理單元 PE組成。諾依曼計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)必須按程序指定的地址逐條從存儲(chǔ)器中取出指令并執(zhí)行之，這種方法稱為“控制流計(jì)算機(jī)法”。 (3) 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)。 117 (2) MIMD 多處理機(jī)，由多臺(tái)處理機(jī)組成，每臺(tái)處理機(jī)可分別執(zhí)行各自的指令和數(shù)據(jù)。 目前至少有以下幾種高度并行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)： (1) SIMD 并行處理機(jī)，又叫陣列處理機(jī) (array processor)。 圖 帶向量協(xié)處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 116 （二）陣列處理機(jī)和多處理機(jī)系統(tǒng) 在本章前面幾節(jié)中講到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)均屬于 SISD系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，主機(jī)管理整個(gè)系統(tǒng)，控制全部輸入輸出操作。圖系統(tǒng)的向量處理機(jī)。 112 1. 巨型計(jì)算機(jī) 為了進(jìn)行向量計(jì)算，在 20世紀(jì) 60年代末、 20世紀(jì) 70年代初曾發(fā)展了兩種巨型機(jī)系統(tǒng) (流水線處理機(jī)和并行處理機(jī) )，由于流水線處理機(jī)發(fā)展得快，因此現(xiàn)在的向量處理機(jī)即是指采用運(yùn)算流水線的處理機(jī)，當(dāng)它處理一個(gè)數(shù)組時(shí)，對(duì)向量中的每個(gè)元素執(zhí)行相同的操作，而且各元素間是互相無(wú)關(guān)的，因此流水線就能以每個(gè)時(shí)鐘送出一個(gè)結(jié)果的速度運(yùn)行。巨型計(jì)算機(jī)能對(duì)巨大的數(shù)組進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，同時(shí)它還是一種可以進(jìn)行標(biāo)量計(jì)算和一般數(shù)據(jù)處理的通用計(jì)算機(jī)。因此，向量處理機(jī)是一種具有向量數(shù)據(jù)表示，并設(shè)置相應(yīng)的硬件能對(duì)向量的各個(gè)元素進(jìn)行并行處理的處理機(jī)。 109 圖 cydra 5計(jì)算機(jī)的操作碼指令格式 110 、陣列處理器和多處理器系統(tǒng) （一）向量處理機(jī) :(P387) 在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中的很多應(yīng)用領(lǐng)域，如空氣動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)、天體物理學(xué)、原子物理和地震學(xué)等，需要對(duì)巨大的數(shù)組進(jìn)行高精度計(jì)算，為此發(fā)展了向量處理機(jī)。 Cydra5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)值處理機(jī)采用了超長(zhǎng)指令字。超級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的 CPU很少。執(zhí)行一個(gè)操作需要 3個(gè)周期，每個(gè)周期對(duì)一條指令進(jìn)行譯碼。其中 3個(gè) ALU安排在兩個(gè)層次上，第一層的兩個(gè) ALU獨(dú)立操作，它們的結(jié)果可送到第二層的 ALU再進(jìn)行運(yùn)算，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)相關(guān)或其他因素，在一個(gè)周期內(nèi)可完成 3條指令功能。圖 CPU芯片邏輯圖。 1992年 Sun和 TI(德州儀器 )公司推出 Super SPARC 芯片 (Viking)，以上這些芯片都是采用超級(jí)標(biāo)量技術(shù)的。 1989年，在 Tandem 公司發(fā)表的 Cyclone 高可靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，開(kāi)始采用超級(jí)標(biāo)量技術(shù)。 104 超級(jí)標(biāo)量機(jī)的硬件是不能重新安排指令的前后次序的，但可以在編譯程序時(shí)采取優(yōu)化的辦法對(duì)指令的執(zhí)行次序進(jìn)行精心安排，把能并行執(zhí)行的指令搭配起來(lái)。它可以同時(shí)從存儲(chǔ)器中取出幾條指令，并對(duì)這幾條指令進(jìn)行譯碼，把能夠并行執(zhí)行的指令同時(shí)送入不同的功能部件。超級(jí)流水線以增加流水線級(jí)數(shù)的方法來(lái)縮短機(jī)器周期，圖 種處理機(jī)的指令流水線，其中 (a)為早期 RISC機(jī)的指令流水線，其余三種流水線分別介紹如下 (假設(shè)采用取指、譯碼、執(zhí)行、寫(xiě)回四級(jí)流水線 )。但是還不能突破一個(gè)時(shí)鐘周期完成一條指令的框框。 (3) 通信控制器通常設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)處，其作用是實(shí)現(xiàn)音頻、視頻、數(shù)據(jù)及信令的混合和切換，但不影響音頻和視頻等信息的質(zhì)量。 視頻會(huì)議系統(tǒng)的組成： (1) 會(huì)議室終端設(shè)備是視頻會(huì)議系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)置在各個(gè)會(huì)議室中一般由多媒體計(jì)算機(jī)、攝錄像設(shè)備和電子白板等組成。 