鯤鵬智能計算導論 課件 第2章 計算機與服務器

第2章

計算機與服務器鯤鵬智能計算導論2.1服務器發(fā)展概述2.2計算機結構2.3計算平臺的性能指標與測試學習要點2.1.1 計算機硬件的發(fā)展歷程1942年，美國賓夕法尼亞大學研發(fā)出世界上第一臺電子數(shù)字計算機——電子數(shù)字積分計算機（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，ENIAC），共采用約18000個電子管，能耗約為150kW，重約30t，每秒能做5000次加法運算。盡管ENIAC存儲容量較小且工作可靠性一般，但作為人類歷史上第一臺電子數(shù)字計算機，它的出現(xiàn)有著劃時代的意義。在ENIAC誕生后，計算機性能發(fā)生了巨大變化。業(yè)內習慣把計算機的發(fā)展階段劃分成不同“代”，但沒有統(tǒng)一的劃分標準。主流劃分方式是按照計算機采用的邏輯元器件的不同來劃分的。2.1.1 計算機硬件的發(fā)展歷程這一代計算機的基本特點是采用電子管作為邏輯元器件，采用水印延遲線和陰極射線管等材料作為主存儲器，用穿孔卡作為輔助存儲器，運算速度為每秒幾千次到上萬次。這一代計算機的體積非常龐大，運算速度低且造價高，最具代表性的是馮·諾依曼參與設計的存儲程序計算機——離散變量自動電子計算機（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer，EDVAC），主要用于軍事和科學領域。第一代：電子管計算機第二代：晶體管計算機第三代：集成電路計算機這一代計算機采用晶體管作為邏輯元器件，采用磁性材料作為主存儲器（磁芯存儲器），利用磁鼓和磁盤作為輔助存儲器，硬件能實現(xiàn)浮點算術運算，運算速度則提升至每秒幾萬次到幾十萬次。這一代計算機的可靠性和計算能力大大提高了，能耗也降低了不少，因此市場上出現(xiàn)了中小型計算機。與此同時，計算機軟件有了進一步提升，出現(xiàn)了Fortran、COBOL、ALGOL等一系列高級程序語言，簡化了程序設計，最重要的是操作系統(tǒng)在這個階段也初見雛形。這一代計算機使用中小規(guī)模集成電路作為邏輯元器件，主要采用硅基半導體作為主存儲器。由于硅基半導體技術突飛猛進，集成電路的制造工藝可以將更多電子元器件組成的邏輯電路集成到一個指甲蓋大小的單晶硅片上，硬件運算速度也達到了每秒幾十萬次到幾百萬次。這一代計算機運算精度高、存儲容量大，性能比第二代有了更大的提升。最重要的是，這個階段的高級程序語言有了更大的發(fā)展，操作系統(tǒng)的功能也日趨完善，計算機在科學計算、數(shù)據(jù)處理等多個領域得到廣泛運用。2.1.1 計算機硬件的發(fā)展歷程這一代計算機采用大規(guī)?；蛘叱笠?guī)模集成電路技術，運算速度達到每秒上千萬次至上億次。從20世紀70年代開始，微處理器和微型計算機也相繼問世，計算機的應用領域日益廣泛。尤其是1985年以后，隨著微型計算機的快速普及，局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術也迅速發(fā)展，計算機應用走向了網(wǎng)絡化。第四代：大規(guī)模集成電路計算機第五代：新一代計算機第六代也稱第5代計算機，指采用巨大規(guī)模集成電路，運算速度達到每秒幾十億次以上的計算機，計算類型也從數(shù)值計算發(fā)展到知識推理，計算機程序設計語言也向標準化、模塊化、產品化的方向發(fā)展。隨著硅基半導體技術逐漸達到物理極限，整個計算行業(yè)都在研發(fā)基于新器件和新體系的下一代計算機，如量子計算機、神經(jīng)網(wǎng)絡計算機、生物計算機等，目前已經(jīng)取得了階段性進展。2.1.2 服務器硬件的發(fā)展歷程硬件是指那些具有較高計算能力，能提供給多個用戶使用的計算機硬件；軟件是指能夠管理硬件資源并為用戶提供服務的計算機軟件，如文件服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和應用程序服務器等。本書中提到的服務器是指計算機硬件。相對于PC，服務器通常需要7×24小時全天候不間斷運行，這需要高可靠性、高可用性、高可服務性技術的支撐。服務器使用的CPU、芯片組、內存、磁盤系統(tǒng)、網(wǎng)絡等硬件也和PC有所不同。2.1.2 服務器硬件的發(fā)展歷程通用計算時代從1978年英特爾推出第一代x86架構處理器之后，x86架構使計算由專用走向了通用。這個時代也是計算機網(wǎng)絡技術突飛猛進的時期，瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）和C/S架構被廣泛應用，“服務器”這個名詞也被大規(guī)模使用。智能計算時代沒有一個單一的計算架構能滿足所有應用場景以及所有數(shù)據(jù)類型的處理，依賴單一CPU計算架構的時代即將變革。在這個時代，各種CPU、DSP、GPU、AI芯片、FPGA等不同計算架構同時存在。多種計算架構共存的異構計算可滿足業(yè)務和數(shù)據(jù)的多樣性需求，這個時代的服務器的特點是，除CPU之外，還會搭載各種異構芯片。專用計算時代采用大型計算機和小型計算機這一類的計算硬件，用于執(zhí)行計算任務。這個時代的計算機相對體積較大，使用專用操作系統(tǒng)和專用應用軟件。0102032.1.3 服務器軟件的發(fā)展歷程服務器操作系統(tǒng)01OPTIONUNIX由AT&T公司推出，主要用于支持大型文件系統(tǒng)服務、數(shù)據(jù)服務等。市面上曾經(jīng)出現(xiàn)的UNIX主要有SCOSVR、SunSolaris、IBMAIX、HP-UX、FreeBSD等。當前，在金融領域還有少量IBM小型計算機和HP小型計算機，使用的正是IBMAIX和HP-UX。Linux的創(chuàng)始人是萊納斯·托瓦爾茲，他從開始編寫操作系統(tǒng)內核時就考慮與UNIX相兼容，因此幾乎所有UNIX的工具都可以運行在Linux上。