操作系统第1章使用

课程内容
第七章 互联网络 1. 互联网络的基本概念 2. 互联网络的功能和特征 3．互联函数 4. 静态/动态互联网络
课程内容
第八章 多处理机 1. 并行计算机系统结构的分类 2. 通信模型和存储器的结构模型 3. 对称式共享存储器系统结构（多处理机 Cache一致性，实现一致性的基本方案，监听 协议及其实现） 4. 分布式共享存储器系统结构 5. 同时多线程 6. 同步（基本硬件原语，用一致性实现锁， 同步性能问题，大规模机器的同步） 7. 多处理机实例
课程内容
第三章 流水线技术 1.重叠执行和先行控制 2.流水线的基本概念及分类 3.流水线性能分析（时空图，吞吐率，加速 比， 效率，消除流水线瓶颈段的方法） 4. 流水线中的相关及解决方法（结构相关，数据 相关，控制相关，定向技术，指令调度，分支预 测，延迟分支等） 5. MIPS 流水线实现 6. 向量处理机（向量处理方式，向量处理机的概 念，提高向量处理机性能的主要技术，向量处理 机的性能评价）
课程内容
第九章 机群计算机 1. 机群的基本基结构和软件模型 2. 机群的特点和分类 3. 典型机群系统介绍
课程的重点：
本课程重点讲述现代大多数计算机都采用的比较成熟 的结构、方法和技术等，重点介绍和分析经典的结构 和设计思想，并强调以并行性开发为主线，把量化的 研究方法贯穿于整个教学过程中。这种方法使我们能 更具体、实际地分析和设计计算机体系结构。课程中 用了许多例题说明如何进行量化分析。 重点内容包括：计算机系统结构的基本概念，定量分 析技术基础，MIPS指令集结构，流水线技术，指令级 并行，Cache，多处理机系统结构、Cache一致性、互 连网络等。
1.1 引论
1986年之后的16年，计算机系统性能的提高更 以50%的速度持续增长。进入新世纪以来，基于微 处理器的计算机占据了统治地位，工作站和PC成为 计算机产品的主流。基于微处理器的服务器取代了基 于逻辑电路或门阵列的小型机，由多个微处理器构成 的多处理器系统已经取代了大型机。甚至以复杂计算 为主的高端的超级计算机也由多个高性能微处理器构 成。
前言
计算机的发展历史说明，计算机性 能的不断提高必须依靠器件的变革 和系统结构的改进。今天，在器件 潜力几乎达到极限的情况下，计算 机系统结构的改进尤为重要。
前言
系统结构的重大转折： 从单纯依靠指令级并行转向开发线程 级并行和数据级并行。 计算机系统结构在计算机的发展中有 着极其重要的作用。
前言 发展的动因
难点
主要难点： · 定量分析技术基础 · 流水线性能分析 · 流水线的操作 · 流水线中的相关及解决方法 · 指令的动态调度（记分牌技术，Tomasulo算法） · 控制相关的动态解决技术 · 提高Cache性能的方法 · I/O系统性能分析 · 多处理机Cache一致性 · 互连网络 · 同步
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第六章 输入输出系统 1. I/O系统与外部存储设备 2. I/O系统的可靠性、可用性和可信性 3. 廉价磁盘冗余阵列RAID（RAID0～RAID7） 4. 总线的设计（总线的标准及其与cp连接） 5. 通道处理机（通道的作用和功能、工作过 程、种类和流量分析） 6. I/O与操作系统（DMA和虚拟存储器，I/O和 Cache数据一致性，异步I/O）
在大规模集成电路出现之前，器件和对 冯.诺依曼系统结构的改进使计算机性能 大约以每年25%的速度提高。
20世纪70年代，VLSI技术和微处理器的 出现加速计算机的发展，其性能约以35% 的速度提高，并逐步转向以微处理器为 基础来组成计算机系统。
1.1 引论
在软件上，人们已极少使用汇编语言编程计算 机，从而降低了目标代码兼容性的要求；
50%以上
维持了约16 年
2002年以来
3个（见下页）
约20%
引论
功耗问题（已经很大）。 可以进一步有效开发的指令级并行性已经很少。 存储器访问速度的提高缓慢。
1.1 引论
传统单核处理器遭遇发展瓶颈
对于传统的单核处理器来说，性能的提高主要 依赖于主频的提高。在性能提升方面，处理器主频， 内存访问速度以及I/O访问速度的发展是十分不平衡 的。处理器的主频每两年就要翻一番，而内存访问 的速度要每六年才能提高一倍，而I/O访问的速度要 提高一倍的话需要八年的时间。
究计划，加入到IBM和Sun阵营，宣布通过发展多核
处理器提高计算机性能。这标志着一个历史性的转
折，处理器的性能不再只依赖于指令级并行，更关
注线程级并行和数据级并行。一般来说，指令级并
行属于隐式并行，它主要利用编译器和硬件技术，
可以不需要程序员的干预。而线程级并行和数据级
并行是显式并行，要求程序员编写并行代码来改善
半导体器件技术的进步（最活跃的动力） 工艺尺寸缩小，集成度提高
应用推动（根本推动力） 科学计算，网络应用，人工智能，机器学习等
体系结构中一些重要技术进步 RISC，VLIW，流水技术，多发射，超标量，多线
程技术，乱序执行，分支预测，预取技术等
前言 学习目的
建立计算机系统的完整概念 掌握计算机系统结构 设计方法和分析方
