计算机科学导论硬件部分

1、2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.1,计算机科学导论（硬件部分）,周学海 3492271 中国科学技术大学,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.2,课程安排,授课 授课总学时6学时 每星期一（7,8） 地点：3124 内容 计算机硬件相关课程的定位 计算机硬件系统简介,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.3,参考资料,William Stallings, 计算机组织与结构 性能设计 ，高等教育出版社 张彦铎，计算机导论，清华大学出版社 .tw/ycchen/coa

2、/,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.4,Computing Devices Now,Robots,Supercomputers,Automobiles,Laptops,Set-top boxes,Games,Smart phones,Servers,Media Players,Sensor Nets,Routers,Cameras,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.5,数字逻辑 计算机组成原理 微型计算机原理与接口技术 计算机体系结构 ,计算机硬件相关课程,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.6,Introduction,202

3、0/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.7,计算机系统的层次结构,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.8,Architecture 100Mb -1Gb 5 years,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.94,技术发展趋势,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.95,技术发展趋势DRAM,DRAM YearSize 198064 Kb 1983256 Kb 19861 Mb 19894 Mb 199216 Mb 199664 Mb 1999256 Mb 20021 Gb . 目前主流1GB-2GB,2020/9/15,中国科

4、学技术大学,Chapter1.96,技术发展趋势-微处理器集成度(容量）,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.97,Performance trends,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.98,Professor Performance,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.99,Power all new Apples 2+ CPUs) Procrastination penalized: 2X sequential perf. / 5 yrs Biggest programming challenge: from 1 to 2 C

5、PUs,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.106,Problems with Sea Change,Algorithms, Programming Languages, Compilers, Operating Systems, Architectures, Libraries, not ready to supply Thread-Level Parallelism or Data-Level Parallelism for 1000 CPUs / chip Architectures not ready for 1000 CPUs / chip Unlike Inst

6、ruction-Level Parallelism, cannot be solved by computer architects and compiler writers alone, but also cannot be solved without participation of architects,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.107,Its not just about bigger and faster!,Complete computing systems can be tiny and cheap System on a chip Resourc

7、e efficiency Real-estate, power, pins, ,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.108,未来的热点之一,Source: Richard Newton,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.109,一些有趣的数据,Intel 4004 是为嵌入式应用(计算器）设计 现在的微处理器 95% 用于嵌入式系统 SSH3/4 (Hitachi): best selling RISC microprocessor 50% 的收入来源于嵌入式系统 应用于特定领域的微处理器 Microcontrollers DSPs Media Pro

8、cessors Graphics Processors Network and Communication Processors,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.110,Its not just about bigger and faster!,Complete computing systems can be tiny and cheap System on a chip Resource efficiency Real-estate, power, pins, ,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.111,Computer Architectur

9、e,Technology,Programming,Languages,Operating,Systems,History,Applications,Cleverness,体系结构发展的源动力,应用领域: 专用/通用; 科学计算（FP Intensive) / 商业应用 (Integer Intensive)；嵌入式计算 所要求的软件兼容层次：二进制码兼容/汇编语言级/高级语言级 操作系统需求: 地址空间大小，存储管理/保护;上下文切换能力; 中断和陷阱 相关标准: IEEE 754 Floating Point、I/O Interface, 操作系统，编程语言，以及网络等 技术的进步水平：包括

10、处理器性能、存储器大小以及I/O设备；软件/编译技术的发展,设计新的体系结构需考虑的问题,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.113,Instruction Set Architecture,Pipelining, Hazard Resolution, Superscalar, Reordering, Prediction, Speculation, Vector, VLIW, DSP, Reconfiguration,Addressing, Protection, Exception Handling,L1 Cache,L2 Cache,DRAM,Disks, WORM,

11、 Tape,Coherence, Bandwidth, Latency,Emerging Technologies Interleaving Bus protocols,RAID,VLSI,Input/Output and Storage,Memory Hierarchy,Pipelining and Instruction Level Parallelism,计算机体系结构研究的内容,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.114,M,Interconnection Network,S,P,M,P,M,P,M,P,Topologies, Routing, Bandwidth, Latency, Reliability,Network Interfaces,Shared Memory, Message Passing, Data Parallelism,Processor-Memory-Switch,Multiprocessors Networks and Interconnections,计算机体系结构研究内容（续）,2020/9/15,中国科学技术大学,Chapter1.115,体系结构设计是循环渐进的过程: Search the possible design space Make selections Ev