计算机系统结构ppt

计算机学科的组织构成
理科 工科 农 医 管理…
★计算机科学与技术专业
★★计算机系统结构
★★计算机软件与理论
★★计算机应用 ★软件工程专业
说明: ★ 一级学科 ★★ 二级学科
计算机技术的发展
自1946年以来，计算机近70年有了惊人的发展
性能：（加法）速度提高了5个数量级 计算机性能以大约每年35%的速度提高 价格：今天$1000的机器相当于60年代中$106的机器，
4.0
6.0
8.0
10.0
12.5
– Way off! Chips staying small
CPU与Memroy的性能呈现剪刀差
Defining Computer Architecture
Defining Computer Architecture
“Old” view of computer architecture:
假设微处理器速度或芯片内存储器容量 不变，则微处理器芯片价格每18-24个月 将降低约48%
摩尔定律即将终结
Intel公司负责内部芯片设计的首席技术官 盖尔欣格认为：以地球文明所拥有的材 料环境，如果芯片的耗能和散热问题不 解决，则：
2005年芯片上集成2亿个晶体管，热的像核 反应堆
到摩尔定律截至年，2010年，就会达到火箭 发射时高温气体喷嘴的水平
Logic DRAM Disk
Capacity 2x in 3 years 4x in 3 years 4x in 3 years
Speed (latency)‫‏‬ 2x in 3 years 2x in 10 years 2x in 10 years
Scaling to 0.1µm
芯片制造工艺在1992年以后， 从0.5微米、0.35微米、0.25微米、 0.18微米、0.15微米、0.13微米、 90纳米一直发展到目前最新的65,45,40, 22纳米，而10纳米的制造工艺将是下一 代CPU的发展目标。
Based on SPEED, the CPU has increased dramatically, but memory and disk have increased only a little. This has led to dramatic changed in architecture, Operating Systems, and Programming practices.
Cars
MEMS for Sensor Nets
Routers
Robots
指数增长的世界
网络 vs. 计算机性能 处理器速度每18个月翻一番 存储密度 每12个月翻一番 网络速度 每9个月翻一番
1986 to 2000 计算机: x 500 网络: x 340,000
2001 to 2010 计算机: x 60 网络: x 4000
Instruction Set Architecture (ISA) design i.e. decisions regarding:
registers, memory addressing, addressing modes, instruction operands, available operations, control flow instructions, instruction encoding
Commercial Computers
1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation UNIVAC I (Universal Automatic Computer)‫‏‬ Became part of Sperry-Rand Corporation Late 1950s - UNIVAC II
这里同性能计算机的价格比，改善了３个数量级。 Today, less than $500 will purchase a mobile computer
that has more performance, more main memory, and more disk storage than a computer bought in 1985 for $1 million. (John L. Hennessy and David A. Patterson)
Milestones in Computer Architecture (1)
Some milestones in the development of the modern digital computer.
Tanenbaum, Structured Computer Organization, Fifth Edition, (c) 2006 Pearson Education, Inc. All rights reserved. 0-13-148521-0
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
Year
year 1980 1983 1986 1989 1992 1996 2000
size(Mb) cyc time
0.0625 250 ns
0.25 220 ns
1
190 ns
4
165 ns
16
145 ns
64
120 ns
256
100 ns
Gigabit Ethernet Clusters
Internet Connectivity
Sensor Nets
Refrigerators
Scalable, Reliable, Secure Services Databases Information Collection Remote Storage Online Games Commerce …
“Real” computer architecture:
Specific requirements of the target machine Design to maximize performance within constraints:
cost, power, and availability Includes ISA, microarchitecture, hardware
0.35 0.25
0.18
0.12
0.10
– Industry is slightly ahead of projection
DRAM capacity: 16M
64M 256M
1G
4G
16G
– Doubles every 1.5 years
– Prediction on track
Chip area (cwk.baidu.com2): 2.5
Faster More memory
IBM 360 series
1964 Replaced (& not compatible with) 7000 series First planned “family” of computers
Similar or identical instruction sets Similar or identical O/S Increasing speed Increasing number of I/O ports (i.e. more terminals)‫‏‬ Increased memory size Increased cost
Move to multi-processor RISC
在30年间计算机系统的速度提高 了6个数量级
对计算能力的需求持续增长
摩尔定律（1979年）
假设芯片价格保持不变，则微处理器芯 片上的晶体管数，每隔18-24个月便翻一 番
假设微处理器价格保持不变，则微处理 器速度每隔18-24个月便翻一番
Milestones in Computer Architecture (2) Some milestones in the development of the modern digital computer.
Tanenbaum, Structured Computer Organization, Fifth Edition, (c) 2006 Pearson Education, Inc. All rights reserved. 0-13-148521-0
计算机系统结构
课程介绍
龚斌
山东大学计算机科学与技术学院
2012-2013学年第二学期
课程目标
本课程是计算机科学与技术专业的一门 的基础课程。通过本课程的学习，使学 生理解计算机系统的基本工作原理，以 及在硬件、软件界面划分的权衡策略 (tradeoff)，建立完整的、系统的计算机 软硬件整体概念。
Too late for war effort
Used until 1955 据说，每当它开机时，费城西区的电灯黯然失色（功
率过大）
ENIAC---最早的计算机（1946年）
ENIAC----技术细节
Decimal (not binary)‫‏‬ 20 accumulators of 10 digits Programmed manually by switches 18,000 vacuum tubes 30 tons 15,000 square feet 140 kW power consumption 5,000 additions per second
Semiconductor Industry Association, 1992 Technology Workshop
Projected future technology based on past trends
1992
1995
1998 2001
2004
2007
Feature size: 0.5
ENIAC - background
Electronic Numerical Integrator And Computer Eckert and Mauchly University of Pennsylvania Trajectory tables for weapons Started 1943 Finished 1946
课程主要内容
计算机系统结构概论 数据表示、寻址方式与指令系统 存储、中断、总线与I/O系统 存储体系 流水和指令级高速并行的超级机 阵列处理机 多处理机 数据流机和规约机*
课程的重点
从整体上掌握计算机系统的工作原理，以讲授计算机系统 结构的基本概念和基本原理为主，而不是完整介绍各种系 统结构，即不是以具体的机器为实例进行教学
处理器速度持续提高（广度）
从1971年第一颗微处理器Intel 4004问世以来，40年间处理器芯片集成的 晶体管数目从2300个发展到今天的数十亿个，处理器频率从不到1MHz 发展到今天最高接近5GHz，与英特尔4004相比，如今下一代英特尔酷 睿处理器的性能是其35万倍，每个晶体管的能耗却降低了5千倍。同期， 晶体管的价格下降了约5万倍。
2015年，就会与太阳的表面一样热
Memory Capacity (and Cost) have changed dramatically in the last 20 years.
B its
size
1000000000
100000000
10000000
1000000
100000
10000
1000
让同学们明白计算机技术发展的趋势及影响，激发学习热 情、钻研和创新精神
了解新技术、新概念，扩大知识面
如：RISC、RAID、SMP、Cluster等 如：网格计算（Grid Computing），P2P，云计算（Cloud
Computing），GPU计算 如：多核（Multicore），众核（Manycore）,融核（Intel Xeon Phi） 如：Hadoop&MapReduce，大数据（Big Data）
从发展过程中体会本课程的含义。
Computing Systems Today
The world is a large parallel system
Microprocessors in everything Vast infrastructure behind them
Massive Cluster