這種類UNIX操作系統(tǒng)可以看作UNIX的分支，基本都是為服務器設計的。常見的Linux發(fā)行版有RedHat、SUSE、Debian、CentOS、Ubuntu等。當前，在服務器上，Linux占據(jù)了絕對份額，越來越多的互聯(lián)網(wǎng)應用都部署在Linux上。微軟公司發(fā)行的WindowsServer版本。迄今為止，微軟發(fā)行的WindowsServer版本有WindowsNT系列、Windows2000Server系列、WindowsServer2003系列、WindowsServer2008系列、WindowsServer2012系列、WindowsServer2016系列，以及WindowsServer2019/2022系列?？傮w而言，WindowsServer能夠提供相對穩(wěn)定的運行環(huán)境和較容易維護的圖形用戶界面，廣泛適用于中小型規(guī)模的應用。UNIXLinuxWindowsServer2.1.3 服務器軟件的發(fā)展歷程服務器應用軟件02OPTION提供動態(tài)或者靜態(tài)的Web服務，一般安裝Apache、Lighttpd、Nginx等網(wǎng)頁服務端程序。網(wǎng)頁服務器主要用于文件的存放、歸檔及共享等。例如，Linux操作系統(tǒng)下支持文件傳輸協(xié)議（FileTransferProtocol，F(xiàn)TP）服務的vsftp軟件。文件服務器提供數(shù)據(jù)庫服務，若安裝openGauss、MySQL、PostgreSQL、SQLServer、MongoDB、Redis等數(shù)據(jù)庫，則可能是高可用的主備架構或雙活架構。數(shù)據(jù)庫服務器通常在企業(yè)中承載辦公自動化（OfficeAutomation，OA）、企業(yè)資源規(guī)劃（EnterpriseResourcePlanning，ERP）、客戶關系管理（CustomerRelationshipManagement，CRM）、財務軟件或者行業(yè)特殊大型應用軟件，一般安裝企業(yè)級應用軟件的服務端程序。大型應用服務器提供域名解析服務，一般安裝伯克利互聯(lián)網(wǎng)名稱域（BerkeleyInternetNameDomain，BIND）等域名服務（DomainNameService，DNS）軟件，其角色可能是局域網(wǎng)內部的DNS服務器，也可能是承載互聯(lián)網(wǎng)的DNS服務器。域名服務器提供電子郵件（E-mail）功能服務，一般安裝Sendmail、Postfix、Qmail、MicrosoftExchange等電子郵件服務應用軟件。電子郵件服務器服務器應用軟件2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢入門級服務器01OPTION入門級服務器可以滿足中小型網(wǎng)絡（如小規(guī)模公司）用戶的文件共享、打印服務、數(shù)據(jù)處理及簡單數(shù)據(jù)庫應用的需求，也可以在小范圍內完成E-mail、DNS等網(wǎng)絡服務。入門級服務器通常只使用1個處理器，并根據(jù)需要配置相應大小的內存（一般為256MB）和大容量串行先進技術總線附屬接口（SerialAdvancedTechnologyAttachmentInterface，SATA）硬盤，必要時也會采用RAID技術（一種磁盤陣列技術，用于保證數(shù)據(jù)的可靠性和可恢復性）進行數(shù)據(jù)保護。按應用層次分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢工作組級服務器一般支持1或2個處理器，可支持大容量的差錯校驗（ErrorCheckingandCorrection，ECC）內存，功能全面、可管理性強、易于維護。其中，ECC是一種內存容錯技術，多用于服務器上。工作組級服務器具備小型服務器所必備的各種特性，如采用小型計算機系統(tǒng)接口（SmallComputerSystemInterface，SCSI）總線I/O系統(tǒng)，采用對稱多處理器結構（SymmetricMulti-Processor，SMP），可搭配RAID卡、熱插拔硬盤、熱插拔電源等提升可用性和可靠性的組件或架構，可為中小企業(yè)提供網(wǎng)頁、E-mail、數(shù)據(jù)庫等服務，也能用于學校的校園信息化和多媒體教室建設。通常情況下，如果應用不復雜，沒有大型數(shù)據(jù)庫或者重資源消耗性應用需要部署，使用工作組級服務器就可以滿足要求。國產服務器的質量已與國外品牌旗鼓相當，在中低端產品上，國產品牌的性價比更具優(yōu)勢，因此中小企業(yè)可以優(yōu)先考慮選擇國產品牌。如果企業(yè)的關鍵業(yè)務比較復雜、數(shù)據(jù)流量比較大，則在資金允許的情況下，可以考慮選擇部門級或企業(yè)級服務器來承載關鍵業(yè)務。工作組級服務器02OPTION按應用層次分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢部門級服務器通?？梢灾С?～4個處理器，具有較高的可靠性、可用性、可擴展性和可管理性。這種類型的服務器集成了大量的監(jiān)測及管理電路，具有全面的服務器管理能力，可監(jiān)測如溫度、電壓、風扇轉速等狀態(tài)參數(shù)。結合配套的服務器管理軟件，部門級服務器可以使管理人員及時了解服務器的工作狀況。同時，大多數(shù)部門級服務器具有優(yōu)良的系統(tǒng)可擴展性，當業(yè)務量迅速增大時，用戶能在不停機的情況下升級系統(tǒng)。部門級服務器是企業(yè)網(wǎng)絡中分散的各基層數(shù)據(jù)采集單位與最高層數(shù)據(jù)中心保持順利連通的必要設備，適合中型企業(yè)用作數(shù)據(jù)中心、Web站點、數(shù)據(jù)庫等應用服務器。