99 2. 應(yīng)用實(shí)例 ——視頻會(huì)議系統(tǒng) 視頻會(huì)議系統(tǒng)是指具有空間距離的人們使用會(huì)議室終端設(shè)備，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)管理部件，相互傳送實(shí)時(shí)的活動(dòng)影像和聲音，進(jìn)行協(xié)同工作的系統(tǒng)。 家用多媒體播放系統(tǒng)通常配備 CDROM，并采用電視機(jī)輸出。 訓(xùn)練 /教育系統(tǒng)一般在個(gè)人計(jì)算機(jī)上配以 CDROM，音頻接口卡及音響設(shè)備。典型的用途是多媒體應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，電子出版物的制作，電視節(jié)目的編輯和電影特技鏡頭的制作等。 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)具有多媒體應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和制作能力，以及播放功能。 將處理好的信息輸出的部件主要組成如下： D/A變換器，濾波器 (改善輸出語(yǔ)音信號(hào)的質(zhì)量 )，功率放大和增益控制器 (可編程的音量控制器，分左右兩路輸出到音響設(shè)備 )。存放 YUV或 RGB數(shù)字式信號(hào)。將模擬的 Y， U， V信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和所有的控制信號(hào)，這些信號(hào)與視頻信號(hào)源的同步是通過(guò)鎖相回路實(shí)現(xiàn)的。 Y是亮度信號(hào)， U， V是色差信號(hào)。 1. 視頻信號(hào)的獲取 一般視頻信號(hào)源自攝像機(jī)、錄像機(jī)、掃描儀和視頻光盤等，它們的輸出大多數(shù)是彩色全電視信號(hào)，要把這種信號(hào)送到計(jì)算機(jī)中，需要下列電路： (1) 彩色解碼電路。隨著集成電路的發(fā)展， CPU的運(yùn)算速度以及功能大為增加，某些原來(lái)由專用芯片實(shí)現(xiàn)的一部分功能可以由CPU中的硬件或軟件來(lái)完成，技術(shù)發(fā)展很快。光纖通信的發(fā)展解決了通信介質(zhì)問(wèn)題，今后滿足不同特點(diǎn)的綜合多媒體信息的網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)將成為通信的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO已為之制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其中影響最大的是用于視頻圖像壓縮的 MPEG標(biāo)準(zhǔn)。 圖像數(shù)據(jù)存在很大的相關(guān)性和冗余度，因此在允許存在一定失真度的情況下，可進(jìn)行大比例的壓縮。 92 （三）多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 1. 多媒體數(shù)據(jù)壓縮 /解壓 數(shù)字化視頻 /音頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量非常大。 (3) 多媒體編輯工具和寫(xiě)作工具，用于多媒體數(shù)據(jù)采集和編輯，并將其聯(lián)接成完整的視聽(tīng)資料。多媒體驅(qū)動(dòng)程序完成多媒體設(shè)備的初始化、設(shè)備的打開(kāi)和關(guān)閉等操作。 (5) 通信部件 (調(diào)制解調(diào)器 )。 (3) 高分辨率的顯示設(shè)備和性能佳的顯示適配器。 圖 多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 90 1. 多媒體硬件組成 (1) 功能強(qiáng)、速度快的 CPU和專用的集成電路芯片。 多媒體計(jì)算機(jī)可以是將通用計(jì)算機(jī)配置專用硬件和相應(yīng)軟件，從而能對(duì)文本、圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)、音頻、視頻等多種媒體進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)。 多媒體 (multi medium)技術(shù)是指對(duì)多種媒體信息進(jìn)行處理和傳送的技術(shù)，是將音像技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種綜合技術(shù)。 87 多媒體計(jì)算機(jī) 多媒體計(jì)算機(jī)是集聲音、文字、圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)和通信于一體的信息處理工具。用作服務(wù)器的計(jì)算機(jī)可以是一臺(tái) PC臺(tái)式機(jī)，直到一臺(tái)巨型機(jī)。在這種系統(tǒng)中，一臺(tái)服務(wù)器要面向多個(gè)客戶的服務(wù)請(qǐng)求。 85 7. 應(yīng)用軟件 在工作站上運(yùn)行的軟件非常豐富，且規(guī)模較大，主要包括：在電子、機(jī)械、建筑、化工和軍事領(lǐng)域中的CAD， CAM和 CAE；三維動(dòng)畫(huà)和多媒體軟件設(shè)計(jì)、地理信息系統(tǒng)、氣象和地震等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理；大型系統(tǒng)仿真、控制和作戰(zhàn)模擬等。 5. 輸入輸出接口 在工作站上，基本的對(duì)外輸入輸出接口有鍵盤、鼠標(biāo)、串口、并口和 SCSI接口。 84 4. 網(wǎng)絡(luò)接口 工作站一般提供傳輸率為 10Mb/s的局域網(wǎng) (以太網(wǎng) )接口。 