本科系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件 chapter0

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

課程介紹

課程目標(biāo)

本課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門的基礎(chǔ)課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理，以及在硬件、軟件界面劃分的權(quán)衡策略，建立完整的、系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟硬件整體概念。課程主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論數(shù)據(jù)表示、尋址方式與指令系統(tǒng)存儲、中斷、總線與I/O系統(tǒng)存儲體系流水和指令級高速并行的超級機(jī)陣列處理機(jī)多處理機(jī)數(shù)據(jù)流機(jī)和規(guī)約機(jī)*課程的重點(diǎn)從整體上掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理，以講授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念和基本原理為主，而不是完整介紹各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即不是以具體的機(jī)器為實(shí)例進(jìn)行教學(xué)讓同學(xué)們明白計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢及影響，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、鉆研和創(chuàng)新精神了解新技術(shù)、新概念，擴(kuò)大知識面如：RISC、RAID、SMP、Cluster等如：網(wǎng)格計(jì)算（GridComputing），P2P，云計(jì)算（CloudComputing）如：多核技術(shù)（Multicore），眾核（Manycore）計(jì)算機(jī)學(xué)科的組織構(gòu)成

★★計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)★★計(jì)算機(jī)軟件與理論★★計(jì)算機(jī)應(yīng)用理科工科農(nóng)醫(yī)管理…★計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)說明:★一級學(xué)科★★二級學(xué)科計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展自1946年以來，計(jì)算機(jī)60年有了驚人的發(fā)展性能：（加法）速度提高了5個數(shù)量級計(jì)算機(jī)性能以大約每年35%的速度提高價(jià)格：今天$1000的機(jī)器相當(dāng)于60年代中$106的機(jī)器，這里同性能計(jì)算機(jī)的價(jià)格比，改善了３個數(shù)量級。從發(fā)展過程中體會本課程的含義。指數(shù)增長的世界網(wǎng)絡(luò)vs.計(jì)算機(jī)性能

處理器速度每18個月翻一番

存儲密度每12個月翻一番

網(wǎng)絡(luò)速度每9個月翻一番1986to2000計(jì)算機(jī):x500網(wǎng)絡(luò):x340,0002001to2010計(jì)算機(jī):x60網(wǎng)絡(luò):x4000GordonMoore(FounderofIntel)observedin1965thatthenumberoftransistorsthatcouldbecrammedonachipdoubleseveryyear.ThishasCONTINUEDtobetruesincethen.摩爾定律（1979年）假設(shè)芯片價(jià)格保持不變，則微處理器芯片上的晶體管數(shù)，每隔18-24個月便翻一番假設(shè)微處理器價(jià)格保持不變，則微處理器速度每隔18-24個月便翻一番假設(shè)微處理器速度或芯片內(nèi)存儲器容量不變，則微處理器芯片價(jià)格每18-24個月將降低約48%摩爾定律即將終結(jié)Intel公司負(fù)責(zé)內(nèi)部芯片設(shè)計(jì)的首席技術(shù)官蓋爾欣格認(rèn)為：以地球文明所擁有的材料環(huán)境，如果芯片的耗能和散熱問題不解決，則：2005年芯片上集成2億個晶體管，熱的像核反應(yīng)堆到摩爾定律截至年，2010年，就會達(dá)到火箭發(fā)射時(shí)高溫氣體噴嘴的水平2015年，就會與太陽的表面一樣熱Processorperformance,asmeasuredbytheSPECbenchmarkhasalsorisendramatically.MemoryCapacity(andCost)havechangeddramaticallyinthelast20years.year size(Mb) cyctime1980 0.0625 250ns1983 0.25 220ns1986 1 190ns1989 4 165ns1992 16 145ns1996 64 120ns2000 256 100nsBasedonSPEED,theCPUhasincreaseddramatically,butmemoryanddiskhaveincreasedonlyalittle.Thishasledtodramaticchangedinarchitecture,OperatingSystems,andProgrammingpractices. Capacity Speed(latency)?Logic 2xin3years 2xin3yearsDRAM 4xin3years 2xin10yearsDisk 4xin3years 2xin10yearsScalingto0.1μmSemiconductorIndustryAssociation,1992TechnologyWorkshopProjectedfuturetechnologybasedonpasttrends