部門級服務器03OPTION按應用層次分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢企業(yè)級服務器屬于高端服務器，可支持4～8個處理器，擁有獨立的雙外圍組件互連（PeripheralComponetInterconnect，PCI）通道和內存擴展板設計，具有高內存帶寬、大容量熱插拔硬盤和熱插拔電源，以及超強的數(shù)據(jù)處理能力。這類服務器具有高度的容錯能力、優(yōu)異的可擴展性能和系統(tǒng)性能、極長的連續(xù)運行時間，能在很大程度上保護用戶投資，可用作大型企業(yè)的數(shù)據(jù)庫、高負載應用服務器。企業(yè)級服務器主要適用于需要處理大量數(shù)據(jù)、高處理速度和對可靠性要求極高的大型企業(yè)和重要行業(yè)（如金融、證券、交通、郵電、通信等），可提供ERP、電子商務、數(shù)據(jù)倉庫、云計算、OA等服務。企業(yè)級服務器04OPTION按應用層次分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢在復雜指令集計算機（ComplexInstructionSetComputer，CISC）微處理器中，程序的各條指令是按順序執(zhí)行的，每條指令中的各個操作也是按順序執(zhí)行的。順序執(zhí)行的優(yōu)點是控制簡單，但計算機各部分的利用率不高，執(zhí)行速度慢。常見的使用CISC架構的處理器有以下3類。英特爾的x86/x64架構系列：奔騰、酷睿、志強系列。AMD的x86架構系列：銳龍、AMDFX、APU、速龍和閃龍系列。x86指令授權系列：中科曙光的海光、上海兆芯集成電路股份有限公司的兆芯系列。CISC架構服務器01OPTION按處理器架構分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢精簡指令集計算機（ReducedInstructionSetComputer，RISC）的指令系統(tǒng)相對簡單，它只要求硬件執(zhí)行有限且常用的那部分指令，大部分復雜的操作則使用成熟的編譯技術，由簡單指令組成。常見的使用RISC架構的處理器有以下3類。ARM系列：蘋果公司（以下簡稱蘋果）的M1和M2、華為的鯤鵬處理器、天津飛騰信息技術有限公司的飛騰處理器。MIPS系列：龍芯中科技術股份有限公司的龍芯系列處理器。RISC-V系列：RISC-V是開源指令集，允許任何人設計、制造芯片，如中國科學院的“香山”系列處理器、阿里巴巴旗下的玄鐵系列處理器。RISC架構服務器02OPTION按處理器架構分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢通用服務器不是為某種服務專門設計的，它可以根據(jù)需要提供各種不同的服務功能，市面上常見的大多數(shù)服務器屬于通用服務器。這類服務器因為不是專為某一功能而設計的，所以在設計時就要兼顧多場景應用的需要，服務器的結構相對較為復雜。通用服務器01OPTION按用途分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢專用（或稱“功能型”）服務器是專門為某一種或某幾種特定功能設計的服務器，如存儲歸檔服務器主要用于存放歸檔文件、鏡像文件等。該類服務器在性能上需要有與之相匹配的功能，例如,需要配備大容量、高速的硬盤以及專門的文件歸檔管理軟件，如FTP服務器主要用于文件傳輸，因此對服務器的硬盤穩(wěn)定性、存取速度、I/O帶寬方面有較高要求，而E-mail服務器則要求服務器網(wǎng)絡接入速率高、硬盤容量大。這些專用服務器的性能要求相對較低，因為它只需要滿足應用的特定需求即可，所以結構相對簡單。通常，該類服務器采用了雙路CPU，通過軟件層的高可用架構來滿足可靠性需求。專用服務器02OPTION按用途分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢塔式服務器采用的機箱是立式的，一般使用大容量機箱，其外觀類似于大柜子，有的與立式PC機箱大小相當。入門級和工作組級服務器因為功能需求不多，內部結構需求比較簡單，所以常采用這種機箱結構。優(yōu)點缺點常見的入門級和工作組級服務器基本上都采用這種機箱結構。但是由于只有一臺主機，即使進行升級，擴展也有限。在一些特定應用場景下，單機服務器無法滿足要求，需要多機協(xié)同工作，而塔式服務器體積較大、獨立性較強，多機協(xié)同工作時在空間使用和系統(tǒng)管理上都很不方便。塔式服務器的外形及結構和立式PC機箱差不多。因為服務器的主板可擴展性較強，插槽較多，所以其體積比普通主板大，塔式服務器的機箱也比標準的高級技術擴展（AdvancedTechnologyExtended，ATX）機箱大，一般會預留足夠的空間以便日后擴展。由于塔式服務器的機箱較大，服務器的配置也可以很高，冗余擴展可以很齊備，所以它的應用范圍非常廣。塔式服務器是非數(shù)據(jù)中心場景下使用較廣泛的服務器。塔式服務器01OPTION按機箱結構分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢機架式服務器多為矩形盒子外觀，看起來像一個抽屜。下圖所示為華為TaiShan200Pro服務器（型號2280）系列機架式服務器。其寬度為19英寸（1英寸≈25.4mm），高度以U（1U=1.75英寸≈44.45mm）為單位，通常有1U、2U、3U、4U、5U、7U等標準的服務器。機架式服務器02OPTION按機箱結構分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢優(yōu)點缺點機架式服務器的空間比塔式服務器小，所以這類服務器在可擴展性和散熱上受到一定限制，配件也要經(jīng)過篩選，一般無法實現(xiàn)太全面的設備擴展，所以單機性能有上限，應用范圍也比較受制約，只能專注于某一類應用，如Web服務、遠程文件存儲等。