【正文】 瓷的對比）的需求和缺少風(fēng)扇的制冷都限制了功耗的整體消耗。 另外一個在嵌入式系統(tǒng)中很重要的趨勢是把處理器核和特定應(yīng)用電路相結(jié)合。實際上，嵌入式問題通常是通過以下三種方法之一解決的：1． 設(shè)計者使用一個組合的軟硬件解決方案，其中包括定制的硬件和整合在所定制硬件中的嵌入式處理器核。3． 設(shè)計者使用一個數(shù)字信號處理器和為這個處理器定制的軟件。我們將在下章討論數(shù)字信號處理器和通用嵌入式處理器的區(qū)別。針對特定應(yīng)用程序的專用硬件的設(shè)計和DSP的細(xì)節(jié)不在本書討論范圍。對于服務(wù)器來講，這種范圍來源于應(yīng)用高端事務(wù)處理和網(wǎng)頁服務(wù)時對大規(guī)模多處理器系統(tǒng)的需求。如果包括8位和16位微處理器的話，2000年銷售的嵌入式處理器的總數(shù)估計可超過10億塊。另外，區(qū)分低端的服務(wù)器市場和桌面電腦市場也是很困難的，因為低端服務(wù)器——特別是那些在5000美元以下的服務(wù)器——同桌面電腦本質(zhì)上是沒有區(qū)別的。計算機(jī)設(shè)計者的任務(wù)計算機(jī)設(shè)計者面臨的任務(wù)非常復(fù)雜：對一臺新計算機(jī)而言，首先要判斷哪些特征是最重要的，然后在不超出成本的范圍內(nèi)力求性能最高。其中實現(xiàn)可能涉及集成電路的設(shè)計、封裝、電源的設(shè)計以及冷卻措施。 過去，計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常僅指指令集設(shè)計，計算機(jī)設(shè)計的其他方面則被稱為實現(xiàn)。筆者認(rèn)為這種說法不僅不正確，甚至應(yīng)對新指令集設(shè)計中出現(xiàn)的錯誤負(fù)責(zé)。尤其是在不同指令集之間的差距不斷縮小和存在三個截然不同的應(yīng)用領(lǐng)域的今天，這一點更是千真萬確。這一指令集的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是軟件與硬件的界面，這是第二章集中討論的內(nèi)容。 結(jié)構(gòu)涵蓋了計算機(jī)設(shè)計的高層次方面，例如存儲系統(tǒng)、總線結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部CPU（中央處理單元——實現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、分支和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟考┑脑O(shè)計。盡管Pentium 4增加了新的指令，但基本上都是浮點運(yùn)算指令。這可能包括具體的邏輯設(shè)計和封裝技術(shù)。例如，Pentium II 和Celeron，二者具有幾乎完全相同的結(jié)構(gòu)，但時鐘頻率和存儲系統(tǒng)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)的有所不同使得對于低端計算機(jī)而言Celeron更加有效。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計者必須設(shè)計一臺既能滿足功能要求，又能達(dá)到價格和性能目標(biāo)的計算機(jī)。這可能是主要的任務(wù)。確定了機(jī)器的用途后，應(yīng)用軟件通常能幫助我們篩選出特定的功能要求。如果對某一類特定應(yīng)用軟件的市場需求非常大，設(shè)計者也可能會在新計算機(jī)中引入某些支持這些軟件的功能特性，以增強(qiáng)新計算機(jī)在市場中的競爭力。 