計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)0

1、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹課程介紹課程目標(biāo)課程目標(biāo) 本課程是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門的基礎(chǔ)課程。本課程是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門的基礎(chǔ)課程。該課程是該課程是數(shù)字邏輯數(shù)字邏輯、計算機組成原理計算機組成原理、操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)、編譯原理編譯原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、匯編語言程序設(shè)計匯編語言程序設(shè)計等課程的后續(xù)課程。該課程等課程的后續(xù)課程。該課程將先修課程中所學(xué)的將先修課程中所學(xué)的軟、硬件知識有機的結(jié)合軟、硬件知識有機的結(jié)合起來，起來，以計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中以計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中硬中有軟、軟中有硬、相互轉(zhuǎn)硬中有軟、軟中有硬、相互轉(zhuǎn)換、彼此滲透換、彼此滲透的觀念，從原理、結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)技術(shù)等的觀念，從原

2、理、結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)技術(shù)等方面系統(tǒng)地對現(xiàn)代計算機的并行處理及相關(guān)技術(shù)進方面系統(tǒng)地對現(xiàn)代計算機的并行處理及相關(guān)技術(shù)進行深入分析和探討。行深入分析和探討。課程目標(biāo)課程目標(biāo) 本課程主要包括本課程主要包括計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念、組成及計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念、組成及相關(guān)設(shè)計原理；計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各組成部分的相關(guān)相關(guān)設(shè)計原理；計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各組成部分的相關(guān)技術(shù)、分析及設(shè)計方法；計算機系統(tǒng)設(shè)計的基本方技術(shù)、分析及設(shè)計方法；計算機系統(tǒng)設(shè)計的基本方法。法。通過本課程的學(xué)習(xí)，使同學(xué)們理解計算機系統(tǒng)通過本課程的學(xué)習(xí)，使同學(xué)們理解計算機系統(tǒng)的基本工作原理，以及在硬件、軟件界面劃分的權(quán)的基本工作原理，以及在硬件、軟件界面劃分的

3、權(quán)衡策略，衡策略，建立完整的、系統(tǒng)的計算機軟硬件整體概建立完整的、系統(tǒng)的計算機軟硬件整體概念念。課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論數(shù)據(jù)表示、尋址方式與指令系統(tǒng)數(shù)據(jù)表示、尋址方式與指令系統(tǒng)存儲、中斷、總線與存儲、中斷、總線與I/OI/O系統(tǒng)系統(tǒng)* * 存儲體系存儲體系* * 流水和指令級高速并行的超級機流水和指令級高速并行的超級機陣列處理機陣列處理機多處理機多處理機數(shù)據(jù)流機和規(guī)約機數(shù)據(jù)流機和規(guī)約機* * 多核技術(shù)多核技術(shù)課程的重點課程的重點從整體上掌握計算機系統(tǒng)的工作原理，以講授計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念和基本原理為主，而不是完整介紹各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即不是以具體的機器為實例

4、進行教學(xué)讓同學(xué)們明白計算機技術(shù)發(fā)展的趨勢及影響，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、鉆研和創(chuàng)新精神了解各種技術(shù)、概念，擴大知識面如：RISC、RAID、SMP、Cluster等如：網(wǎng)格計算（Grid Computing）如：多核技術(shù)（Multicore）如：Itanium 2與Opteron等為什么討論系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？為什么討論系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？計算機更新?lián)Q代的標(biāo)志一般把主要電子器件的使用作為更新?lián)Q代的主要標(biāo)志 電子管、晶體管（變址寄存器）、 集成電路、中小規(guī)模集成電路（開始出現(xiàn)并行計算機）、超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新技術(shù)的不斷出現(xiàn)與應(yīng)用如：Pentium（P5) 采用兩條指令流水線如： Pentium Pro 基于動態(tài)執(zhí)行技術(shù)

5、如：多核技術(shù)（Multicore） 2006年雙核元年，多核時代2013下半年 top102014上半年 top102014下半年 top102015上半年 top1020162016上半年上半年 top10top10MPPMPP計算機計算機CLUSTERCLUSTER計算機計算機坐落于國家超級計算無錫中心。機身安放在一間約坐落于國家超級計算無錫中心。機身安放在一間約10001000平方米平方米的房間內(nèi)。由的房間內(nèi)。由4040個運算機柜個運算機柜和和8 8個網(wǎng)絡(luò)機個網(wǎng)絡(luò)機柜柜組成，每個運算機柜比家用的雙門冰箱略大。打組成，每個運算機柜比家用的雙門冰箱略大。打開柜門，開柜門，4 4塊由塊由323