如果需要提供更高的性能或者可靠性，則機架式服務器往往還會依賴多臺服務器配合高可用軟件來實現(xiàn)。架式服務器的外觀按統(tǒng)一標準設計，配合機柜統(tǒng)一使用，可以將其看作一種結構優(yōu)化的塔式服務器，其設計宗旨主要是在盡可能小的空間內提供更多計算資源。機柜尺寸采用通用工業(yè)標準，通常為22U到42U；機柜內部設有可拆卸的滑動拖架，按照標準的U高度進行布置，用戶可以根據(jù)自己服務器的高度靈活調節(jié)機柜的高度，以存放服務器、網(wǎng)絡設備、磁盤陣列柜等設備。服務器擺放好后，所有I/O線全部從機柜的后方引出（大多數(shù)機架式服務器的主要接口也在機柜的后方），統(tǒng)一安置在機柜線槽中，一般會貼上標號，便于管理。另外，很多專業(yè)網(wǎng)絡設備，如交換機、路由器、硬件防火墻等也采用機架式結構。機架式服務器03OPTION按機箱結構分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢刀片服務器概括來說是一種高可用高密度（HighAvailabilityHighDensity，HAHD）的服務器平臺，是專門為特殊行業(yè)應用和高密度計算機環(huán)境設計的。其中，每一塊刀片實際上就是一塊系統(tǒng)母版，類似于一個獨立服務器。在獨立模式下，每一塊母版運行自身安裝的系統(tǒng)，服務于指定用戶群，相互之間沒有關聯(lián)?？梢允褂孟到y(tǒng)軟件將這些母版集合成一個服務器集群。在集群模式下，所有母版都可以連接起來提供高速網(wǎng)絡環(huán)境，可以共享資源，為相同的用戶群服務。華為E9000系列刀片服務器刀片服務器04OPTION按機箱結構分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢一類為電信行業(yè)設計，接口標準和尺寸規(guī)格符合工業(yè)計算機制造商集團（PCIIndustrialComputerManufacturer‘sGroup，PICMG）1.x或2.x，未來還將推出符合PICMG3.x的產品，采用相同標準的不同廠商的刀片和機柜在理論上可以互相兼容；另一類為通用計算設計，接口可能采用了上述標準或廠商標準，但尺寸規(guī)格是廠商自主設定的，更注重性價比，通常提供給互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心或者網(wǎng)絡服務提供商使用。刀片服務器04OPTION按機箱結構分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢缺點刀片服務器的高密度導致的散熱問題是制造商不得不解決的一個關鍵問題，同時由于其單位空間內集成了多種功能模塊，對維護人員綜合技能要求及維護成本提出了更高的挑戰(zhàn)。刀片服務器適用于數(shù)字媒體、醫(yī)學、航天、軍事、通信等多個領域。其中，每一塊刀片實際上就是一塊系統(tǒng)主板，可通過本地硬盤啟動本刀片上的操作系統(tǒng)，類似于一個獨立服務器。優(yōu)點在刀片機框集群中插入新的“刀片”，就可以提高整體性能。因為每塊“刀片”都是熱插拔的，所以獨立系統(tǒng)可以輕松地進行替換操作，并且業(yè)務維護時間可減少到最短。一個機框中的服務器可以通過新型的智能基于內核的虛擬機（Kernel-basedVirtualMachine，KVM）轉換板共享一套鍵盤、鼠標和顯示器，以訪問多個刀片節(jié)點，從而便于升級、維護和訪問服務器上的文件。刀片服務器04OPTION按機箱結構分類2.1.4 服務器的類型和發(fā)展趨勢服務器發(fā)展趨勢的3個方向2.1.5 華為智能計算產品鯤鵬通用計算平臺鯤鵬通用計算平臺包括鯤鵬服務器主板、TaiShan系列機架式服務器和TaiShan系列高密服務器。昇騰AI計算平臺昇騰AI計算平臺包括模塊形態(tài)的Atlas200DK及200系列、卡形態(tài)的Atlas300推理/訓練系列、邊緣場景的Atlas500/500Pro系列、機架形態(tài)的Atlas800推理/訓練系列，以及集群形態(tài)的Atlas900系列。x86計算平臺（FusionServerPro智能服務器）x86計算平臺包括機架式服務器、X系列高密服務器、E系列刀片服務器、KunLun系列關鍵業(yè)務服務器。其中包括支持高密和刀片的液冷部件（注意：自2021年12月起，x86計算平臺相關產品已經(jīng)轉讓給超聚變數(shù)字技術有限公司）。010203華為智能計算產品還包括各個平臺通用的智能網(wǎng)卡、SSD及智能管理引擎軟件等。另外，在鯤鵬通用計算平臺中還有單獨的開源社區(qū)軟件和鯤鵬開發(fā)工具軟件套件。2.1服務器發(fā)展概述2.2計算機結構2.3計算平臺的性能指標與測試學習要點2.2.1 計算機的基本結構計算機運行時，從內存中讀取第一條指令，通過控制器譯碼，根據(jù)指令的要求，從內存中取出數(shù)據(jù)進行指定的運算和邏輯操作，再把得到的結果送回內存中。接下來處理第二條指令，重復上述步驟直至遇到停止指令。當前業(yè)界對計算機的定義：計算機是一種可以在程序控制下接收輸入、處理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)并產生輸出的電子裝置。有許多人把計算機叫作“電腦”，是指計算機可作為人腦功能的擴展和延伸。早期，計算機主要用于數(shù)值計算，因此沿用了“計算機”這個名稱。而現(xiàn)在，計算機不僅能作為計算工具進行數(shù)值計算，還能進行信息處理。隨著計算機技術的發(fā)展、應用領域的擴大，計算機更多地用于信息處理。計算機的基本工作原理計算機的概念2.2.1 計算機的基本結構與其他計算裝置相比，計算機具有以下3個特征。ACB基本器件由電子器件構成具有內部存儲信息的能力運算過程由程序自動控制現(xiàn)代計算機使用基于數(shù)字電路的工作原理。