计算机系统的三大应用领域
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定制性
面向用户 面向产品 面向应用
解决方案不唯一
嵌入式产品软件特征
包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软 件、开发工具 软件要求固态化存储 稳定性要求高
软件代码高质量、高可靠性
可能无系统软件 软硬件紧密结合，协同开发
其他可能有的要求
实时性强 功耗低 支持升级
软件和硬件结合紧密
由于定制，可能无硬盘，无通用操作系统 产品升级换代困难 和硬件同步升级
操作系统的支持
同步机制
同步函数 互斥函数
任务调度机制
多核平台下的并行开发
双核甚至多核处理器需要多线程化 大多数应用用C或C++编写的 根据单线程设计 多线程优化
需要耗费大量劳动力的改写过程 重头再来
多核迫使软件开发朝并行化方向发展 RISC架构的多核系统上已经形成了比 较成熟的多线程系统并行处理能力
复习提纲
陈天洲 tzchen@zju.edu.cn
计算机系统的三大应用Βιβλιοθήκη Baidu域
服务器
目标：
可用性 可扩展性 有效带宽
利润最大的市场 包括大型机、超级 计算机等
桌面
办公等用途 最广阔的市场 包括台式机，笔记 本
嵌入式
以往计算机分类：
大型计算机、中型 机、小型机和微计 算机
目前计算机分类：
超级计算机，大型 计算机、工作站、 微计算机、亚微计 算机
如何有效地利用数目众多的晶体管？
多核
通过在一个芯片上集成多个简单的处理器
CMP多核处理器
单芯片多处理器通过在一个芯片上集 成多个微处理器核心来提高程序的并 行性
每个微处理器核心是一个相对简单的单线 程微处理器或者比较简单的多线程微处理 器 多个微处理器核心就可以并行地执行程序 代码 具有了较高的线程级并行性
具有较长的生命周期
嵌入式系统产品
UMPC：Ultra-Mobile PC PDA
个人信息助理 掌上电脑
手机
普通手机 智能手机
与PDA结合
PMP：Portable Media Player 办公用品
录音笔 FLY数字笔 Genius数字便笺 Polymer Vision手机书
手表
Martin Frey手表 手表手机：M300
多媒体功能对电池的消耗巨大
合理利用电池的容量，延长电池的使 用时间已经是制约嵌入式设备发展的 一个重要问题 高性能计算领域的高能耗密度有迫切
节能的方法
改进芯片制造工艺 设计芯片节能体系结构 在硬件支持下的软件节能
为系统提供合适的资源 让多余的资源休眠
不同的节能技术应用于计算机系统的 各个方面
现阶段的研究工作各自关注不同的节能领 域 软硬件，OS和编译器协同
借助硬件提供的节能方法
定制节能的通信协议 多媒体和网络应用中的节能
多核技术是处理器发展的必然
推动微处理器性能不断提高的因素
半导体工艺技术的飞速进步 体系结构的不断发展
这两个因素相互影响，相互促进
工艺和电路技术的发展使得处理器性能提 高约20倍 体系结构的发展使得处理器性能提高约4 倍 编译技术的发展使得处理器性能提高约 1.4倍。
亚微计算机(嵌入式计 算机) 是以嵌入式系
定义
微软在2002年将嵌入式系统定义为完 成某一特定功能、或是使用某一特定 嵌入式应用软件的计算机或计算装置。 英国电机工程师学会的定义:
“嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、 机器或甚至工厂操作的装置” 通常执行特定功能 以微电脑和外围构成核心 严格的时序和稳定性要求 全自动操作循环
AVS技术
SoC 设计中降低 功耗的电压调节技 术有两种方式
一种是开环电压调 节（动态）
就是DVS
另一种则是闭环 （自适应）电压控 制方法