6、2塊運算插件塊運算插件組成的超節(jié)點分布其中；組成的超節(jié)點分布其中；每個插件由每個插件由4 4個運算節(jié)點板個運算節(jié)點板組成，一個運算節(jié)點板又組成，一個運算節(jié)點板又含含2 2塊塊“申威申威26010”26010”高性能處理器。據(jù)統(tǒng)計，一臺高性能處理器。據(jù)統(tǒng)計，一臺機柜裝有機柜裝有10241024塊處理器，整臺塊處理器，整臺“神威神威太湖之光太湖之光”共有共有4096040960塊處理器塊處理器。神威神威太湖之光組成太湖之光組成神威神威太湖之光應(yīng)用太湖之光應(yīng)用1 1分鐘分鐘完成地球人完成地球人3232年年計算計算天氣預(yù)測、身體檢測、石油勘探、生物信息、天氣預(yù)測、身體檢測、石油勘探、生物信息、新藥創(chuàng)新

7、、材料化工、環(huán)境科學(xué)、船舶工程、新藥創(chuàng)新、材料化工、環(huán)境科學(xué)、船舶工程、航空航天設(shè)計、傳統(tǒng)制造業(yè)改造等等航空航天設(shè)計、傳統(tǒng)制造業(yè)改造等等超級計算機發(fā)展路線圖超級計算機發(fā)展路線圖時間2020年2030年2050年器件CMOS納米量子器件量子、生物分子計算速度Exaflops(1018)Zettaflops(1021)Yottaflops(1024)并行度109-101011 -10121013 -1015內(nèi)存容量25PBEB(1018B)ZB(1021B)功耗40MWMWMW用途核聚變模擬蛋白質(zhì)折疊等地球模擬生命科學(xué)等MEMS優(yōu)化腦科學(xué)模擬等2010202020302050必須突破并行編程模型必

8、須突破并行編程模型幾十年來由于微處理器一直按照Moore定律預(yù)測的性能增長速度爭發(fā)展，使得并行處理得不到強烈的需求牽引，導(dǎo)致以并行計算機為主業(yè)的公司幾乎全部夭折。單處理器性能的提高遇到阻礙以后，計算機要提高性能基本上只剩下一條路可走依靠并行處理。過去幾十年的編程模式主要的串行，現(xiàn)在必須轉(zhuǎn)到并行編程，這一迫不得已的轉(zhuǎn)變，對軟件界既是挑戰(zhàn)也是機遇。必須突破并行編程模型必須突破并行編程模型現(xiàn)在微處理器少則幾個十幾個核，多則數(shù)千個核，連每個用戶手中的終端都是多核處理器，如何讓一個任務(wù)分解到多個核中運行成為今后編程的大問題。在現(xiàn)有串行編程模型上做并行化沒有出路，一定回到原始問題，重新新考慮并行算法和并行

9、編程，這可能是今后幾十年計算機科學(xué)和軟件界必須突破的科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)。說明說明計算機技術(shù)七十年的發(fā)展，尤其是近十年的發(fā)展十分迅猛，新概念、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，對社會和生活的有巨大影響計算機應(yīng)用的廣度和深度日益擴大，概念有所變化：軟、硬件技術(shù)發(fā)展不均衡。計算機的應(yīng)用不是簡單的編寫程序，而是解決方案(solution)，集成(Integrated)，標(biāo)準(zhǔn)(Standard)技術(shù)的研發(fā)要從商業(yè)運營模式出發(fā)考慮，才能體現(xiàn)其價值課程學(xué)習(xí)的特點課程學(xué)習(xí)的特點本科專業(yè)的重要課程可能是在其他學(xué)院不開的很少的幾門計算機科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)課程之一宏觀上看計算機系統(tǒng)，不是單純的硬件課程，不是單純的硬件課程，而是硬件和軟

10、件的結(jié)合點而是硬件和軟件的結(jié)合點綜合知識，牽扯到多門課程。計算機組成、編譯原理、操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、高級語言程序設(shè)計，微機原理與接口、嵌入式系統(tǒng)等課程學(xué)習(xí)的特點（續(xù)）課程學(xué)習(xí)的特點（續(xù)）重點講解基本原理和相關(guān)的新技術(shù)、新概念。重視聽課、課下復(fù)習(xí)有2-3次課堂測驗教材及參考書教材及參考書教材： 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第五版 李學(xué)干編著 西安電子科技大學(xué)出版社參考書： 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第二版 鄭緯民 湯志忠 清華大學(xué)出版社 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 陸鑫達主編 高等教育出版社 計算機體系結(jié)構(gòu) 石教英主編 浙江大學(xué)出版社 計算機體系結(jié)構(gòu) 張晨曦著 高等教育出版社 Computer Architecture:A Quantitative Approach John L.Hennessy, David A.Patterson ADVANCED COMPUTER ARCHITECTURE Kai Hwang 共勉之言態(tài)度決定一切考試只是手段，掌握知識才是關(guān)鍵。本課的重點在于宏觀理解計算機系統(tǒng)，擴大知