從理論上講，計算機處理數(shù)據(jù)的速度只受電信號的傳播速度限制，因此，計算機可以達到很高的運行速度。數(shù)字電路中只有“0”和“1”兩種脈沖信號，為了方便硬件設計，計算機內部的信息以二進制表示。由于具有內部存儲能力，不必每次都從外部獲取數(shù)據(jù)，可以使處理數(shù)據(jù)的時間減少到最短，并使程序控制成為可能。由于計算機具有內部存儲能力，計算機可以從內部存儲單元中依次取出指令和數(shù)據(jù)來控制操作，這種工作方式稱為存儲程序控制。它是計算機最重要的一個特征。2.2.1 計算機的基本結構計算機系統(tǒng)按功能劃分的多層次結構如圖所示。從不同的視角可以看出計算機系統(tǒng)不同的屬性，在使用計算機時，可以根據(jù)需要選擇其中某一層次，分析計算機系統(tǒng)的組成、性能和工作機制或進行該層次的設計工作。在構造一個完整的系統(tǒng)時，可以分層逐級實現(xiàn)。2.2.1 計算機的基本結構計算機系統(tǒng)的五大層次結構為微程序機器、機器語言機器、操作系統(tǒng)機器、匯編語言機器、高級語言機器。計算機系統(tǒng)3種級別的語言及其對應程序為機器語言（編譯程序和解釋程序）、匯編語言、高級語言。第1級：微程序級第2級：機器語言級第3級：操作系統(tǒng)級第4級：匯編語言級第5級：高級語言級2.2.1 計算機的基本結構在編程的時候通常采用高級語言，如C、C++、Python等（高級語言級），但是機器只能識別機器語言（機器語言級），兩者之間存在一個轉換的過程，這往往由集成開發(fā)環(huán)境（IntegratedDevelopmentEnvironment，IDE）來完成。經(jīng)過編譯和匯編后，源程序可變成可以在機器上運行的機器代碼。預處理（Preprocess）編譯（Compilation）匯編（Assembly）鏈接（Linking）編譯程序：將高級語言編寫的源程序一次全部翻譯為機器語言程序，并執(zhí)行機器語言程序，類似于整體翻譯（只需要翻譯一次，編譯型語言有C、C++等）。解釋程序：將源程序的一條語句翻譯成對應于機器語言的語句，并立即執(zhí)行。再繼續(xù)翻譯下一條語句，如同聲傳譯（每次執(zhí)行都需要翻譯，解釋型語言有JavaScript、Python、Shell等）。2.2.2 計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)是指能夠按照用戶的要求接收和存儲信息，自動進行數(shù)據(jù)存儲和計算，并輸出結果信息的系統(tǒng)。本節(jié)主要從計算機系統(tǒng)的組成來介紹計算機硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的相關知識。2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成計算機硬件的組成01OPTION2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTIONCPUCPU是服務器上的核心處理單元，而服務器是信息化基礎設施中的重要設備，要處理大量的訪問需求，因此對服務器有大數(shù)據(jù)量的快速吞吐、超強的穩(wěn)定性、長時間運行等嚴格要求。CPU是計算機的“大腦”，是衡量服務器性能的首要指標。鯤鵬通用計算平臺中主要采用基于精簡指令集的鯤鵬916及920兩大系列CPU。2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTION內存內存（Memory）也稱為內存儲器，其作用是暫存CPU中的運算數(shù)據(jù)，以及與硬盤等輔助存儲器交換的數(shù)據(jù)。無緩沖雙列直插式內存組件（UnbufferedDualIn-lineMemoryModules，UDIMM）控制器輸出的地址和控制信號直接到達雙列直插式內存組件（DualIn-lineMemoryModules，DIMM）。服務器常使用帶有溫度傳感器和ECC功能的UDIMM。帶寄存器的雙列直插式內存組件（RegisteredDualIn-lineMemoryModules，RDIMM）控制器輸出的地址和控制信號經(jīng)過寄存器寄存后輸出到動態(tài)隨機存儲器（DynamicRandomAccessMemory，DRAM）芯片中，控制器輸出的時鐘信號經(jīng)過鎖相環(huán)（Phase-LockedLoop，PLL）后到達各DRAM芯片。該類型的內存常見容量為4GB、8GB、16GB、32GB。低負載雙列直插式內存組件（Load-ReducedDualIn-lineMemoryModules，LRDIMM)其容量一般為32GB、64GB。LRDIMM突破了每個通道最大8列的限制，可提升系統(tǒng)整體內存容量。2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTION內存服務器增強內存技術是指由于服務器的運行要求比PC要高，因此出現(xiàn)的一些提高內存的可靠性和穩(wěn)定性的增強技術。雙通道技術內存交錯技術Registered內存在線備用內存技術內存鏡像123452.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTION硬盤固態(tài)硬盤用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，由控制單元和存儲單元（Flash芯片、DRAM芯片）組成?；旌嫌脖P機械硬盤與固態(tài)硬盤的結合體。使用磁盤作為最主要的存儲介質；使用容量較小的閃存顆粒存儲常用文件，以提升讀寫效率。相比于機械硬盤，混合硬盤的優(yōu)點是應用數(shù)據(jù)存儲與恢復更快、系統(tǒng)啟動時間減少、能耗降低……機械硬盤由一個或多個鋁或玻璃制成的磁性碟片、磁頭、轉軸、控制電機、磁頭控制器、數(shù)據(jù)轉換器、接口和緩存等組成。