自适应电压调节 闭环方式可进一步 减小功耗
Adaptive Voltage Scaling
DPM技术
IBM开发了一个应用十分广泛的电源管理框架 可以根据需要开发各种设备的电源管理策略 （DPM）
END
介绍-节能技术分布于系统各处
应用程序节能，操作系统，硬 件的支持
节能编译 操作系统体系结构节能，硬件 的简单支持
芯片节能体系结构，软件的简 单支持
芯片制造技术节能
电池
DVS技术
Dynamic Voltage Scaling动态调频/调 压的技术
在一定范围内，处理器的频率和电压是成 正比的，所以也有DFS或者DFVS的说法 1998年被提出 在此观点提出后，具有DVS功能的处理器 开始制造
前提假设
处理器的负载一直在变 当处理器的利用率比较低的时候可以通过
DVS技术-理论根据（续）
经验简化公式 Pdynamic∝acV2f
C表示电路负载（电容）大小 V表示供电电压 f为工作频率 降低f同时降低了V，降低了功率
DVS调度的原则
提供合适而不是过多的计算能力
DVS由处理器提供调频能力，其他工 作由OS等软件完成
运动玩具游戏
GTX公司定位的运动跑鞋 遥控蜻蜓 次世代 摄像器材
数码相机
DV
智能家居
智能家具 智能家电
多媒体终端
IP电话 视频会议 可视电话
家庭音响 电视
高清电视、数字电视、立体显 示技术
节能需求
嵌入式设备多为电池供电
如一个无线传感网（WSN）的节点可能 由电池供电工作若干年
嵌入式手持设备向移动多媒体终端发 展
精确定义:
嵌入式系统必要条件
有处理器
计算机五大部件
运算器，控制器合称处理器 存储器 输入输出
如果只有存储器、输入输出，不能认为是 嵌入式系统
不能执行计算机最基础的功能
常用32位处理器
价格与单片机接近
嵌入式产品硬件特征
通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设 备组成 高集成度
逐步形成单芯片解决方案
系统芯片 (SOC)
多核的发展动力
计算机硬件发展危机
VLSI发展到ULSI 主频瓶颈
技术上两条出路
提高片内核的数量
发展到多核
集成外围电路到处理器中
发展到SOC（系统芯片，system on chip）
产业上的出路
PC市场有没有出路，来源于对多核计算
多核处理器
2006年突然推出双核，年底到四核 2006年Q4英特尔内部已有16核处理器 2007年1月10日英特尔已经展示了8核 计算机 市场对多核反应冷淡
技术准备不足
多处理器技术长期以来针对服务区 并行计算技术针对科学计算
实际难点多
应用软件，事务处理如何使用多核？ 系统软件对多核的支持不足
十亿晶体管时代即将到来
通用微处理器的主频已经突破了4GHz 数据宽度也达到64位。 0.13um工艺的微处理器已经批量生产 65nm工艺以下的微处理器也已问世 到2010年左右，芯片上集成的晶体管 数目将超过10亿个
由于CMP采用了相对简单的微处理器
摩尔定律
18个月左右CPU性能翻一番，价格减一半 目前CPU的主频速度已经接近物理极限 技术难题：半导体工艺、功耗增高 Intel、AMD、IBM、SUN等主流CPU厂商从以往的单一提 高主频，向如今的超线程、多核方向转变
多核硬件
多核处理器系统
系统中包含一个多核的处理器芯片 每个处理器核能够独立运行程序
节能编译-静态编译器节能
compiler静态编译
编译过程插入节能算法
缺点
compiler的视线只是局限在program内部 compiler不知道程序到底怎么运行的
为了获得程序的运行数据，compiler只能通过 模拟的手段 获得的信息是不足的，不够真实
编译器在优化的时候，认为程序是在没有 被打搅的情况下运行的，认为他的运行空 间是纯洁的
多核程序的挑战
程序是否具备扩展性 程序能否更精确 产品是否易于编程和维护