一旦確定了一系列功能要求后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計者就要盡可能優(yōu)化設(shè)計。過去幾十年里計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的變化強(qiáng)烈的影響著衡量標(biāo)準(zhǔn)的變化。 不同的市場的多樣性導(dǎo)致了設(shè)計計算機(jī)基本原理的不同方面的努力。最后，領(lǐng)先的嵌入式處理器市場中的挑戰(zhàn)在于，在考慮功耗限制和圖形視頻高性能處理的前提下，如何在一定價格范圍內(nèi)應(yīng)用高端處理器技術(shù)來獲得更好的性能。此外，設(shè)計者還必須密切關(guān)注實現(xiàn)技術(shù)和計算機(jī)應(yīng)用方面的重要發(fā)展趨勢，這不僅關(guān)系到產(chǎn)品未來的成本，而且能夠決定某種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的壽命。功能要求應(yīng)具備或支持的典型特性應(yīng)用領(lǐng)域通用科學(xué)計算商用嵌入式計算計算機(jī)的目標(biāo)對一系列任務(wù)均有較好的平衡性能（如圖像、視頻、音頻的交互性能）(第5章)具有較高的浮點運(yùn)算和圖像處理功能（附錄G、H）支持?jǐn)?shù)據(jù)庫和事務(wù)處理功能；有較強(qiáng)的可靠性和可用性；支持可擴(kuò)展性。左邊一列是需求的種類，右邊一列則包括了可能需要的特性和相關(guān)章節(jié)及附錄。設(shè)計者必須密切關(guān)注計算機(jī)應(yīng)用和技術(shù)的發(fā)展趨勢。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計者對那些可能會延長計算機(jī)壽命的技術(shù)變化必須心中有數(shù)。以下四種飛速發(fā)展的實現(xiàn)技術(shù)對現(xiàn)代實現(xiàn)技術(shù)的影響最為深遠(yuǎn)：l 集成電路邏輯技術(shù)——晶體管的密度以每年大約35%的速度增長，四年后增長為原來的四倍。二者總的效果是每片硅片上的晶體管數(shù)目以每年大約55%的速度增加。l 半導(dǎo)體DRAM（動態(tài)隨機(jī)存取存儲器）——其密度以每年40％－60%的速度增長，三、四年后增長為原來的四倍。每片的帶寬隨著延遲時間的縮短而以其兩倍的速度增加。l 磁盤存儲技術(shù)——最近，磁盤的密度以每年100%的速度增長，兩年后幾乎達(dá)到原來的四倍。在未來的一段時間內(nèi)，磁盤技術(shù)將以更快的速度提高。這一技術(shù)是第7章的核心內(nèi)容，我們將在那一節(jié)中對這一問題做更加詳盡的討論。時延和帶寬二者都可以提高，但近年帶寬是人們關(guān)注的焦點。網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要性將導(dǎo)致它更快的發(fā)展100Mb以太網(wǎng)出現(xiàn)5年后1Gb以太網(wǎng)就問世了。依靠這些飛速發(fā)展的技術(shù)，就可以通過提高微處理器的速度和使用先進(jìn)技術(shù)將微處理器的壽命延長至五年或更長。事實上，設(shè)計者是在為未來的某種技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，因為產(chǎn)品批量生產(chǎn)時正是這一技術(shù)最經(jīng)濟(jì)或性能最優(yōu)時。 這些技術(shù)變化不是連續(xù)的，而是跳躍式的，這種階梯式的變化可能使以前無法實現(xiàn)的技術(shù)變得可行。到八十年代末，第一級高速緩存器在硅片上出現(xiàn)。