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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 2012-2013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(tradeoff)，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，
2、即不是以具体的机器为实例进行教学 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），GPU计算 如：多核（Multicore），众核（Manycore）,融核（Intel Xeon Phi） 如：Hadoop&MapReduce，大数据（Big Data）,计算机学科的组织构成,计算机系统结构 计算机软件与理论 计算机应用,理科 工科 农 医 管理,计算机科学与技术专业,说明: 一级学科 二级学科,
3、软件工程专业,计算机技术的发展,自1946年以来，计算机近70年有了惊人的发展 性能：（加法）速度提高了5个数量级 计算机性能以大约每年35%的速度提高 价格：今天$1000的机器相当于60年代中$106的机器，这里同性能计算机的价格比，改善了个数量级。 Today, less than $500 will purchase a mobile computer that has more performance, more main memory, and more disk storage than a computer bought in 1985 for $1 million. (Joh
4、n L. Hennessy and David A. Patterson) 从发展过程中体会本课程的含义。,Computing Systems Today,Scalable, Reliable, Secure Services,MEMS for Sensor Nets,Internet Connectivity,Databases Information Collection Remote Storage Online Games Commerce,The world is a large parallel system Microprocessors in everything Vast i
5、nfrastructure behind them,Robots,Routers,Cars,Sensor Nets,Refrigerators,指数增长的世界,网络 vs. 计算机性能处理器速度每18个月翻一番 存储密度 每12个月翻一番 网络速度 每9个月翻一番1986 to 2000 计算机: x 500 网络: x 340,000 2001 to 2010 计算机: x 60 网络: x 4000,处理器速度持续提高（广度）,从1971年第一颗微处理器Intel 4004问世以来，40年间处理器芯片集成的晶体管数目从2300个发展到今天的数十亿个，处理器频率从不到1MHz发展到今天最高接
6、近5GHz，与英特尔4004相比，如今下一代英特尔酷睿处理器的性能是其35万倍，每个晶体管的能耗却降低了5千倍。同期，晶体管的价格下降了约5万倍。,RISC,Move to multi-processor,在30年间计算机系统的速度提高了6个数量级,对计算能力的需求持续增长,摩尔定律（1979年）,假设芯片价格保持不变，则微处理器芯片上的晶体管数，每隔18-24个月便翻一番 假设微处理器价格保持不变，则微处理器速度每隔18-24个月便翻一番 假设微处理器速度或芯片内存储器容量不变，则微处理器芯片价格每18-24个月将降低约48%,摩尔定律即将终结,Intel公司负责内部芯片设计的首席技术官盖尔
7、欣格认为：以地球文明所拥有的材料环境，如果芯片的耗能和散热问题不解决，则： 2005年芯片上集成2亿个晶体管，热的像核反应堆 到摩尔定律截至年，2010年，就会达到火箭发射时高温气体喷嘴的水平 2015年，就会与太阳的表面一样热,Memory Capacity (and Cost) have changed dramatically in the last 20 years.,year size(Mb) cyc time 1980 0.0625 250 ns 1983 0.25 220 ns 1986 1 190 ns 1989 4 165 ns 1992 16 145 ns 1996 64
8、120 ns 2000 256 100 ns,Based on SPEED, the CPU has increased dramatically, but memory and disk have increased only a little. This has led to dramatic changed in architecture, Operating Systems, and Programming practices.,Capacity Speed (latency) Logic 2x in 3 years 2x in 3 years DRAM 4x in 3 years 2
9、x in 10 years Disk 4x in 3 years 2x in 10 years,Scaling to 0.1m,Semiconductor Industry Association, 1992 Technology Workshop Projected future technology based on past trends,1992 1995 1998 2001 2004 2007 Feature size: 0.5 0.35 0.25 0.18 0.12 0.10 Industry is slightly ahead of projection DRAM capacit
10、y: 16M 64M 256M 1G 4G 16G Doubles every 1.5 years Prediction on track Chip area (cm2): 2.5 4.0 6.0 8.0 10.0 12.5 Way off! Chips staying small,芯片制造工艺在1992年以后， 从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纳米一直发展到目前最新的65,45,40, 22纳米，而10纳米的制造工艺将是下一 代CPU的发展目标。,CPU与Memroy的性能呈现剪刀差,Defining Computer Archit
11、ecture,“Old” view of computer architecture: Instruction Set Architecture (ISA) design i.e. decisions regarding: registers, memory addressing, addressing modes, instruction operands, available operations, control flow instructions, instruction encoding“Real” computer architecture: Specific requiremen
12、ts of the target machine Design to maximize performance within constraints: cost, power, and availability Includes ISA, microarchitecture, hardware,Defining Computer Architecture,Tanenbaum, Structured Computer Organization, Fifth Edition, (c) 2006 Pearson Education, Inc. All rights reserved. 0-13-14
13、8521-0,Milestones in Computer Architecture (1),Some milestones in the development of the modern digital computer.,Tanenbaum, Structured Computer Organization, Fifth Edition, (c) 2006 Pearson Education, Inc. All rights reserved. 0-13-148521-0,Milestones in Computer Architecture (2),Some milestones in
14、 the development of the modern digital computer.,ENIAC - background,Electronic Numerical Integrator And Computer Eckert and Mauchly University of Pennsylvania Trajectory tables for weapons Started 1943 Finished 1946 Too late for war effort Used until 1955 据说，每当它开机时，费城西区的电灯黯然失色（功率过大）,ENIAC-最早的计算机（194
15、6年）,ENIAC-技术细节,Decimal (not binary) 20 accumulators of 10 digits Programmed manually by switches 18,000 vacuum tubes 30 tons 15,000 square feet 140 kW power consumption 5,000 additions per second,Commercial Computers,1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation UNIVAC I (Universal Automatic Computer)
16、Became part of Sperry-Rand Corporation Late 1950s - UNIVAC II Faster More memory,IBM 360 series,1964 Replaced (& not compatible with) 7000 series First planned “family” of computers Similar or identical instruction sets Similar or identical O/S Increasing speed Increasing number of I/O ports (i.e. more terminals) Increased memory size Increased cost Emulators for the 7000-/1400-series,