并行开发模式
打破串行的编程过程“一步一步”的模式 首先要进行分析和拆解 然后才能进行程序的编写
程序设计并行规划
为双核，四核、八核、十六核等更多核芯
多核处理器的研究方向
CMP的体系结构 芯片面积的分配模型 设计空间的探索 Cache的结构 高速通信机制 编译技术的支持 任务调度
单核多处理器系统
多个单核的处理器构成的系统 处理器之间的通信延迟时间较长
多核多处理器系统
多个多核处理器构成的并行系统 两个并行处理的层次
同构CMP和异构CMP
按单芯片多处理器上 的处理器是否相同进 行划分
同构CMP
由通用的处理器组成
多个处理器执行相同或 者类似的任务
异构CMP
通用处理器
作为控制、通用计算
节能编译-动态编译器节能
提供了反馈的方法
一个程序被编译之后，在执行的过程中， 还是被监视着 采集程序的运行信息反馈给编译器 编译器按照得到的信息再次编译程序 程序继续运行 再次反馈信息给编译器 Loop
Unnikrishnan研究成果
通过仪器测出不同的电量需求和条件下面
应用软件节能
由程序员手工完成低功耗的程序
屏蔽了下层的硬件 为上层提供了统一的接口 可以制定device的各种参数 还可以将自己的策略通过plug in的方式加进去
基本思想
将下层的硬件建模成一种由operation states和 operating points组成的状态机。 OS：Operation states是由各种OS状态组成的，包括 idle，active，sleep等。 OP：operation point是由处理器频率和内核电压组成
由通用内核（GP）与专用硬 件（SP）组成的异构多核处理器
同构多核处理器的优点
控制逻辑简单 高主频。 低通信延迟 低功耗 设计和验证周期短
异构多核化
功能强大 内核结构复杂 执行特定任务的时候效率会受影响 功耗也难以控制
多核程序设计基础
尚无多核操作系统，只有多处理器操 作系统
目前多核平台
由操作系统分配线程进行多核运算
面向用户 面向产品 面向应用
解决方案不唯一
嵌入式产品软件特征
包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软 件、开发工具 软件要求固态化存储 稳定性要求高
软件代码高质量、高可靠性
可能无系统软件 软硬件紧密结合，协同开发
其他可能有的要求
实时性强 功耗低 支持升级
软件和硬件结合紧密
由于定制，可能无硬盘，无通用操作系统 产品升级换代困难 和硬件同步升级
操作系统的支持
同步机制
同步函数 互斥函数
任务调度机制
多核平台下的并行开发
双核甚至多核处理器需要多线程化 大多数应用用C或C++编写的 根据单线程设计 多线程优化
需要耗费大量劳动力的改写过程 重头再来
多核迫使软件开发朝并行化方向发展 RISC架构的多核系统上已经形成了比 较成熟的多线程系统并行处理能力
复习提纲
陈天洲 tzchen@zju.edu.cn
计算机系统的三大应用Βιβλιοθήκη Baidu域
服务器
目标：
可用性 可扩展性 有效带宽
利润最大的市场 包括大型机、超级 计算机等
桌面
办公等用途 最广阔的市场 包括台式机，笔记 本
嵌入式
以往计算机分类：
大型计算机、中型 机、小型机和微计 算机
目前计算机分类：
超级计算机，大型 计算机、工作站、 微计算机、亚微计 算机
如何有效地利用数目众多的晶体管？
多核
通过在一个芯片上集成多个简单的处理器
CMP多核处理器
单芯片多处理器通过在一个芯片上集 成多个微处理器核心来提高程序的并 行性
每个微处理器核心是一个相对简单的单线 程微处理器或者比较简单的多线程微处理 器 多个微处理器核心就可以并行地执行程序 代码 具有了较高的线程级并行性
具有较长的生命周期
嵌入式系统产品
UMPC：Ultra-Mobile PC PDA