010203硬盤按存儲介質分類2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTION硬盤硬盤按接口類型可分為串行ATA（SerialAdvancedTechnologyAttachment，SATA）接口、串行SCSI（SerialAttachedSCSI，SAS）接口、高速串行計算機擴展總線標準（PCI-Express，PCI-e）接口、非易失性存儲器標準協(xié)議（Non-VolatileMemoryExpress，NVMe）接口。 早期還有集成驅動電接口、SCSI等，如今隨著SSD性價比的提升，PCI-e接口的硬盤在服務器中的使用率也在逐步提升。2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTION硬盤SSD已成為當前服務器的主流選擇。按業(yè)務應用和閃存介質的不同，SSD可分為3種不同類型：一是讀密集型（ReadIntensive），存儲介質主要為MLCNANDFlash，大部分為成本低的SATA。二是寫密集型（WriteIntensive），存儲介質為耐久性較高的eMLCNANDFlash，同時增加備用空間或SLCNANDFlash，主要適合高頻率寫的業(yè)務場景。三是均衡型（MixedUse），存儲介質主要為耐久性較高的eMLCNANDFlash，適合讀寫均衡的場景，適用于SATA、SAS、PCI-e接口。2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTION硬盤硬盤性能指標主要有以下幾點。常見的硬盤容量單位為吉字節(jié)（GB）、太字節(jié)（TB）和拍字節(jié)（PB）。決定硬盤容量的關鍵因素是單碟容量和碟片數(shù)量。硬盤轉速指硬盤盤片每分鐘轉過的圈數(shù)，單位為每分鐘轉數(shù)（RPM）。一般硬盤轉速能達到5400RPM/7200RPM。SCSI硬盤轉速可達到10000～15000RPM。平均尋道時間和平均等待時間之和。硬盤讀寫數(shù)據(jù)的速度，單位為兆字節(jié)每秒（MB/s）。硬盤數(shù)據(jù)傳輸率包括內部傳輸率和外部傳輸率兩個指標。也稱讀寫次數(shù)，是衡量磁盤性能的主要指標之一。對于隨機讀寫頻繁的應用來說，如聯(lián)機事務處理（OLTP），IOPS是關鍵衡量指標。另一個主要指標是數(shù)據(jù)吞吐量（Throughput），即單位時間內可以成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。容量轉速平均訪問時間數(shù)據(jù)傳輸率每秒的輸入/輸出量2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTION網(wǎng)卡網(wǎng)卡又稱為網(wǎng)絡適配器或網(wǎng)絡接口卡（NetworkInterfaceCard，NIC），是計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中最基本的、最重要的連接設備之一，計算機要通過網(wǎng)卡才能接入網(wǎng)絡。網(wǎng)卡在傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP）模型中時，在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層工作，用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。服務器網(wǎng)卡由于對可靠性、安全性的要求高，而與消費級網(wǎng)卡有較大差異，具體差異如下。速度快對CPU的占用小安全性更高2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTIONRAID卡RAID技術能將多個獨立的物理硬盤以不同的方式組合成一個邏輯硬盤，從而提高硬盤的讀寫性能和數(shù)據(jù)安全性。RAID級別組合方式RAID0數(shù)據(jù)條帶化、無校驗RAID1數(shù)據(jù)鏡像、無校驗RAID1E數(shù)據(jù)鏡像、數(shù)據(jù)條帶化RAID5數(shù)據(jù)條帶化、分布式校驗RAID6數(shù)據(jù)條帶化、分布式校驗并提供兩級冗余RAID10先做RAID1，再做RAID0RAID50先做RAID5，再做RAID0RAID卡結構2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTIONPCI-e接口卡PCI總線是一種高性能局部總線，主要用于外設之間以及外設與主機間的高速數(shù)據(jù)傳輸。PCI-e是一種高速串行計算機擴展總線標準，以取代基于總線的通信架構，屬于高速串行點對點雙通道高帶寬傳輸，所連接的設備分配獨享通道帶寬，不共享總線帶寬，主要支持主動電源管理、錯誤報告、端對端的可靠性傳輸、熱插拔及QoS等功能。PCI-e協(xié)議使用高速差分總線，采用端到端的連接方式，不需要向整個總線請求帶寬，可以大幅提升數(shù)據(jù)傳輸頻率，從而實現(xiàn)PCI無法提供的高帶寬。PCI-e接口可以適配各種功能卡，如聲卡、視頻處理卡、GPU卡、網(wǎng)卡、RAID卡等。2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTION電源服務器電源按照標準可以分為ATX電源和服務器系統(tǒng)架構（ServerSystemInfrastructure，SSI）電源兩種，其功能本質上和PC電源的功能沒有區(qū)別，但由于服務器的能耗更高，對整機的穩(wěn)定性要求也更高，因此多采用冗余電源技術，具有均流、故障切換等功能，可以有效避免電源故障對系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)7×24小時全天候不間斷運行。