计算机信息系统结构研究
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(2)Kai Hwang，Advanced Computer Acrchitecture Parallelism Scalability Programmability 中文：高等计算机系统结构：并行性 可扩展 性 可编程性，清华大学出版社、广西科学技 术出版社
2020/9/26
计算机系统结构 课程介绍
术进步的5倍。 3. 近几年及将来，计算机性能按摩尔定理发展。 4. 计算机系统的设计者们要不断创新。
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念Fra Baidu bibliotek
12
1.1.2 如何认识计算机系统
1. 虚拟计算机
定义：从不同角度所看到的计算机系统的属性 是不同的。
主要观察角度包括： 应用程序员 系统程序员 硬件设计人员
提高Fz：缩短门电路延迟，依靠技术进步 流水线技术等，依靠先进系统结构
从指令串行执行，到P4的20级流水线
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
10
350 SPECint 速度指标
• DEC Alpha
300
依 靠 技 术 进步 性 能 每 年 每年 1.58 倍
250 提高 35%
先进系统结构对性能的
计算机信息系统结构研究
9/26/2020
计算机系统结构 第一章 基本概念
1
课程介绍
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
2
1. 课程名称
Computer Architecture 计算机系统结构 计算机体系结构 建筑物的设计或式样, 通常指一个系统的外貌
2. 研究内容
从外部来研究计算机系统 使用者所看到的物理计算机的抽象 编写出能够在机器上正确运行的程序所必须 了解到的计算机属性
第0级和第1级属于计算机组成原理 第2级属于计算机系统结构 第3至第5级属于系统软件 第6级属于应用软件 • 它们之间有交叉 例如：第3级必须依赖第4级和第5级来实现
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
15
计算机系统的层次结构
第 6 级：应用程序
应用软件
第 5 级：高级语言 第 4 级：汇编语言
对计算机系统的认识通常只需要在某一个层次 上
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
13
虚拟计算机系统
广义语言
虚拟计算机
解释或编译
作用对象
观察者
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
14
2. 计算机系统的层次结构
• 计算机系统可分为7个层次 • 第3级至第6级由软件实现,称为虚拟机 • 从学科领域来划分：
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
9
1.1.1 为什么要研究系统结构
1. 提高处理机运算速度：MIPS＝Fz IPC 其中: Fz为处理机的工作主频 IPC(Instruction Per Cycle)为 每个时钟周期平均执行的指令条数
提高IPC：依靠先进系统结构 过去，几个或几十个周期完成一条指令 现在，一个周期完成几条指令
2020/9/26
计算机科学与技术系
3
3. 学习目的
建立计算机系统的完整概念 学习计算机系统的分析方法和设计方法 了解计算机系统的最新研究成果
4. 学科方向
一级学科 1 个：计算机科学与技术 二级学科 3 个：计算机系统结构、计算机软
件及理论、计算机应用技术
全国重点学科：计算机系统结构、计算机应 用技术
系统软件
第 3 级：操作系统
第 2 级：机器语言 软硬件分界
第 1 级：微程序 第 0 级：硬联逻辑
硬件
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
系统结构的发展时期已经到来
2020/9/26
计算机系统结构 课程介绍
5
6. 课程安排
课内：60学时， 课内外比例：课内1：课外>1
除完成作业之外，还要多看参考书 多看好论文(被 SCI、EI 收录)，了解国内外 最新研究成果
7. 教材和参考书
教材：清华大学计算机系列教材：计算机系统 结构(第二版) ，清华大学出版社
7
第1章 基本概念
1.1 计算机系统结构简介 1.2 计算机系统的评价标准 1.3 计算机系统的设计技术 1.4 计算机系统结构的发展 1.5 计算机系统的分类
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
8
1.1 计算机系统结构简介
1.1.1 为什么要研究系统结构 1.1.2 如何认识计算机系统 1.1.3 计算机系统结构的定义 1.1.4 计算机组成技术 1.1.5 计算机实现技术
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
11
2. 计算机性能提高的几个阶段 20世纪70年代末之前，大型机和小型机计算机性能每年
提高25%~30%。 20世纪80年代初，出现微处理机，依靠集成电路技术，
性能每年提高35% 20世纪80年中期，出现RISC技术、高级语言和操作系
统等，性能每年提高50% 1995年，先进系统结构对微处理器性能的贡献是单纯技
2020/9/26
计算机系统结构 课程介绍
4
5. 与其他学科的交叉
学科交叉：计算机组成、操作系统、汇编语言、 数据结构、微计算机技术、计算机网 络、……
新内容：超标量处理机、超流水线处理机、 VLIW处理机、向量处理机、并行处理机、 多处理机、互连网络、……
计算机系统结构正处于变革时期
软件-系统结构-实现技术, 两头发展快中间慢 非冯计算机正兴起
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计算机系统结构 课程介绍
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参考书：
(1)David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Architecture: A Quantitative Approach 3 Ed. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers 中文：计算机系统结构：一种定量的方法（第 二版,第三版即将出版），清华大学出版社
200 贡献是技术进步的 5 倍
150
• DEC Alpha
• IBM Power2
DEC Alpha
100
• 每年 1.35 倍
HP
50 0
•
•
• • SUN4
IBM
•• •• •• MIPS MIPS Power1
R2000 R3000
•900 •
•
•
•
•