个人信息助理 掌上电脑
手机
普通手机 智能手机
与PDA结合
PMP：Portable Media Player 办公用品
录音笔 FLY数字笔 Genius数字便笺 Polymer Vision手机书
手表
Martin Frey手表 手表手机：M300
多媒体功能对电池的消耗巨大
合理利用电池的容量，延长电池的使 用时间已经是制约嵌入式设备发展的 一个重要问题 高性能计算领域的高能耗密度有迫切
节能的方法
改进芯片制造工艺 设计芯片节能体系结构 在硬件支持下的软件节能
为系统提供合适的资源 让多余的资源休眠
不同的节能技术应用于计算机系统的 各个方面
现阶段的研究工作各自关注不同的节能领 域 软硬件，OS和编译器协同
借助硬件提供的节能方法
定制节能的通信协议 多媒体和网络应用中的节能
多核技术是处理器发展的必然
推动微处理器性能不断提高的因素
半导体工艺技术的飞速进步 体系结构的不断发展
这两个因素相互影响，相互促进
工艺和电路技术的发展使得处理器性能提 高约20倍 体系结构的发展使得处理器性能提高约4 倍 编译技术的发展使得处理器性能提高约 1.4倍。
亚微计算机(嵌入式计 算机) 是以嵌入式系
定义
微软在2002年将嵌入式系统定义为完 成某一特定功能、或是使用某一特定 嵌入式应用软件的计算机或计算装置。 英国电机工程师学会的定义:
“嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、 机器或甚至工厂操作的装置” 通常执行特定功能 以微电脑和外围构成核心 严格的时序和稳定性要求 全自动操作循环
AVS技术
SoC 设计中降低 功耗的电压调节技 术有两种方式
一种是开环电压调 节（动态）
就是DVS
另一种则是闭环 （自适应）电压控 制方法
自适应电压调节 闭环方式可进一步 减小功耗
Adaptive Voltage Scaling
DPM技术
IBM开发了一个应用十分广泛的电源管理框架 可以根据需要开发各种设备的电源管理策略 （DPM）
END
介绍-节能技术分布于系统各处
应用程序节能，操作系统，硬 件的支持
节能编译 操作系统体系结构节能，硬件 的简单支持
芯片节能体系结构，软件的简 单支持
芯片制造技术节能
电池
DVS技术
Dynamic Voltage Scaling动态调频/调 压的技术
在一定范围内，处理器的频率和电压是成 正比的，所以也有DFS或者DFVS的说法 1998年被提出 在此观点提出后，具有DVS功能的处理器 开始制造
前提假设
处理器的负载一直在变 当处理器的利用率比较低的时候可以通过
DVS技术-理论根据（续）
经验简化公式 Pdynamic∝acV2f
C表示电路负载（电容）大小 V表示供电电压 f为工作频率 降低f同时降低了V，降低了功率
DVS调度的原则
提供合适而不是过多的计算能力
DVS由处理器提供调频能力，其他工 作由OS等软件完成
运动玩具游戏
GTX公司定位的运动跑鞋 遥控蜻蜓 次世代 摄像器材
数码相机
DV
智能家居
智能家具 智能家电
多媒体终端
IP电话 视频会议 可视电话
家庭音响 电视
高清电视、数字电视、立体显 示技术
节能需求
嵌入式设备多为电池供电
如一个无线传感网（WSN）的节点可能 由电池供电工作若干年
嵌入式手持设备向移动多媒体终端发 展
精确定义:
嵌入式系统必要条件
有处理器
计算机五大部件
运算器，控制器合称处理器 存储器 输入输出
如果只有存储器、输入输出，不能认为是 嵌入式系统
不能执行计算机最基础的功能
常用32位处理器
价格与单片机接近
嵌入式产品硬件特征
通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设 备组成 高集成度
逐步形成单芯片解决方案
系统芯片 (SOC)
