计算机系统结构概述 - 人机交互与虚拟现实研究中心- 山.ppt

1、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 2011-2012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，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。,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

2、例进行教学 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），Hadoop 2跟全球TOP500相比，2011年6月全球TOP500排行榜第一名被日本的K-Computer夺得，2010年11月TOP500第一名的天河1A降为世界第二，但中国的机器份额首次取得第二名,仅次于美国; 国家超级计算天津中心以国防科大天河1A再次蝉联中国TOP100第一名，Linpack性能2.57PFlops，峰值4.7

3、PFlops; 国家超级计算济南中心以国家并行计算机工程技术研究中心全国产神威蓝光力夺得中国TOP100第二名，Linpack性能795.9TFlops，峰值1.07PFlops，神威蓝光是我国历史上首台全国产的千万亿次超级计算机; 国家超级计算长沙中心以国防科大天河1A-HN力夺中国TOP100第三名，Linpack性能771.7TFlops，峰值1.34PFlops。 全部机器的Linpack性能超过22.1Tflops是2010年9.6TFlops的2.3倍,比去年的1.41倍大幅提升。 全部系统的峰值超过25.6TFlops，是2010年11TFlops的2.33倍，比去年的1.36倍

4、大幅提升; 排名前三的机器两套是CPU+GPU异构MPP; 97个(2010年98个)系统都是机群架构，机群继续占据主导地位，在前10名里4台是CPU+GPU体系架构，在TOP100中共有13套CPU+GPU异构机群。,从TOP100性能趋势预测可以看出,峰值100TFflops的机器将在2007年到2008年间出现(2008年10月); 累计Linpack性能将在2008年到2009年间超过Petaflops(2008年10月); 峰值Petaflops的机器将在2010年到2011年间出现(提前完成!); 峰值10Petaflops的机器将在2012年到2013年间出现; 累计Linpac

5、k性能将在2011年到2012年间达到10Petaflops(2011年10月); 峰值100Petaflops（十亿亿次机）的机器将在2014年到2015年间出现; 累计Linpack性能将在2013年到2014年间达到100Petaflops。,功耗与绿色HPC,每个节点耗电在300到1500瓦之间，而一个机柜耗能在20到30千瓦左右。以百万亿次超级计算机-曙光5000A为例，其采用近7000颗四核处理器构建，总内存容量超过100TB，存储容量达700TB，总体功耗达到700千瓦（不含冷却系统），其每年的电费开销预期为1000万元人民币。其效能虽然在世界目前的高性能计算机里面已经相当优越的

6、了，但依旧让我们普通人感到十分震惊。 而一台持续千万亿次计算的超级计算机系统每小时需要消耗20兆瓦或更高的电能，其每年的电费开销也将高达亿元人民币以上 ,Three Decades of Microprocessor,The Decade of the 1970s Microprocessors Programmable Controller Single-Chip Microprocessors Personal Computers (PC) The Decade of the 1980s Quantitative Architecture Instructi

7、on Pipelining Fast Cache Memories Workstations The Decade of the 1990s Instruction-Level Parallelism Superscalar Processors Speculative Micro-architectures Aggressive Code Scheduling Low-Cost Desktop Supercomputing,Computer Architecture- Changing Definition,1950s to 1960s Computer Arithmetic 1970s t

8、o mid 1980s Instruction Set Design, especially ISA appropriate for compilers 1990s Design of CPU, memory system, I/O system, Multiprocessors, Networks 2000s Multi-core architecture, power aware architecture, energy aware architecture, non Von-Neumann architecture, dynamic reconfigurable,2020年以前超级计算机

9、发展趋势,2000年 每秒10万亿次浮点运算 2005年 每秒100万亿次浮点运算 2009年 每秒1000万亿次浮点运算（Pflop/s） 2013年 每秒1亿亿次浮点运算 2016年 每秒10亿亿次浮点运算 2020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,2010,2020,2030,2050,必须突破并行编程模型,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。 单处理器性能的提高遇到阻碍以后，计算机要提高性能基本上只剩下一条

10、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。 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,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 计算机应用的广度和深度日益扩大，概念有所变化： 广度：信息家电（PDA、手机、MP

11、3等）、嵌入式系统 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 软、硬件技术发展不均衡。 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) 技术的研发要从商业运营模式出发考虑，才能体现其价值,课程学习的特点,本科专业的重要课程 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 宏观上看计算机系统，不是单纯的硬件课程，而是硬件和软件的结合点

12、综合知识，牵扯到多门课程。 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,课程学习的特点（续）,重点讲解基本原理和相关的新技术、新概念。 重视听课、课下复习 不用记笔记，课件上网 课程主页： 每一堂课有10分钟与课程相关的新技术讲座 有2-3次课堂测验 从第7周开始，实验 成绩：考试+平时测验+实验,教材及参考书,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 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,联系方式,主讲人：龚 斌 计算机科学与技术学院 办公室：山东大学软件园校区 高性能计算中心，二楼，227房间 联系电话：88391261 E-mail: 个人主页：,题外之言,态度决定一切-前国家足球队教练米卢 考试只是手段，掌握