但這種設(shè)計在這一技術(shù)未達(dá)到某一水平之前是不可能的。集成電路中晶體管、連線和功耗的衡量 集成電路的加工過程是用特征尺寸來表示的，特征尺寸是晶體管或者連線在x，y方向上的最小尺寸。因為每平方毫米硅上晶體管數(shù)目由一個晶體管的表面積決定，所以當(dāng)特征尺寸線性減少的時候晶體管的密度以平方項增加。當(dāng)特征尺寸減少時，設(shè)備在水平方向和垂直方向上都是平方倍的減少。這種和尺度因素的結(jié)合導(dǎo)致了晶體管性能和加工的特征尺寸之間的復(fù)雜關(guān)系。 晶體管數(shù)目平方倍的增加伴隨著晶體管性能線性的提升，這個事實為計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計者提出了挑戰(zhàn)和機(jī)會。直到最近，密度的增加才導(dǎo)致64位微處理器的產(chǎn)生及很多關(guān)于流水線和高速緩存的改進(jìn)，這些將在第5章介紹。特別地，連線上的信號延遲與它的電阻和電容乘積成正比。這個關(guān)系比較復(fù)雜，因為電阻和電容依靠具體的加工方法、連線的幾何形狀、連線的裝載甚至和其他結(jié)構(gòu)的連接。通常，線延遲數(shù)值范圍與晶體管性能相比很大，這為設(shè)計者提出了更多的挑戰(zhàn)。更多的時鐘消耗在信號的線延遲上。 當(dāng)設(shè)備達(dá)到一定規(guī)模的時候，功耗同樣是具有挑戰(zhàn)的。每個晶體管需要的能量與晶體管的裝載電容、轉(zhuǎn)換頻率和電壓的乘積成比例。第一個微處理器消耗功耗僅幾百毫瓦，而2GHz的Pentium 4處理器消耗近100瓦的功耗。分散功耗，消除熱量和消除熱點已經(jīng)成為了很困難的挑戰(zhàn)。 成本、價格及其發(fā)展趨勢盡管在有的計算機(jī)設(shè)計（特別是超級計算機(jī)的設(shè)計）中成本因素可以不予考慮，但注重成本的設(shè)計卻越來越重要。的確，在過去15年中，計算機(jī)行業(yè)主要是靠改進(jìn)技術(shù)來提高性能和降低成本的?？墒?，設(shè)計者如果想在考慮成本因素的情況下對是否增加某一功能特性作出明智的選擇，就必須對成本及其要素有所了解，否則就會象建筑師對鋼筋和水泥的行情一無所知就去設(shè)計摩天大廈一樣不可想象。同時我們還討論影響成本的因素和成本的變化趨勢。這一節(jié)將通過對那些在計算機(jī)設(shè)計中起主要影響的成本因素的討論向你介紹上述這些問題。學(xué)習(xí)曲線本身最便于用產(chǎn)出率來衡量，產(chǎn)出率就是通過質(zhì)量檢驗的產(chǎn)品占總產(chǎn)品的百分比。深入理解學(xué)習(xí)曲線對產(chǎn)出率的影響是在產(chǎn)品生命周期中控制成本的關(guān)鍵。事實上有一段時期甚至出現(xiàn)了價格低于成本，如2001年初。，從中可以更形象地看到這一點。由于并不是所有的組件成本都以同樣的速度變化，所以基于計劃成本的設(shè)計導(dǎo)致了不同的成本性能平衡。 ，通貨膨脹主要發(fā)生在1977—1982這五年，在此期間。每一代DRAM產(chǎn)品的價格都在其生命周期內(nèi)降低了10－30個百分點。在供不應(yīng)求時——例如1987—1988年和1992—1993年間——價格有短期的回升，這體現(xiàn)為價格降低的速度趨緩。微處理器的價格同樣在下跌，但是由于它沒有DRAM芯片那么規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，所以它的價格與成本之間的關(guān)系就顯得更加復(fù)雜。 III的價格變化趨勢。產(chǎn)量會以幾種方式影響成本。其二，產(chǎn)量增加可以提高采購和生產(chǎn)的效率，從而降低成本。其三，隨著產(chǎn)量的增加，每件產(chǎn)品均攤的開發(fā)費(fèi)用會減小，因而產(chǎn)品的成本和售價都可能降低。 