高级计算机系统结构
(2010级)
主讲:朱更明
hnustcs@https://www.doczj.com/doc/099088877.html,
湖南科技大学
计算机科学与工程学院
主要参考书（一）《Computer Architecture ——A Quantitative
Approach（英文版第4版）》
David A. Patterson John L. Hennessy
机械工业出版社
主要参考书（二）
《计算机系统结构——量化研究方法（第四版）》D avid A. Patterson, John L. Hennessy著
白跃彬等译电子工业出版社
主要参考书（三）《计算机系统结构（第二版）》郑纬民等
清华大学出版社
上课时间
周三：5～8节
院会议室
计算机体系结构定义(1)经典的“计算机体系结构”定义是1964年C. M. Amdahl在介绍IBM 360系统时提出：计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。
指令集设计：
?早期：指令集设计具有至关重要的作用
?今天：指令集趋向于相同（差别很小）
?存在问题：与计算机的功能设计，逻辑设计以及实现技术分割开来是不科学的。
?今天：指令集几乎相同的不同机器，其性能差异很大。
计算机体系结构定义(2)
正确的定义：
计算机体系结构应包括指令集设计，计算机组成设计与硬件（硬件与逻辑设计）。
例：
?指令集相同，组成不同的机器：
VAX11/780--SPARC2; VAX8600--SPARC20;
?指令集相同，组成也相同：
VAX11/780--VAX11/785, 后者IC工艺比780先进。不同型号的Indy(时钟和Cache不同）
学习体系结构的目的是什么？
学习和把握将决定二十一世纪计算机具体形态的设计技术、及其结构、工艺要素、评价方法等；
每位计算机科学家和工程人员都应了解计算机的内部机理；
?一些人将设计、制造计算机；
?每个人都将使用计算机；
了解得越多，使用得越有效。
以用户为中心的计算机系统
将使你能够更好地启迪用户
考虑整个计算机系统：处理器、存储器、I/O、存储系统、网络
收益收获
如何使得程序运行得更快
应用程序需要哪种类型的硬件支持
技术、结构将如何变化
有没有必要学习计算机设计技术？
放弃微处理器的设计与OS的研究和开发曾是
我们的国策
现在已开始反省这一国策，开发自己的处理器和OS
在今天后PC时代更有必要。因为在后PC时代，计算机的主要作用不再是独立使用的机器，而是一个应用系统或设备的组件
学习方法
定量原理；
分析、测试现有机器；
找出问题，分析改进措施的定量效果。
相关连接
?David A. Patterson
https://www.doczj.com/doc/099088877.html,/~pattrsn/
?WWW Computer Architecture Home Page https://www.doczj.com/doc/099088877.html,/~arch/www/
?Department of Electrical Engineering and Computer Sciences
https://www.doczj.com/doc/099088877.html,/
计算机市场
桌面电脑；
服务器；
嵌入式计算机；
是指安装在其他设备中的计算机。
?实时；
?最小化存储器；
?最小化功耗；
计算机的实现
计算机的实现包括两个内容；
组织
组织涵盖了计算机设计的高层次方面，如存储器系统、总线结构以及内部的CPU的设计；
硬件
硬件指计算机实现的具体细节，这可能包
括具体的逻辑设计和封装设计。
计算机技术发展综述(1)
1946年: 在二次世界大战期间研制成功的世界上第一台电子计算机ENIAC (Electronic Numerical Intergrator and Calculator)正式对外宣布。
用途：军用；
体积：100英尺长×8.5英尺高×n英尺宽；组成：18000真空管；
指令数：不足10条，加法，数据传输与转移。
计算机技术发展综述(2)
50余年来计算机技术有了惊人的发展?性能：（加法）速度提高了5个数量级?价格：今天$1000的机器相当于60年代中$106的机器，这里同性能计算机的价格比，改善了３个数量级。
计算机技术发展综述(3)
计算机技术快速进步的原因一：
技术进步－－集成电路技术的进步，还有存储器（包括内外存）和各类外设的进步。特点：稳定发展，即按Moore定律发展，即微处理器性能按芯片上晶体管数定义）
每18个月翻一番，即每年提高58%。
计算机技术发展综述(4)
计算机技术快速进步的原因二
计算机设计创新，即计算机体系结构的不断创新。
?经历了由简单→复杂→极其复杂→简单→复杂→极其复杂的经历
?有时快，有时慢(1977年的VAX/780为１MIPS机器，1985年VAS/785仅为1.5 MIPS，几乎停止不前。
?有很多技术，经不起时间考验，已退出历史舞台。
计算机技术发展综述(5)
今天计算机体系结构的研究内容
?进一步提高单个微处理器的性能。（光速极限问题）
?基于微处理器的多处理器体系结构。?全面提高计算机的系统性能：可用性，可维护性，可缩放性。
?新型器件的处理器：如光计算机；新原理的计算机（生物，分子，又提出了DNA 计算机)。
DNA计算机
?2001年，以色列魏茨曼研究所的科学家研制成功世界上第一台DNA计算机（器），运算速度约为每秒十亿次。
?2002年2月，日本Olympus和东京大学联合开发出全球第一台能够进行基因诊断的DNA计算机（器）。
?上海交通大学生命科学研究中心和中科院上海生命科学院营养科学研究所，于试管中完成了DNA计算机的雏形研制。
实现技术发展趋势(Technology Trends) 集成电路逻辑技术
半导体DRAM
磁盘存储技术
网络技术
网络的性能取决于交换和传输速度。