8.1計算機的形態(tài)與發(fā)展趨勢 一般認為，計算機經(jīng)歷了4個時代，即電子管時代、晶體管時代、集成電路時代、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代。第8章微機系統(tǒng)及服務器技術8.1.1移動型計算機1：掌上電腦1．掌上電腦概況 掌上電腦是PDA（PersonalDigitalAssistant）系列的高端產(chǎn)品，俗稱掌上機。廣義的PDA還包括電子詞典、電子記事本、個人通訊助理機等產(chǎn)品，但也有很多人就直接稱掌上電腦為PDA。2．掌上電腦的結(jié)構(gòu)特點 掌上電腦，顧名思義是手掌上的電腦，也就是能夠在手掌上操作使用的電腦。因此，其外形、體積、重量和操作方式都要能適應手上操作的需要：既要方便攜帶，也要便于手持和在運動的狀態(tài)下輸入，同時還要具有普通電腦的一般功能。為滿足以上要求，掌上電腦有其獨特的結(jié)構(gòu)特點。 （1）在硬件方面，掌上電腦的特點是體積小、重量輕、便于攜帶。掌上電腦的體積（長×寬×高）一般在120mm×50mm×16mm到140mm×90mm×20mm之間，重量一般在150～250g之間，形狀為扁平長方體，便于手持，圖8.1所示是兩款掌上電腦的外形圖。掌上電腦的基本配置如下。圖8.1掌上電腦外形圖 輸入設備：觸摸屏是掌上電腦的主要輸入設備。 CPU：一般采用主頻為75MHz（現(xiàn)在已達到133MHz、206MHz）基于RISC的內(nèi)嵌式32位處理器。 內(nèi)存：一般為2MB~16MB的FlashRAM及4MB~32MB的ROM，并可以通過PCMCIA插槽進對RAM及ROM進行擴展。 顯示器：普遍采用分辨率為320×240像素和160×160像素的單色背光式LCD，灰度一般為4~8級，即使在低照度下也能使用。目前，也有部分掌上電腦使用真彩的LCD。 （2）在通信方面，掌上電腦的特點是外部接口功能較強，除了前面所述的PCMIA擴展槽外，一般還配有多用適配器接口，紅外通訊端口（IrDA，TheInfraredDataAssociation）、通用電話接口和RS-232標準串口，有的還內(nèi)置了Fax/Modem，配置了自適應（IR，Infrared）功能裝置。 （3）在功耗方面，由于掌上電腦的移動計算和流動通信的要求，在很多場合都要使用電池驅(qū)動，因此掌上電腦的功耗較小，一般都采用2節(jié)5號或7號可充電的高效電池，它們支持掌上電腦正常運行時間在2~8小時之間。3．掌上電腦的操作系統(tǒng) 掌上電腦的操作系統(tǒng)的功能與臺式機相似，可以說是整個系統(tǒng)的基礎和核心，現(xiàn)有很多廠商涉足操作系統(tǒng)的研究與開發(fā)。影響較大的有以下4種：EPOC、Linux、PalmOS和WindowsCE。4．掌上電腦的功能和應用 掌上電腦的主要功能是移動計算和通信，具體而言，可以分為以下幾個方面： ①信息處理。 ②任務管理。 ③連接上網(wǎng)。 ④同步傳輸。8.1.2移動型計算機2：筆記本電腦 筆記本電腦能滿足移動終端設備所必須的移動性和高智能性。一方面，它適合移動計算、野外作業(yè)，體積小，重量輕，功能強，可用電池供電及無線通信等功能；另一方面，它的性能直追臺式機，幾乎具備臺式機所有的功能。因此，筆記本電腦的應用已非常廣泛。1．筆記本電腦的組成 雖然筆記本電腦的體積、重量、外形與臺式機相差甚遠，但其功能和性能與臺式機基本相似，所以筆記本電腦的組成和部件與臺式機相同，但各個部件又有其特殊的要求和標準，圖8.2所示是筆記本電腦的外觀圖。圖8.2筆記本電腦的外觀圖 輸入設備：與臺式機一樣，筆記本電腦的輸入設備主要是鍵盤和鼠標。 