计算机系统结构课件chapter0

1、计算机系统结构 课程介绍 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， 建立完整的、系统的计算机软硬件整体 概念。 课程特点 n专业基础课 n内容多，理论性强，难度较大 n总结性课程 n(硬件方面：数字逻辑，组成原理） n（软件方面;操作系统，汇编语言，数据 结构） 课程主要内容 n计算机系统结构概论 n数据表示、寻址方式与指令系统 n存储、中断、总线与I/O系统 n存储体系 n流水和指令级高速并行的超级机 n阵列处理机 n多处理机 n数据流机和规约机* 成绩计算 n平时成绩-到课率，课

2、堂表现（10%) n作业成绩-（10%） nPaper (10%) n期末考试成绩-（70%） 课程的重点 n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 n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 n了解新技术、新概念，扩大知识面 n如：RISC、RAID、SMP、Cluster等 n如：网格计算（Grid Computing），P2P，云计算（Cloud Computing），GPU计算 n如：多核（Multicore），众核（Manycore）,融核(int

3、el xeon phi) n如： Hadoop）Tesla M2050 GPU以及14,336颗CPU。如果单纯只使用CPU的话，要实现同等性 能则需要50,000颗以上的CPU以及两倍的占地面积。 n更重要的是，如果完全采用CPU打造，可实现2.507 Petaflops （千万亿次）性能的系统将消耗1200万瓦特的电力。 多亏在异构 计算环境中运用了GPU，天河一号A仅消耗404万瓦特的电力，节 能效果高达3倍。二者之间的功耗之差足够满足5000多户居民一 年的电力所需。 三大突破 n“天河一号”除了使用了英特尔处理器，还首次在超级 计算机中使用了2048个我国自主设计的处理器。“飞 腾-

4、1000”是64位CPU。它利用65纳米技术设计生产， 共有8个核心 n中国首创了CPU和GPU融合并行的体系结构。关注电脑 的人都知道，中央处理器CPU和图形处理器GPU的生产 厂商近期先是互相竞争，甚至喊出替代对方的口号， 现在却开始出现融合发展的趋势。而这个创意，正是 “天河一号”的研制过程中由中国科技人员最先提出 并实践的 n制造了先进的通信芯片，设计了先进的互联结构。 160Gb/s，是国际上的商用IB的两倍。 Jaguar美洲虎,2.331Pflops Cray XT5-HE Opteron Six Core 2.6 GHz,近25万个内核 n科学应用 n首个对极端气候变 化的模拟

5、 n辅助超新星研究 n生物和半衰期 n从光合作用到燃料 ：新型燃料 n聚变加快 n火山爆发模型模拟 极端气候 No14: 神威蓝光：全国产化的超级 计算机问世 n该机器获得科技部863计划支持，由国家并行计算机工 程技术研究中心制造，于2011年9月安装于国家超算济 南中心，全部采用自主设计生产的CPU(ShenWei processor SW1600)，系统共8704个CPU，峰值 1.07016PFlops，持续性能795.9TFlops， Linpack效率 74.37%，总功耗1074KW。 n国家超级计算济南中心是科技部批准成立的全国3个千 万亿次超级计算中心之一，由山东省科学院计算

6、中心 负责建设、管理和运营。 n是国内首台全部采用国产中央处理器（CPU）和系统 软件构建的千万亿次计算机系统，标志着我国成为继 美国、日本之后第三个能够采用自主CPU构建千万亿 次计算机的国家。 2020年以前超级计算机发展趋势 n2000年 每秒10万亿次浮点运算 n2005年 每秒100万亿次浮点运算 n2009年 每秒1000万亿次浮点运算（Pflop/s） n2013年 每秒1亿亿次浮点运算 n2016年 每秒10亿亿次浮点运算 n2020年 每秒100亿亿次浮点运算（Eflop/s） 基本上每10年左右性能提高1000倍 超级计算机发展路线图 时间2020年2030年2050年 器

7、件CMOS纳米量子器件量子、生物分 子 计算速度Exaflops(1018)Zettaflops(102 1) Yottaflops(102 4) 并行度109-101011 -10121013 -1015 内存容量25PBEB(1018B)ZB(1021B) 功耗40MWMWMW 用途核聚变模拟 蛋白质折叠等 地球模拟 生命科学等 MEMS优化 脑科学模拟等 2010202020302050 必须突破并行编程模型 n几十年来由于微处理器一直按照Moore定律预测的性能增 长速度争发展，使得并行处理得不到强烈的需求牵引，导致 以并行计算机为主业的公司几乎全部夭折。 n单处理器性能的提高遇到阻碍