當(dāng)產(chǎn)出率提高和競爭的壓力同時導(dǎo)致成本的降低時，Intel Pentium III的價格隨著時間的變化以固定的頻率下降。最新的介紹顯示Pentium III的價格將繼續(xù)下跌直到與其今天的最低成本部件接近一致（100－200美元）。 零配件是由多家廠商大量出售的可以完全互換的產(chǎn)品。零件包括DRAM、小型磁盤、監(jiān)視器、主板等。有許多廠商生產(chǎn)完全可互換的產(chǎn)品，因而該領(lǐng)域內(nèi)競爭激烈。這是因為零售市場產(chǎn)量大，而且產(chǎn)品有明確的規(guī)范，這使得多家廠商可以參與到生產(chǎn)零配件的競爭中來。盡管只有非常有限的利潤可賺（這也是所有零部件行業(yè)的特征），但也使計算機(jī)行業(yè)在低端產(chǎn)品方面可以比別的部門獲得更高的性價比和更大的產(chǎn)量。在產(chǎn)量大、對價格敏感的市場中尤其如此。盡管集成電路的成本呈指數(shù)下降趨勢，但是生產(chǎn)硅片的基本程序并沒有改變：先對一個晶片進(jìn)行測試，然后把晶片切分成電路小片，再對每個電路小片進(jìn)行封裝（）。 含有Intel Pentium 4處理器的8英寸晶片的照片。R20K是由帶有指令集擴(kuò)展的MIPS64系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，被稱作MIPS3D，用來計算三維圖像處理。通過使用MIPS3D的指令，R20K可以每秒累計執(zhí)行30億次的浮點運(yùn)算。由此可以推知電路小片的成本為: 有趣的是，這一電路小片的成本公式表明電路小片的成本對電路小片的大小非常敏感。晶片的周長除以正方形電路小片的對角線長度近似為晶片邊緣處電路小片的數(shù)目。例題 ?解: 電路小片的面積為所以 但這僅給出了每個晶片上可以容納的電路小片最大數(shù)目，還有一個關(guān)鍵問題是每個晶片上性能良好的電路小片的比例即電路小片的成品率是多少。為簡便起見，我們假定晶片成品率為100%。在2001年，因工藝成熟程度（回憶一下前面提到過的學(xué)習(xí)曲線）。對于現(xiàn)在的多層金屬CMOS生產(chǎn)流程而言。解： 面積較大的電路小片的成品率為： 面積較小的電路小片的成品率為： 這樣，用每個晶片的電路小片的數(shù)目乘以電路小片的成品率（包括次品）就得到每個晶片上功能良好的電路小片的數(shù)目。大多數(shù)32位、64位微處理器的電路小片尺寸都在這個范圍內(nèi)，在縮放之前的原型制作階段最大的面積曾達(dá)到2平方厘米。 假定在零部件產(chǎn)品（如DRAM和SRAM）的巨大價格壓力之下，設(shè)計者不得不采用多生產(chǎn)一些產(chǎn)品作為提供成品率的一種手段。在微處理器中為高速緩存使用的標(biāo)準(zhǔn)SRAM和更大的SRAM陣列中，設(shè)計者們都已經(jīng)采用了類似的技術(shù)。 在2001年的領(lǐng)先科技中，以4－6層金屬工藝處理一個直徑為30cm的晶片需要花費(fèi)5000－6000美元的成本。 計算機(jī)設(shè)計者對芯片的成本應(yīng)該注意哪些東西呢？生產(chǎn)流程決定了晶片的成本、晶片的成品率、和單位面積的殘次品個數(shù)，所以設(shè)計者唯一能控制的就是電路小片的面積。然而實際上，由于單位面積的殘次品的個數(shù)是少量的，所以每個晶片上好的電路小片的數(shù)量和成本是與電路小片的面積的平方成正比的。而電路小片的大小和成本都要受到電路小片所包含的功能特性和I/O管腳數(shù)的影響。這些步驟都會增加成本。然而對于那些低產(chǎn)量（如不超過一百萬的零件數(shù)）的集成電路而言，掩模組的成本是一個非常重要的固定成本。所以，對于現(xiàn)代4－6層金屬層的高密集度工藝制造過程來說，掩模的成本費(fèi)用通常超過100萬美元。