CPU：低散熱和低功耗決定了筆記本電腦CPU在工藝上不同于臺式機，在處理速度上也稍遜于臺式機。 硬盤：筆記本電腦的硬盤同樣也存在容量與體積之間的矛盾。 顯示器：筆記本電腦的顯示器采用平板液晶顯示器（LCD）。 主板：與臺式機不同，筆記本電腦的主板采用了ALL-IN-ONE設計。 電源系統(tǒng)：包括電源適配器、充電電池和電源管理系統(tǒng)等。筆記本電腦采用的電池基本上是鎳電池和鋰電池。2．筆記本電腦的接口 由于筆記本電腦具有移動計算和體積較小等特點，它除了有與臺式機相同的串、并接口和鼠標接口外，還有一些特殊的接口，這些接口主要是為了滿足功能擴充和通信的需要。 PC卡接口 USB接口 ZV接口 紅外傳輸接口3．筆記本電腦的應用 筆記本電腦的應用已無處不在，在新聞、文化、金融、貿(mào)易、管理和教育等各個領域已發(fā)揮越來越重要的作用。8.1.3臺式機1．概述 臺式機就是我們常說的微型計算機，俗稱“微機”，是目前使用最為廣泛的一類計算機。2．微型計算機的總線結(jié)構(gòu) 總線是微計算機內(nèi)部進行通信的主體線路。微機總線結(jié)構(gòu)的發(fā)展一共經(jīng)歷了以下幾個階段：PC/XT總線、ISA總線、EISA總線、MCA總線、VESA總線、PCI總線和AGP總線。其中，AGP總線只負責CPU和AGP顯示之間的指令、數(shù)據(jù)和地址的傳輸，它可以和PCI總線共存。3．主板 臺式機的主板有兩種形式即AT與ATX主板。早期的臺式機使用AT主板，現(xiàn)在的臺式機都使用ATX主板，ATX主板在功能部件的布局上更利于擴展。主板上主要部件有：CPU（或CPU插槽）、高速緩存（Cache）、主存儲器（Memory）、邏輯芯片組Chipset、I/O控制器等等。圖8.3AGP/PCI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4．外部存儲設備 臺式機的外部存儲設備主要包括硬盤、軟盤驅(qū)動器和光盤驅(qū)動器。其中硬盤是最常用的設備而且硬盤存儲技術的發(fā)展也是最快的。臺式機常用的軟盤是1.44MB的3.5英寸磁盤。光盤一般是CD-ROM，其容量大致為600MB左右。5．I/O設備 臺式機的主要輸入/輸出設備有鍵盤、鼠標和顯示器。8.1.4服務器1．概述 服務器是計算機的又一形態(tài)，它與臺式機的區(qū)別不是在外形而是在功能上，因為在一些要求不高的場合一般臺式機也可以作為服務器。 服務器是一種更高形態(tài)的計算機。2．服務器的選擇 服務器的選擇一般根據(jù)實際的需要，可以選擇大型機或小型機，也可選擇普通的PC機，常用的是PC專用服務器。 PC專用服務器由于采用了多種技術具有較多優(yōu)點，它把大型機和小型機的高可靠性、較好的容錯能力和較強的數(shù)據(jù)處理能力與PC機的操作方便、兼容性強、價格低的優(yōu)勢融為一體，是一般網(wǎng)絡系統(tǒng)服務器的主要選擇對象。8.2服務器技術

8.2.1服務器的種類、特點和性能1．服務器的分類 服務器的分類有多種方法，主要按以下幾種標準來劃分： ①按CPU類型分： RISC架構(gòu)服務器和CISC架構(gòu)服務器。 ②按用途分： 運算服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、Web服務器、網(wǎng)絡文件服務器、電子郵件服務器和打印服務器等。 ③按規(guī)模分： 大型服務器（計算中心級或企業(yè)級）、中型服務器（部門級）、小型服務器（基層工作組織）、入門級服務器等。2．服務器的性能評價 服務器的性能主要包括服務器的運算能力、I/O能力、任務處理能力等方面。