多核的发展动力
计算机硬件发展危机
VLSI发展到ULSI 主频瓶颈
技术上两条出路
提高片内核的数量
发展到多核
集成外围电路到处理器中
发展到SOC（系统芯片，system on chip）
产业上的出路
PC市场有没有出路，来源于对多核计算
多核处理器
2006年突然推出双核，年底到四核 2006年Q4英特尔内部已有16核处理器 2007年1月10日英特尔已经展示了8核 计算机 市场对多核反应冷淡
技术准备不足
多处理器技术长期以来针对服务区 并行计算技术针对科学计算
实际难点多
应用软件，事务处理如何使用多核？ 系统软件对多核的支持不足
十亿晶体管时代即将到来
通用微处理器的主频已经突破了4GHz 数据宽度也达到64位。 0.13um工艺的微处理器已经批量生产 65nm工艺以下的微处理器也已问世 到2010年左右，芯片上集成的晶体管 数目将超过10亿个
由于CMP采用了相对简单的微处理器
摩尔定律
18个月左右CPU性能翻一番，价格减一半 目前CPU的主频速度已经接近物理极限 技术难题：半导体工艺、功耗增高 Intel、AMD、IBM、SUN等主流CPU厂商从以往的单一提 高主频，向如今的超线程、多核方向转变
多核硬件
多核处理器系统
系统中包含一个多核的处理器芯片 每个处理器核能够独立运行程序
节能编译-静态编译器节能
compiler静态编译
编译过程插入节能算法
缺点
compiler的视线只是局限在program内部 compiler不知道程序到底怎么运行的
为了获得程序的运行数据，compiler只能通过 模拟的手段 获得的信息是不足的，不够真实
编译器在优化的时候，认为程序是在没有 被打搅的情况下运行的，认为他的运行空 间是纯洁的
多核程序的挑战
程序是否具备扩展性 程序能否更精确 产品是否易于编程和维护
并行开发模式
打破串行的编程过程“一步一步”的模式 首先要进行分析和拆解 然后才能进行程序的编写
程序设计并行规划
为双核，四核、八核、十六核等更多核芯
多核处理器的研究方向
CMP的体系结构 芯片面积的分配模型 设计空间的探索 Cache的结构 高速通信机制 编译技术的支持 任务调度
单核多处理器系统
多个单核的处理器构成的系统 处理器之间的通信延迟时间较长
多核多处理器系统
多个多核处理器构成的并行系统 两个并行处理的层次
同构CMP和异构CMP
按单芯片多处理器上 的处理器是否相同进 行划分
同构CMP
由通用的处理器组成
多个处理器执行相同或 者类似的任务
异构CMP
通用处理器
作为控制、通用计算
节能编译-动态编译器节能
提供了反馈的方法
一个程序被编译之后，在执行的过程中， 还是被监视着 采集程序的运行信息反馈给编译器 编译器按照得到的信息再次编译程序 程序继续运行 再次反馈信息给编译器 Loop
Unnikrishnan研究成果
通过仪器测出不同的电量需求和条件下面
应用软件节能
由程序员手工完成低功耗的程序
屏蔽了下层的硬件 为上层提供了统一的接口 可以制定device的各种参数 还可以将自己的策略通过plug in的方式加进去
基本思想
将下层的硬件建模成一种由operation states和 operating points组成的状态机。 OS：Operation states是由各种OS状态组成的，包括 idle，active，sleep等。 OP：operation point是由处理器频率和内核电压组成
由通用内核（GP）与专用硬 件（SP）组成的异构多核处理器
同构多核处理器的优点
控制逻辑简单 高主频。 低通信延迟 低功耗 设计和验证周期短
异构多核化
功能强大 内核结构复杂 执行特定任务的时候效率会受影响 功耗也难以控制
多核程序设计基础
尚无多核操作系统，只有多处理器操 作系统
目前多核平台
由操作系统分配线程进行多核运算