1985 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995
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术进步的5倍。 3. 近几年及将来，计算机性能按摩尔定理发展。 4. 计算机系统的设计者们要不断创新。
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计算机系统结构 第一章 基本概念Fra Baidu bibliotek
12
1.1.2 如何认识计算机系统
1. 虚拟计算机
定义：从不同角度所看到的计算机系统的属性 是不同的。
主要观察角度包括： 应用程序员 系统程序员 硬件设计人员
提高Fz：缩短门电路延迟，依靠技术进步 流水线技术等，依靠先进系统结构
从指令串行执行，到P4的20级流水线
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
10
350 SPECint 速度指标
• DEC Alpha
300
依 靠 技 术 进步 性 能 每 年 每年 1.58 倍
250 提高 35%
先进系统结构对性能的
计算机信息系统结构研究
9/26/2020
计算机系统结构 第一章 基本概念
1
课程介绍
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
2
1. 课程名称
Computer Architecture 计算机系统结构 计算机体系结构 建筑物的设计或式样, 通常指一个系统的外貌
2. 研究内容
从外部来研究计算机系统 使用者所看到的物理计算机的抽象 编写出能够在机器上正确运行的程序所必须 了解到的计算机属性
第0级和第1级属于计算机组成原理 第2级属于计算机系统结构 第3至第5级属于系统软件 第6级属于应用软件 • 它们之间有交叉 例如：第3级必须依赖第4级和第5级来实现
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
15
计算机系统的层次结构
第 6 级：应用程序
应用软件
第 5 级：高级语言 第 4 级：汇编语言
对计算机系统的认识通常只需要在某一个层次 上
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
13
虚拟计算机系统
广义语言
虚拟计算机
解释或编译
作用对象
观察者
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
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2. 计算机系统的层次结构
• 计算机系统可分为7个层次 • 第3级至第6级由软件实现,称为虚拟机 • 从学科领域来划分：
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
9
1.1.1 为什么要研究系统结构
1. 提高处理机运算速度：MIPS＝Fz IPC 其中: Fz为处理机的工作主频 IPC(Instruction Per Cycle)为 每个时钟周期平均执行的指令条数
提高IPC：依靠先进系统结构 过去，几个或几十个周期完成一条指令 现在，一个周期完成几条指令
2020/9/26
计算机科学与技术系
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3. 学习目的
建立计算机系统的完整概念 学习计算机系统的分析方法和设计方法 了解计算机系统的最新研究成果
4. 学科方向
一级学科 1 个：计算机科学与技术 二级学科 3 个：计算机系统结构、计算机软
件及理论、计算机应用技术
全国重点学科：计算机系统结构、计算机应 用技术
系统软件
第 3 级：操作系统
第 2 级：机器语言 软硬件分界
第 1 级：微程序 第 0 级：硬联逻辑
硬件
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计算机系统结构 第一章 基本概念
系统结构的发展时期已经到来
2020/9/26
计算机系统结构 课程介绍
5
6. 课程安排
课内：60学时， 课内外比例：课内1：课外>1
除完成作业之外，还要多看参考书 多看好论文(被 SCI、EI 收录)，了解国内外 最新研究成果
7. 教材和参考书
教材：清华大学计算机系列教材：计算机系统 结构(第二版) ，清华大学出版社
7
第1章 基本概念
1.1 计算机系统结构简介 1.2 计算机系统的评价标准 1.3 计算机系统的设计技术 1.4 计算机系统结构的发展 1.5 计算机系统的分类
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
8
1.1 计算机系统结构简介
1.1.1 为什么要研究系统结构 1.1.2 如何认识计算机系统 1.1.3 计算机系统结构的定义 1.1.4 计算机组成技术 1.1.5 计算机实现技术
2020/9/26
计算机系统结构 第一章 基本概念
11
2. 计算机性能提高的几个阶段 20世纪70年代末之前，大型机和小型机计算机性能每年
提高25%~30%。 20世纪80年代初，出现微处理机，依靠集成电路技术，
性能每年提高35% 20世纪80年中期，出现RISC技术、高级语言和操作系
统等，性能每年提高50% 1995年，先进系统结构对微处理器性能的贡献是单纯技
2020/9/26
计算机系统结构 课程介绍
4
5. 与其他学科的交叉
学科交叉：计算机组成、操作系统、汇编语言、 数据结构、微计算机技术、计算机网 络、……
新内容：超标量处理机、超流水线处理机、 VLIW处理机、向量处理机、并行处理机、 多处理机、互连网络、……
计算机系统结构正处于变革时期
软件-系统结构-实现技术, 两头发展快中间慢 非冯计算机正兴起
2020/9/26
计算机系统结构 课程介绍
6
参考书：
(1)David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Architecture: A Quantitative Approach 3 Ed. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers 中文：计算机系统结构：一种定量的方法（第 二版,第三版即将出版），清华大学出版社
200 贡献是技术进步的 5 倍
150
• DEC Alpha
• IBM Power2
DEC Alpha
100
• 每年 1.35 倍
HP
50 0
•
•
• • SUN4
IBM
•• •• •• MIPS MIPS Power1
R2000 R3000
•900 •
•
•
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•
1985 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995