為衡量服務器性能的優(yōu)劣，現(xiàn)已提出了多種測試標準，常用的SPEC測試和TPCC測試。3．服務器的特性與相關技術 服務器的主要特性可概括為3點，即服務器的可靠性、可用性和可擴展性。服務器的可靠性是指服務器可提供的持續(xù)非故障時間，故障時間越少，服務器的可靠性越高。 服務器的可用性追求的是零故障時間，也就是說，如果以一年為標準則一年356天，每天24小時都要不間斷地工作且不出現(xiàn)故障。 服務器的可擴展性通常包括：中央處理器的擴展，內(nèi)存、外存容量的擴展及服務器對各種國際標準的支持。 為了提高服務器的性能，計算機廠商主要采用了以下技術：冗余技術；故障在線修復技術；機群系統(tǒng)；光纖通道技術；糾錯碼（ECC）和服務器自動重啟動（ASR）技術等等。8.2.2SMP多處理器原理 對稱多處理器（SMP）結(jié)構(gòu)是當前并行服務器常用的結(jié)構(gòu)。如圖8.4所示，它是由多個微處理器互連而成，處理器數(shù)可多達幾十個，各個處理器完全相同，能同等地訪問存儲器的每一個單元和控制每一臺I/O設備。圖8.4SMP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1．SMP技術特性 SMP采用共享存儲器結(jié)構(gòu)，其互聯(lián)網(wǎng)絡采用總線或交叉開關方式，多個CPU對稱地與互聯(lián)網(wǎng)絡相連，整個系統(tǒng)有如下特點：（1）處理速度大大提高（2）單一地址空間（3）高速緩存的一致性（4）低時延的存儲器通信2．高速緩存的一致性問題 在SMP結(jié)構(gòu)中存在高速緩存的一致性問題，當多臺處理機對共享存儲器某個單元在其本地高速緩存中的拷貝要進行維護時，只要對該單元的本地拷貝進行修改，就有可能引起存儲器的全局不一致性。這種不一致性在多處理器結(jié)構(gòu)中是必須要避免的。（1）不一致性問題的產(chǎn)生 圖8.5所示說明了由數(shù)據(jù)共享和進程遷移所引起的高速緩存的不一致。圖8.5數(shù)據(jù)共享和進程遷移中的高速緩存一致性問題 繞過高速緩存的I/O操作也可能產(chǎn)生不一致性問題。圖8.6中，在高速緩存和SM中保存同樣的變量X，當I/O處理機將一個新的數(shù)據(jù)X1寫入SM中時，繞過了采用寫通過策略的高速緩存，如圖8．6(b)所示，則在高速緩存和SM之間產(chǎn)生了不一致性；當直接從共享存儲器輸出數(shù)據(jù)時，如圖8.6(c)所示，采用寫回策略的高速緩存也會產(chǎn)生不一致性。圖8.6繞過高速緩存的I/O操作的不一致性（2）不一致性的解決方案 在采用總線結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)中，總線是保證高速緩存一致性的最方便的裝置?？偩€結(jié)構(gòu)允許系統(tǒng)中所有處理器能觀察到存儲器的狀態(tài)。如果總線操作破壞了本地高速緩存中數(shù)據(jù)的一致性狀態(tài)，那么高速緩存的控制器就采用相應的操作使本地拷貝失效。這種方案就是廣播偵聽（snoop）和寫失效策略。 在可擴展的多處理機系統(tǒng)中可以采用點對點的方式直接實現(xiàn)處理機的互連或者采用多級網(wǎng)絡實現(xiàn)處理機的互連。這些網(wǎng)絡由于沒有方便的監(jiān)聽機制和有效的廣播功能，在解決高速緩存的一致性問題時，一般采用各種目錄的方法。 此外，在解決由I/O操作所引起的高速緩存不一致性問題時，可以采用把I/O處理機分別連接到私有的高速緩存上的方法。