冗余電源的常見形態(tài)是N+1冗余，可以保證在一個電源發(fā)生故障的情況下，系統(tǒng)不會癱瘓（同時出現(xiàn)兩個及以上電源故障的概率非常小）。冗余電源通常和熱插拔技術配合使用，即熱插拔冗余電源，可以在系統(tǒng)運行時拔下出現(xiàn)故障的電源并更換一個完好的電源，從而提高服務器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTIONBIOS/UEFI基本輸入/輸出系統(tǒng)（BasicInput/OutputSystem，BIOS）全稱是ROM－BIOS，即只讀存儲器基本輸入/輸出系統(tǒng)，它是一組被固化到計算機中，為計算機提供最基本、最直接的硬件控制程序，它是連通硬件設備和軟件程序的樞紐。隨著技術革新，統(tǒng)一可擴展固件接口（UnifiedExtensibleFirmwareInterface，UEFI）被用來替代BIOS。UEFI采用模塊化、動態(tài)鏈接和C語言風格的常數(shù)堆棧傳遞方式構建系統(tǒng)，摒棄了傳統(tǒng)BIOS復雜的16位匯編代碼。UEFI的創(chuàng)新之處在于改變了BIOS的界面設計，其操作界面和Windows一樣易于上手。當前大部分服務器和PC都在使用UEFI。2.2.3 計算機硬件與服務器硬件的組成服務器硬件的組成02OPTIONBMC/IPMIBMC它符合智能平臺管理接口（IPMI）標準（即一種開放標準的硬件管理接口規(guī)格，定義了嵌入式管理子系統(tǒng)進行通信的特定方法），主要用于服務器的遠程管理、監(jiān)控、安裝、重啟等。BMC有時特指一塊集成在主板上的芯片（也有通過PCI-e等方式插在主板上的），對外表現(xiàn)形式只是一個標準的RJ-45網(wǎng)口，擁有獨立的IP地址。維護時，使用瀏覽器訪問管理IP地址，登錄管理界面?？蛻魴C使用IPMI工具來管理服務器2.2.4 計算機軟件與服務器軟件的分類系統(tǒng)軟件01OPTION系統(tǒng)軟件是指支持計算機系統(tǒng)正常運行并實現(xiàn)用戶操作的軟件，是控制和維護計算機系統(tǒng)資源的各種程序的集合。語言處理程序語言處理程序是主要用于程序設計的語言，已經(jīng)經(jīng)歷了從機器語言、匯編語言到高級語言的發(fā)展。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）用于建立、使用和維護數(shù)據(jù)庫。它對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理和控制，以保證數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性。用戶通過DBMS訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫管理員通過DBMS進行數(shù)據(jù)庫的維護工作。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是一套系統(tǒng)軟件，用于管理計算機資源（如CPU、存儲器、外圍設備、軟件等）和自動調度用戶的程序。操作系統(tǒng)一般分為批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。ABC2.2.4 計算機軟件與服務器軟件的分類應用軟件02OPTION在計算機軟件系統(tǒng)中，應用軟件是相對系統(tǒng)軟件而言的，主要由軟件供應商、計算機廠商或者個人為解決某個實際問題、支持某一領域的應用而開發(fā)。一般根據(jù)軟件的應用領域將其劃分為通用軟件和專用軟件兩類。通用軟件可以跨領域使用，如用于文檔處理的Office軟件、用于影音播放的播放器軟件等，而專用軟件則是針對某專業(yè)領域而開發(fā)的，如醫(yī)療行業(yè)的醫(yī)療影像系統(tǒng)軟件、制造行業(yè)的生產信息化管理系統(tǒng)（ManufacturingExecutionSystem，MES）軟件、測繪行業(yè)的地學信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，GIS）軟件等。2.1服務器發(fā)展概述2.2計算機結構2.3計算平臺的性能指標與測試學習要點2.3.1計算平臺的性能指標及測試工具常見的服務器性能指標測試標準2.3.1計算平臺的性能指標及測試工具TPC01OPTIONTPC的基準程序TPC共發(fā)布了11套基準程序，可分為目前正在使用的TPC-App、TPC-H、TPC-C、TPC-W、TPC-E（大型企業(yè)信息服務測試基準程序），過于陳舊而不再使用的TPC-A、TPC-B、TPC-D和TPC-R，以及因不被業(yè)界接受而放棄的TPC-S（專門針對服務器的測試基準程序）和TPC-Client/Server。下面介紹TCP-H、TPC-C和TPC-E。2.3.1計算平臺的性能指標及測試工具TPC01OPTION華為服務器的TPC測試示例結果TPC-E測試是在華為RH5885V2服務器上執(zhí)行的，使用的是WindowsServer2008R2企業(yè)版SP1操作系統(tǒng)。該報告記錄了華為RH5885V2服務器根據(jù)TPC-E標準規(guī)范1.12.0的要求，使用MicrosoftSQLServer2012企業(yè)版實現(xiàn)的TPC-E的結果。其中，性能指標tpsE的值（即吞吐量）為3053.84，性價比（$/tpsE）的值為352.48美元。2.3.1計算平臺的性能指標及測試工具SPEC02OPTION標準性能評估公司（SPEC）是由服務器廠商、系統(tǒng)集成商、大學、研究機構等多方組成的非營利性組織，這個組織的目標是建立和維護一套用于評估計算機系統(tǒng)的標準。SPEC包括以下多種類型的基準程序。（1）CPU類型，較常使用，目前最新版本為SPECCPU2017。