8、以后，计算机要提高性能基本 上只剩下一条路可走依靠并行处理。过去几十年的编程模 式主要的串行，现在必须转到并行编程，这一迫不得已的转 变，对软件界既是挑战也是机遇。 n未来的微处理器少则几个十几个核，多则数千个核，连每个 用户手中的终端都是多核处理器，如何让一个任务分解到多 个核中运行成为今后编程的大问题。在现有串行编程模型上 做并行化没有出路，一定回到原始问题，从新考虑并行算法 和并行编程，这可能是今后几十年计算机科学和软件界必须 突破的科学问题和关键技术。 说明 n计算机技术六十年的发展，尤其是近十年的发展十分迅 猛，新概念、新技术不断涌现，对社会和生活的有巨大 影响 n计算机应用的广度和

9、深度日益扩大，概念有所变化： n广度：信息家电（PDA、手机、MP3等）、嵌入式系统 n深度：高性能计算(HPC)、网格计算(Grid Computing)、Web服务 (Web Services)、云计算（Cloud Computing）、多核技术 (Multicore)、众核技术（ManyCore）等 n软、硬件技术发展不均衡。 n计算机的应用不是简单的编写程序，而是解决方案 (solution)，集成(Integrated)，标准(Standard) n技术的研发要从商业运营模式出发考虑，才能体现其价 值 颠覆性创新技术 颠覆性创新技术 n边界之内是知识，边界之外是见识 n打补丁是知识，

10、换操作系统是见识 颠覆性创新技术 n1.KODAK n2.诺基亚 n3.苹果 n4 Intel、AMD和ARM的三国大战 颠覆性创新技术 颠覆性技术预测 事关战略主动权 1.及时预测，及早布局，就能赢得发展先 机，转弱为强 2.反之，就会被动，今天的庞然大物，明 天可能轰然倒下。 3.提高预测准确率 麦肯锡全球研究院预测报告 n到2025年可能的12项颠覆性技术 n1.移动互联网 n2.脑力劳动自动化 n3.云计算技术 n4.先进机器人 n5.自主和准自主的交通工具 （Autonomous Vehicles） 麦肯锡全球研究院预测报告 n7. 下一代基因组学 n8. 能量存储 n9. 3D 打

11、印 n10. 先进的材料 n11. 先进的油气勘探 n12. 可再生能源 四个判断的依据 一：技术发展是否加速，并已经取得重大突技术发展是否加速，并已经取得重大突 破破 下一代的基因组学：目前基因测序技术发展 速度快于摩尔定律 n先进材料：2011年，IBM制造了第一个基于 石墨烯的速度最快的晶体管 四个判断的依据 n二：潜在冲击，影响范围是否足够大潜在冲击，影响范围是否足够大 1.移动互联网能影响50亿人的生活方式， 给人们创新，创业带来机遇 2.物联网把遍布全世界嵌入智能装置相互 连接，直接影响亿万人的医疗，安全，和 生产能力 四个判断的依据 n三三.蕴含着经济效益是否巨大蕴含着经济效益是

12、否巨大 n先进机器人潜在影响全球的$6.3万亿的 人力花费 n到2025年，物联网的年创造产值为$2.7- 6.2万亿 四个判断的依据 n四：蕴含着的社会效应是否具有颠覆性 n可能根本改变人们的生活工作方式。创 造新的机会。 全球不稳定新时期的 10大颠覆性技术 （美国防2014.11文章） 1.真正的自主式武器系统 2.变革性“大数据工具” 3.用于训练的“全息图” 4. 超级士兵; 5. 高超音速导弹和太空飞机; n6.定制无人机; n7. 像九头蛇一样打不垮的交通工具; n8. 用之不竭的电源; n9. 抗干扰的可靠通信手段; n10. 革命性的低成本隐形军舰。 课程学习的特点 n本科专

13、业的重要课程 n可能是在其他学院不开的很少的几门计算机 科学与技术的专业课程之一 n宏观上看计算机系统，不是单纯的硬件不是单纯的硬件 课程，而是硬件和软件的结合点课程，而是硬件和软件的结合点 n综合知识，牵扯到多门课程。 n计算机组成、编译原理、操作系统、计算机 网络、高级语言程序设计，微机原理与接口、 嵌入式系统等 教材及参考书 n教材： 计算机系统结构第四版 李学干编著 西安电子科技大学出版社 n参考书： 计算机系统结构第二版 郑纬民 汤志忠 清华大学出版社 计算机系统结构 陆鑫达主编 高等教育出版社 计算机体系结构 石教英主编 浙江大学出版社 计算机体系结构 张晟曦著 高等教育出版社 Computer Architecture:A Quantitative Approach第五版，2011年 John L.Hennessy, David A.Patterson ADVANCED COMPUTER ARCHITECTURE Kai Hwang 题外之言 n态度决定一切-前国家足球队教练米卢 n考试只是手段，掌握知识才是关键。 n本课的重点在于宏观理解计算机系统，扩大知识面。 n交流、合作是成功的关键 n向他人公开你