1992

1995

1998

2001

2004

2007Featuresize: 0.5 0.35 0.25 0.18 0.12 0.10IndustryisslightlyaheadofprojectionDRAMcapacity: 16M 64M 256M 1G 4G 16GDoublesevery1.5yearsPredictionontrackChiparea(cm2):

2.5 4.0 6.0 8.0 10.0 12.5Wayoff!Chipsstayingsmall芯片制造工藝在1992年以后，從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納米一直發(fā)展到目前最新的65,45納米，而45納米和32納米的制造工藝將是下一代CPU的發(fā)展目標(biāo)。CPU與Memroy的性能呈現(xiàn)剪刀差ENIAC-backgroundElectronicNumericalIntegratorAndComputerEckertandMauchlyUniversityofPennsylvaniaTrajectorytablesforweaponsStarted1943Finished1946ToolateforwareffortUseduntil1955據(jù)說，每當(dāng)它開機(jī)時(shí)，費(fèi)城西區(qū)的電燈黯然失色（功率過大）ENIAC最早的計(jì)算機(jī)（1946年）ENIAC技術(shù)細(xì)節(jié)Decimal(notbinary)?20accumulatorsof10digitsProgrammedmanuallybyswitches18,000vacuumtubes30tons15,000squarefeet140kWpowerconsumption5,000additionspersecondCommercialComputers1947-Eckert-MauchlyComputerCorporationUNIVACI(UniversalAutomaticComputer)?BecamepartofSperry-RandCorporationLate1950s-UNIVACIIFasterMorememoryIBM360series1964Replaced(¬compatiblewith)7000seriesFirstplanned“family”ofcomputersSimilaroridenticalinstructionsetsSimilaroridenticalO/SIncreasingspeedIncreasingnumberofI/Oports(i.e.moreterminals)?IncreasedmemorysizeIncreasedcostEmulatorsforthe7000-/1400-seriesDECPDP-81964FirstminicomputerDidnotneedairconditionedroomSmallenoughtositonalabbench$16,000$100k+forIBM360Embeddedapplications&OEMBUSSTRUCTUREUnibus(單總線)?目前最快的計(jì)算機(jī)（2008年11月）世界最快的500臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

2008年11月

No1:IBMRoadrunner走鵑1450萬億次/秒No2:CrayXT5QC2.3GHz1381萬億次/秒No4:IBMBlueGene/L596萬億次/秒No10:曙光（上海超算中心）233萬億次/秒中國最快的100臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

2008年11月No1:上海超級計(jì)算中心曙光233萬億次/秒No1000+:山東省高性能計(jì)算中心浪潮0.749萬億次/秒國際超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排名(TOP500)?是美國田納西大學(xué)、伯克利NERSC實(shí)驗(yàn)室和德國曼海姆大學(xué)一些專家為評價(jià)世界超級計(jì)算機(jī)性能而搞的民間學(xué)術(shù)活動，每年2次排出世界上實(shí)際運(yùn)行速度最快的前500臺計(jì)算機(jī)。(6月、11月)?排名的依據(jù)是線性代數(shù)軟件包Linpack的實(shí)際測試數(shù)據(jù)，而峰值浮點(diǎn)運(yùn)算速度作為參考值列出。國內(nèi)TOP1002002年11月，中國計(jì)算數(shù)學(xué)學(xué)會并行計(jì)算分會和中國軟件行業(yè)協(xié)會并行軟件分會發(fā)布了當(dāng)年的中國TOP50。2003年11月8日發(fā)布了中國TOP100。入選的對象是所有在中國境內(nèi)安裝的前100臺Linpack速度最快的計(jì)算機(jī)。2008年11月發(fā)布了中國TOP100。No.1：Roadrunner,DOE/NNSA/LANLNo.4：BlueGene/L,TerascaleSimulationFacility(TSF),LLNLNo100:NEC(35萬億次/秒)2.5億美元