（2）GraphicsandWorkstationPerformance類型，較少使用，包含對3dsMax2011、Maya2012、Solidworks2013等圖形工作站性能的評測。（3）HighPerformanceComputing類型，用于測試OpenMP和MPI程序的性能，使用得不多，主要用于評測并行高性能集群系統(tǒng)的性能，目前最新版本為SPEChpc2021。（4）JavaClient/Server類型，與Java應用相關，最新版本為SPECjbb2013。（5）Power類型，主要用于衡量服務器的整體能效，最新版本為SPECpower_ssj2008。（6）Virtualization類型，衡量系統(tǒng)的虛擬化性能，和VMware公司的VMmark相比，在測試場景中使用得較少，最新版本為SPECvirt_sc2013。2.3.1計算平臺的性能指標及測試工具SAP03OPTIONSAP（Systems,ApplicationsandProducts）基準測試組織由SAP公司及其技術合作伙伴代表組成，包括各主要軟硬件供應商，設立目標是提供一個專門為SAPERP應用設計的基準測試工具。SAP基準測試組織發(fā)布了各種類型的基準測試，其中常見的SAPSD（2-Tier/3-Tier）標準應用基準測試為SAPSales&DistributionModule。SAPSD2-Tier基準測試內容：衡量不同硬件廠家加上數(shù)據(jù)庫后執(zhí)行SAP企業(yè)資源管理應用銷售及分銷（SD，即Sales&Distribution）模塊時的性能表現(xiàn)。SAPSD兩層結構基準測試將應用服務器及數(shù)據(jù)庫服務器安裝在同一臺物理服務器上。其測試結果會被標準化成SAPSD應用模塊的SAP應用標準性能（SAPApplicationPerformanceStandard，SAPS）值。SAPS值是一個獨立于硬件的性能指標，100SAPS值在SAPSD應用定義中等同于每小時2000個商業(yè)處理訂單項目。每一個商業(yè)處理訂單項目包含新訂單產生、發(fā)貨單產生、訂單顯示、改變發(fā)貨內容、貨品錄入、列出訂單及產生發(fā)票；從技術角度來說，它等同于每小時2400筆SAP交易或每小時6000次對話加上每小時2000次錄入操作。2.3.1計算平臺的性能指標及測試工具Linpack04OPTIONLinpack是全球應用最廣泛的用于測試HPC系統(tǒng)浮點性能的基準程序。在目標集群中運行Linpack測試程序，測試結果以浮點運算每秒（Floating-pointOperationsPerSecond，F(xiàn)LOPS）給出，其結果通常以下述單位顯示。MFLOPS=100萬次（106）浮點運算每秒GFLOPS=10億次（109）浮點運算每秒TFLOPS=1萬億次（1012）浮點運算每秒PFLOPS=1000萬億次（1015）浮點運算每秒2.3.2服務器性能測試實踐如圖所示，通過PC遠程運行測試工具，對華為TaiShan2280100系列服務器進行CPU性能測試，PC上安裝Windows操作系統(tǒng)，服務器上安裝Linux64位操作系統(tǒng)，以太網(wǎng)交換機為標準2層交換機或3層交換機。2.3.2服務器性能測試實踐序號步驟內容1上傳軟件安裝包到空間大于或等于100GB的目錄（如/data目錄）2掛載操作系統(tǒng)鏡像作為本地源，安裝依賴庫，命令為yuminstalllibgccglibcglibc-devellibstdc++libstdc++-develnumactlautomakegcc*gcc-c++libgfortrangcc-gfortran3升級GCC版本到7.3.04升級glibc版本到2.275創(chuàng)建speccpu2017文件夾mkdir/home/speccpu20176上傳speccpu2017軟件安裝包到home路徑，執(zhí)行./install.sh命令安裝軟件安裝包，按以下提示進行輸入。/home/speccpu2017linux-hyq4:#/home/speccpu2017#./install.shSPECCPU2017InstallationTopoftheCPU2017treeis'/home'Enterthedirectoryyouwishtoinstallto(e.g./usr/cpu2017)/home/spec2017InstallingFROM/speccpu2017InstallingTO/home/spec2017Isthiscorrect?(Pleaseenter'yes'or'no')yesThefollowingtoolsetisexpectedtoworkonyourplatform（注意：安裝完成后將isl下的libisl.so.15文件復制到gcc7.3.0/lib64路徑下，否則測試時會由于找不到文件而報錯。相關命令為cp/usr/local/isl-0.18/lib/libisl.so.15/usr/local/gcc-7.3.0/lib64）7在/spec2017/路徑下執(zhí)行以下腳本即可開始相關測試。source/spec2017/shrculimit-sunlimitedruncpu-ccpu2017-int.cfgintrate

#RateInt測試sleep10runcpu-ccpu2017-fp.cfgfprate#RateFp測試sleep10runcpu-ccpu2017-int.cfgintspeed#SpeedInt測試sleep10####進行SpeedFp測試之前需要設置以下3個變量，以優(yōu)化性能#####exportOMP_STACKSIZE=1GexportOMP_WAIT_POLICY=activeexportOMP_PROC_BIND=trueruncpu-ccpu2017-fp.cfgfpspeed#SpeedFp測試sleep10rm-fr/spec2017/benchspec/CPU/*/run/*#