第五章 存储器层次结构 1. 存储器的层次结构（存储层次的性能参数， “Cache —主存”层次，“主存—辅存”层次） 2. Cache基本知识（映象规则，查找方法，替换算 法，写策略，Cache的结构） 3. Cache性能分析 (量化分析) 4. 降低Cache失效率的方法（增加Cache块大小， 提高相联度，Victim Cache，伪相联 Cache，硬件 预取技术，由编译器控制的预取，编译器优化）
摩尔定律
1965年4月19日，《电子学》杂志（Electronics
Magazine）第114页 预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数
量将每年增加一倍。
1975年，摩尔在IEEE国际电子组件大会上提交了一篇论文，根 据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正，把“每年增加一倍 ”改为“每两年增加一倍”，而现在普遍流行的说法是“每18 个月增加一倍”。
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第五章 存储器层次结构（续）
5. 减少Cache失效开销的方法（让读失效优先 于写，子块放置技术，请求字处理技术，非阻 塞Cache技术，采用两级Cache） 6. 减少命中时间（小而简单的Cache，虚拟 Cache，写操作流水化） 7. 提高主存带宽的组织结构 8. 虚拟存储器（基本原理，TLB） 9. 进程保护和虚存实例 10. Alpha AXP 21064存储层次
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第四章 指令级并行 1. 指令级并行的概念（循环展开，相关） 2. 指令的动态调度（动态调度的原理， 记分牌技术，Tomasulo算法） 3. 控制相关的动态解决技术（分支预测 缓冲，分支目标缓冲，基于硬件的前瞻 执行） 4. 多指令流出技术（静态超标量，动态 多指令流出，超长指令字）
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1.1 引论
所以处理器与I/O的发展不均衡已经产生了很大 的瓶颈，单纯依靠提高处理器主频来提升整个系统的 性能已经不可行，反而会造成投资的浪费，因为大部 分时间CPU都在等待内存或者I/O访问的返回才能继续 下一步的工作。高频处理器的设计对工艺要求非常高， 生产难度大，成品率也较低，因此造成生产的成本居 高不下。所以市场上最新推出的高频单核处理器往往 性能价格比是较低的。
通用、跨平台操作系统如Unix和Linux的出现和 发展，这促使了20世纪80年代RISC（精简指令系统 计算机）的出现和迅速发展，又使指令级并行（从 采用流水线到多指令发射）和Cache（高速缓存）技 术的使用普遍得以推广。
Intel及时跟上发展的脚步，在其处理器内部将 x86（或IA32）指令翻译成类RISC指令，并大量采用 许多RISC新技术。而红极一时的VAX系统结构则惨遭 淘汰，被RISC系统结构所取代。
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第二章 计算机指令集结构设计 1. 指令集结构的分类 2. 寻址技术 3. 指令集结构的功能设计（CISC/RISC指令集 结构的功能设计、控制指令） 4. 操作数的类型、表示和大小 5. 指令集格式的设计（寻址方式的表示方法， 指令集格式的选择） 6. MIPS指令集结构(MIPS的寄存器、数据表示、 寻址方式、指令格式、操作、控制指令、浮点 操作)
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第一章 计算机体系结构的基本概念
1.1 引言 1.2 计算机系统结构的概念 1.3 定量分析技术 1.4 计算机系统结构的发展 1.5 计算机系统结构中并行性的发展
1.1 引论
目前使用的数字电子计算机(通常称之为 计算机)诞生于1946年， 60多年的时间， 计算机技术一直处于发展和变革之中， 计算机的发展始终受制造技术和计算机 体系结构技术的双重影响，计算机性能 增长不断提升。
1.1 引论
然而，自2002年开始，处理器性能的增长 降到了每年约20%的水平。其原因大致有3个：
①器件集成度的提高带来器件内部热耗的 迅速增大；
②半导体器件集成度提高的余地不多； ③系统结构上没有多少可以有效发掘的指 令级并行，存储器迟延很难设法降低。
1.1 引论
2004年，Intel取消了高性能单一处理器的研
1998年时，台积电董事长张忠谋曾表示，摩尔定律在过去30年 相当有效，未来10到15年应依然适用。
但最新的一项研究发现，“摩尔定律”的时代将会退出，因为 研究和实验室的成本需求十分高昂，而有财力投资在创建和维 护芯片工厂的企业很少。而且制程也越来越接近半导体的物理 极限，将会难以再缩小下去。
计算机的高速发展不仅在于器件技术的 进步，更离不开计算机系统结构的创新。
前言
Computer Architecture 计算机系统结构是从外部来研究计算机 系统的一 门学科，它是计算机专业的主 干必修课。 计算机性能的提高58%依赖CA的改进。 一般说来，凡是计算机系统的使用者(包 括一般用户和系统程序员)所能看到的计 算机系统的属性都是计算机系统结构所 要研究的对象。