640*8CPU,10TBMEM,700TBDISK功耗與綠色HPC每個節(jié)點(diǎn)耗電在300到1500瓦之間，而一個機(jī)柜耗能在20到30千瓦左右。以百萬億次超級計(jì)算機(jī)-曙光5000A為例，其采用近7000顆四核處理器構(gòu)建，總內(nèi)存容量超過100TB，存儲容量達(dá)700TB，總體功耗達(dá)到700千瓦（不含冷卻系統(tǒng)），其每年的電費(fèi)開銷預(yù)期為1000萬元人民幣。其效能雖然在世界目前的高性能計(jì)算機(jī)里面已經(jīng)相當(dāng)優(yōu)越的了，但依舊讓我們普通人感到十分震驚。而一臺持續(xù)千萬億次計(jì)算的超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)每小時(shí)需要消耗20兆瓦或更高的電能，其每年的電費(fèi)開銷也將高達(dá)１億元人民幣以上中國TOP100(2003年)No.50.749萬億次

(2005年)No.38

（2007年）100+

LangchaoTERASCOPEServer10000系統(tǒng)總節(jié)點(diǎn)數(shù)量100個每節(jié)點(diǎn)2×2.8G處理器，2G內(nèi)存96個計(jì)算節(jié)點(diǎn)，1個服務(wù)節(jié)點(diǎn)，3個存儲節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的峰值計(jì)算能力1.0752Tflops采用Infiniband高性能互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)帶寬3.3Gbps-10Gbps，MPI帶寬:單向>800MB/s延遲<7us說明計(jì)算機(jī)技術(shù)五十年的發(fā)展，尤其是近十年的發(fā)展十分迅猛，新概念、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，對社會和生活的有巨大影響計(jì)算機(jī)應(yīng)用的廣度和深度日益擴(kuò)大，概念有所變化：廣度：信息家電（PDA、手機(jī)、MP3等）、嵌入式系統(tǒng)深度：高性能計(jì)算(HPC)、網(wǎng)格計(jì)算(GridComputing)、Web服務(wù)(WebServices)、云計(jì)算（CloudComputing）、多核技術(shù)(Multicore)、眾核技術(shù)（ManyCore）等軟、硬件技術(shù)發(fā)展不均衡。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用不是簡單的編寫程序，而是解決方案(solution)，集成(Integrated)，標(biāo)準(zhǔn)(Standard)?技術(shù)的研發(fā)要從商業(yè)運(yùn)營模式出發(fā)考慮，才能體現(xiàn)其價(jià)值課程學(xué)習(xí)的特點(diǎn)本科專業(yè)的重要課程可能是在其他學(xué)院不開的很少的幾門計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)課程之一宏觀上看計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不是單純的硬件課程，而是硬件和軟件的結(jié)合點(diǎn)綜合知識，牽扯到多門課程。計(jì)算機(jī)組成、編譯原理、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、高級語言程序設(shè)計(jì)，微機(jī)原理與接口、嵌入式系統(tǒng)等課程學(xué)習(xí)的特點(diǎn)（續(xù)）重點(diǎn)講解基本原理和相關(guān)的新技術(shù)、新概念。重視聽課、課下復(fù)習(xí)不用記筆記，課件上網(wǎng)課程主頁：/~gb/Architecture/index.html每一堂課有10分鐘與課程相關(guān)的新技術(shù)講座有2-3次課堂測驗(yàn)教材及參考書教材：

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》第四版李學(xué)干編著

西安電子科技大學(xué)出版社參考書：

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》第二版鄭緯民湯志忠清華大學(xué)出版社《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》陸鑫達(dá)主編高等教育出版社《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》石教英主編浙江大學(xué)出版社《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》張晟曦著高等教育出版社《ComputerArchitecture:AQuantitativeApproa