由于掩模的成本價格有可能繼續(xù)上漲，所以設(shè)計者們將采用組合邏輯來提高某個部件的復(fù)雜性，或者選取一些門陣列（特制掩模標(biāo)準(zhǔn)），從而降低掩模的蘊(yùn)涵成本。但有些部件（如機(jī)箱和電源）的成本未來短時間內(nèi)幾乎不會有大的變化。處理器子系統(tǒng)僅占總成本的6%。系統(tǒng)子系統(tǒng)占總成本的比例機(jī)箱金屬、塑料、電源、風(fēng)扇電纜線、螺釘和螺母包裝箱、手冊小計2%2%1%1%6%主板處理器DRAM （128M）顯卡I/O子系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)小計22%5%5%5%37%I/O設(shè)備鍵盤和鼠標(biāo)監(jiān)視器硬盤（20GB）DVD驅(qū)動器小計3%19%9%6%37%軟件操作系統(tǒng)＋基本Office組件20％ 2001年一臺價值1000美元的PC機(jī)中各部件的估計成本分布。（有趣的是，在1993年的時候，DRAM內(nèi)存的價格占整個整機(jī)成本的近三分之一，是當(dāng)時最貴的部件！但從那以后，它的價格以每MB大約15個百分點的速度下跌?。㏕ouma[1993]詳細(xì)討論了工作站的成本和價格。在一本計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的書中為什么要包含對價格的討論呢？成本在變?yōu)閮r格之前，要經(jīng)歷許多變化，計算機(jī)設(shè)計者應(yīng)當(dāng)了解他的設(shè)計決定是如何影響價格的。如果設(shè)計者不清楚成本與價格的關(guān)系，他就不會了解增減或替換零件對價格的影響。通常，價格提高會使銷售量下降，隨之而來的產(chǎn)量減少會使成本提高，導(dǎo)致價格進(jìn)一步提高。成本與價格之間的關(guān)系非常復(fù)雜，有專著對此進(jìn)行討論。 組成價格的各個范疇既可以看作在成本的基礎(chǔ)上的附加值也可以看成是價格的百分比，我們將從這兩個方面討論問題。為顯示這些差異。直接成本是指與制造一件產(chǎn)品直接相關(guān)的成本，包括勞動力成本、購買元件的成本、碎料（生產(chǎn)所剩余的廢料）和保證金（在保證期內(nèi)系統(tǒng)在用戶端失效時的更換或維修費(fèi)用）。因為用戶通常支付服務(wù)或維護(hù)費(fèi)用，所以這部分開支通常不計算在費(fèi)用內(nèi)，盡管在直接成本或下面將要提到的總利潤中也可以包括一項名為保證金的費(fèi)用。這一項可以被看作間接成本。元件成本加上直接成本和額外費(fèi)用后，就成了我們通常所說的平均售價——在MBA術(shù)語中被稱為ASP——也就是出售產(chǎn)品后進(jìn)入公司的全額。低端微機(jī)制造商的額外費(fèi)用通常都不高，這主要有以下幾個原因：第一，它們的研發(fā)費(fèi)用不高；第二，它們的銷售費(fèi)用相對較低，因為它們通常不采用推銷員上門直接推銷的方式，而采用郵購、電話定購或零售商代銷的方式；第三，因為它們的產(chǎn)品通常不具有壟斷性質(zhì)，競爭比較激烈，所以總利潤通常較小。一個原因是公司通常提供因購買數(shù)量而異的折扣，降低了平均售價。這樣，因分銷系統(tǒng)的不同，平均售價也和標(biāo)價不同。每一次價格提高都是按前一次價格的百分比計算。 像我們前面提到過的一樣，價格對競爭十分敏感：一個公司可能無法按包括總利潤所要求的價格賣出產(chǎn)品。一個力圖爭取市場份額的公司可能會降價讓利來增加其產(chǎn)品的吸引力。這其中的關(guān)系非常復(fù)雜，要想深入闡述它們需要整本書，而不是這一小節(jié)能夠講清楚的。 許多工程師對大多數(shù)公司的研發(fā)費(fèi)用僅占其收入的4%