圖形處理和顯示功能是工作站的一個(gè)重要指標(biāo)。 83 3. 總線系統(tǒng) 在工作站中，總線是影響系統(tǒng)性能的主要瓶頸之一，為提高系統(tǒng)性能可采用主橋 (host bridge)等組成的多總線結(jié)構(gòu)。由于硬件發(fā)展很快，隨著操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的發(fā)展，存儲(chǔ)器容量也日趨龐大。在高檔工作站中往往采用多個(gè)微處理器來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)，以提高性能。 82 1. 中央處理器 CPU 早期的工作站采用 CISC作為 CPU。很強(qiáng)的圖形處理能力是工作站的最大特點(diǎn)之一。它具有良好的人機(jī)界面和通用的操作系統(tǒng) (UNIX、Windows NT等 )，標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)接口和標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口。 各國(guó)相繼制定或正在制定綠色計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。 (6) 易回收。 (4) 滿足計(jì)算機(jī)操作人員工作舒適以及減少顯示器的閃爍等。 80 (2) 降低機(jī)器各部分電源電壓，以減少計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)的功耗。 生產(chǎn)廠商已經(jīng)采取了很多措施，主要有： (1) 采用節(jié)電的電源管理技術(shù)。 79 綠色計(jì)算機(jī) 人類賴以生存的環(huán)境受到嚴(yán)重污染，為滿足環(huán)保要求而設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)稱為綠色計(jì)算機(jī)。 (3) 卡的安全策略 為了保證安全，除了卡的操作都在 COS監(jiān)控下進(jìn)行以外，卡的密碼、密鑰系統(tǒng)也是關(guān)鍵。斷電后，卡內(nèi)操作系統(tǒng)以及卡上的數(shù)據(jù)都不能丟失，為此分別采用 ROM和 E2PROM來(lái)保存 COS和數(shù)據(jù)。讀寫(xiě)器發(fā)送來(lái)的命令，也是經(jīng)過(guò) COS的分析后執(zhí)行的。由于卡的應(yīng)用性質(zhì)決定了卡的安全性非常重要，卡要防止被偽造，卡內(nèi)數(shù)據(jù)要防止被非法篡改，有些數(shù)據(jù)要保密，甚至不允許被讀寫(xiě)器所讀取。工作時(shí)由讀寫(xiě)器向卡發(fā)出命令和數(shù)據(jù) (如果有數(shù)據(jù) )，卡執(zhí)行命令后向讀寫(xiě)器發(fā)回應(yīng)答和數(shù)據(jù) (如果有數(shù)據(jù) )。 77 (1) 讀寫(xiě)器 向卡上寫(xiě)信息或從卡上讀出信息的設(shè)備稱為“讀寫(xiě)器”或“讀寫(xiě)機(jī)具”。當(dāng)卡與讀寫(xiě)設(shè)備在一定距離范圍內(nèi) (一般為 1cm到 10cm)時(shí)可交換信息。一般只用其中的 5個(gè)觸點(diǎn)，分別為電壓、地、Reset(復(fù)位 )、 Clk(時(shí)鐘 )和 I/O端口， ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電信號(hào)及傳輸特性作出了明確的規(guī)定。 接觸式 IC卡：卡通過(guò)觸點(diǎn)與外界交換信息并取得能源(外加電壓 )。卡中只有一個(gè)I/O接口，用來(lái)與外界交換信息，而工業(yè)控制 MCU則有多個(gè) I/O接口。 RAM主要存放卡操作過(guò)程中的一些中間數(shù)據(jù)。 智能卡中微控制器 (或微處理器 )包括以下內(nèi)容： CPU、ROM、 RAM、 E2PROM和 I/O接口。 75 智能卡 將微控制器芯片鑲嵌入形似名片的卡片中，即為智能卡。 (4) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng) 嵌入式計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)性由其硬件、軟件提供保證，其中硬件運(yùn)算速度、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序起主導(dǎo)作用。 容錯(cuò)技術(shù)可在芯片級(jí)實(shí)施，也可在模塊和部件級(jí)實(shí)施，或在系統(tǒng)級(jí)實(shí)施。例如，衛(wèi)星要在太空連續(xù)運(yùn)行數(shù)月或數(shù)年，運(yùn)行環(huán)境非常嚴(yán)酷，運(yùn)行期間又不能進(jìn)行維護(hù)。按軍用標(biāo)準(zhǔn)加固的嵌入式計(jì)算機(jī)能承受戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中對(duì)沖擊、振動(dòng)、加速度、溫度、濕度、泥水煙霧、塵埃和輻射 (宇宙射線和核爆輻射等 )以及敵方的電磁干擾等考驗(yàn)。以下僅對(duì)關(guān)鍵技術(shù)作一些補(bǔ)充。 (8) 采用容錯(cuò)技術(shù) (見(jiàn) )。 71 (6) 采用長(zhǎng)壽命、高可靠的工業(yè)開(kāi)關(guān)電源。 (4) 采用半導(dǎo)體盤替代軟、硬盤，減少運(yùn)動(dòng)部分，增強(qiáng)防震能力。 (2) 系統(tǒng)功能分散到幾塊板上，減少板的尺寸，使維護(hù)和維修條件得到改善。 一般的 PC，如應(yīng)用于環(huán)境條件差的工廠中，尚存在以下問(wèn)題：① 主板尺寸大，散熱差；② 不能承受工廠中的震動(dòng)和沖擊；③ 輸入輸出 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