采用這種方法后，I/O處理機就和CPU共享高速緩存。如果通過總線能保持高速緩存的一致性，那么也可以保持I/O的一致性。3．SMP的實現(xiàn)結(jié)構(gòu) 要較好地實現(xiàn)SMP系統(tǒng)，主要解決兩個問題，一是如何正確、高效地處理Cache一致性；二是如何向CPU提供足夠的訪存帶寬。下面具體介紹幾種常用的SMP結(jié)構(gòu)。（1）總線式結(jié)構(gòu) 如圖8.7所示，其中Agent是系統(tǒng)控制器，主要功能是完成對整個系統(tǒng)的控制，包括系統(tǒng)總線仲裁、CPU命令解釋執(zhí)行、Cache一致性處理及MM、I/O控制，中斷傳送等。圖8.7總線SMP結(jié)構(gòu)（2）交叉開關（Crossbar）結(jié)構(gòu) 如圖8.8所示，交叉開關結(jié)構(gòu)將CPU、MM、I/O劃分成相對獨立的模塊，每個模塊對外部都有足夠的傳輸帶寬，最后用交叉開關將各部件連接成一個整體。在結(jié)構(gòu)中由于采用了PAC和MAC大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，但是Cache一致性處理速度較慢。圖8.8Crossbar結(jié)構(gòu)框圖（3）總線與交叉開關結(jié)合型結(jié)構(gòu) 總線結(jié)構(gòu)具有Cache一致性處理速度快、操作簡單的特點，而交叉開關的數(shù)據(jù)傳輸率高，兩者結(jié)合起來相互取長補短，即為結(jié)合型結(jié)構(gòu)。8.2.3機群服務器

機群服務器是指通過特殊的軟件和硬件將兩臺或多臺計算機連結(jié)在一起而構(gòu)成的服務器系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上講，整個系統(tǒng)采用的是機群技術，就功能而言，整個系統(tǒng)是作為服務器使用。采用機群技術能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡中心的數(shù)據(jù)處理能力和服務能力；同時，由于機群系統(tǒng)具有很好的擴展性，并且與大、中型機相比有較高的價格優(yōu)勢，所以目前很多服務器都是機群結(jié)構(gòu)。1．機群技術 機群（Cluster）是并行或分布式計算機系統(tǒng)的一種類型，它是由一組完整的計算機互連而成，可以作為一個單獨的統(tǒng)一資源來使用。 機群系統(tǒng)的主要優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面： （1）使用方便 （2）可靠性好 （3）可擴展性好 （4）性能價格比好2．機群服務器 機群服務器技術可以從兩個方面理解：一方面是多個服務器作為機群的節(jié)點而構(gòu)成的一個大的服務器系統(tǒng)；另一個方面是由多個計算機構(gòu)成的機群作為服務器。（1）服務器鏡像技術 服務器鏡像技術是將建立在同一局域網(wǎng)上的兩臺服務器通過軟件或其他特殊的網(wǎng)絡設備（比如鏡像卡）將兩臺服務器的硬盤做鏡像。其中一臺服務器被指定為主服務器，另一臺為從服務器。由主服務器進行事務處理和網(wǎng)絡服務，從服務器只在主服務器出現(xiàn)故障時才投入運行，主、從服務器之間通過特殊的監(jiān)視機制互相監(jiān)測對方的狀態(tài)，如圖8.9所示。圖8.9服務器鏡像示意圖（2）錯誤接管機群技術 錯誤接管機群技術是將建立在同一個網(wǎng)絡里的兩臺或多臺服務器通過機群技術連接起來。機群節(jié)點中的每臺服務器各自有