“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程內(nèi)容體系的研究

張晨曦 王志英 劉 依 沈 立

摘要:本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中普遍存在的“重視軟件課程、輕視硬件課程”的現(xiàn)象,分析了計(jì)算機(jī)硬件類課程教學(xué)中存在的主要問(wèn)題,結(jié)合自己多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),提出了硬件類課程教學(xué)改革和學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的幾點(diǎn)對(duì)策。

關(guān)鍵詞:硬件類課程;創(chuàng)新能力;教學(xué)改革;實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1引言

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)本科的一門(mén)專業(yè)主干課程。

長(zhǎng)期以來(lái),很多教師反映這門(mén)課程比較難講,其原因之一是課程的內(nèi)容體系和教材有些陳舊,強(qiáng)調(diào)的是定性分析,內(nèi)容比較空泛、較難理解,對(duì)有些非重點(diǎn)或非主流的結(jié)構(gòu)和方法進(jìn)行了過(guò)細(xì)的介紹,而對(duì)實(shí)際系統(tǒng)和現(xiàn)已廣泛應(yīng)用的方法的定量分析卻比較少。二十多年來(lái),國(guó)內(nèi)教材的內(nèi)容體系都變化不大。我們77級(jí)本科生在1981年上“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課時(shí)的內(nèi)容體系跟現(xiàn)在有些教材的內(nèi)容體系相差不是很大,在不少現(xiàn)在的教材中都能找到它們的影子。

另外,近二十多年,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展。美國(guó)著名教授John L. Hennessy和David A. Patterson聯(lián)手于二十世紀(jì)九十年代初出版的《Computer Architecture: A Quantitative Approach》一書(shū)在這個(gè)領(lǐng)域激起了一陣改革的浪花,它從全新的角度講述系統(tǒng)結(jié)構(gòu),受到了同行的高度贊賞,被稱為是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的“圣經(jīng)”。

本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材進(jìn)行對(duì)比分析和研究的基礎(chǔ)上,確定了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程比較全面的內(nèi)容體系。

2對(duì)國(guó)外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材內(nèi)容的研究

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的英文是computer architecture,用這個(gè)詞作為關(guān)鍵詞,在國(guó)外著名的網(wǎng)上書(shū)店amazon.com、國(guó)外著名的出版社Morgan Kaufmann和Prentice Hall的網(wǎng)站以及其他一些網(wǎng)站上進(jìn)行檢索,查到了近五年來(lái)的8本主要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的書(shū)(到2007年為止):

(1) 書(shū)名:Computer Architecture:A Quantitative Approach (3rd Edition),作者:John L. Hennessy,David A. Patterson,出版時(shí)間:2002年5月,出版商:Morgan Kaufmann,國(guó)內(nèi)出版社引進(jìn)情況:電子工業(yè)出版社(中),機(jī)械工業(yè)出版社(英),頁(yè)數(shù):1136,簡(jiǎn)稱:【Henn3】或【H3】(為了本文的論述方便而采用的簡(jiǎn)稱,下同)。

(2) 書(shū)名:Computer Architecture:A Quantitative Approach (4th Edition),作者:John L. Hennessy,David A. Patterson,出版時(shí)間:2006年9月,出版商:Morgan Kaufmann,國(guó)內(nèi)出版社引進(jìn)情況:電子工業(yè)出版社(中),機(jī)械工業(yè)出版社(英),頁(yè)數(shù):704,簡(jiǎn)稱:【Henn4】。

(3) 書(shū)名:Parallel Computer Architecture:A Hardware/ Software Approach,作者:David Culler等,出版商:Morgan Kaufmann,出版時(shí)間:1998年8月,國(guó)內(nèi)出版社引進(jìn)情況:機(jī)械工業(yè)出版社(中),頁(yè)數(shù):1100,簡(jiǎn)稱:【Culler】。

(4) 書(shū)名:Essentials of Computer Architecture,作者:Douglas E. Comer,出版商:Prentice Hall,出版時(shí)間: 2004年8月,國(guó)內(nèi)出版社引進(jìn)情況:清華大學(xué)出版社(中),高等教育出版社(英),頁(yè)數(shù):400,簡(jiǎn)稱:【Comer】。

(5) 書(shū)名:Principles of Computer Architecture,作者:M. Murdocca,V. P. Heuring,出版商:Prentice Hal,出版時(shí)間:2000年,頁(yè)數(shù):640,簡(jiǎn)稱:【Murd】。

(6) 書(shū)名:Computer Architecture:From Microprocessors to Supercomputers,作者:Behrooz Parhami,出版商: Oxford University Press,出版時(shí)間:2005年2月,頁(yè)數(shù):575,簡(jiǎn)稱:【Parha】。

(7) 書(shū)名:Computer System Arcitecture:A Networking Approach(2nd Edition),作者:Rob Williams,出版商: Prentice Hall,出版時(shí)間:2006年11月,國(guó)內(nèi)出版社引進(jìn)情況:機(jī)械工業(yè)出版社(英),頁(yè)數(shù):752,簡(jiǎn)稱:【W(wǎng)illi】。

(8) 書(shū)名:Advanced Computer Architecture and Parallel Processing,作者:Hesham El-Rewini, Mostafa Abd-El-Barr,出版商:Wiley-Interscience,出版時(shí)間:2005年1月,國(guó)內(nèi)出版社引進(jìn)情況:電子工業(yè)出版社(中),頁(yè)數(shù):288,簡(jiǎn)稱:【Rewini】。

在這些書(shū)中,【Culler】和【Rewini】主要是論述高級(jí)體系結(jié)構(gòu)和并行處理體系結(jié)構(gòu),這部分內(nèi)容一般是在研究生階段才學(xué)習(xí)的,所以,它們不適合作為本科生的教材,但可以作為研究生的教材或參考書(shū)。

【Comer】是由美國(guó)普渡大學(xué)資深教授Douglas E. Comer編寫(xiě)的。該書(shū)中共有20章,其中一半以上與我們國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)組成原理課程的內(nèi)容重疊,而對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的論述又深度不夠?！綧urd】和【Parha】與【Comer】類似,相當(dāng)一部分內(nèi)容屬于計(jì)算機(jī)組成原理的內(nèi)容。

【W(wǎng)illi】共有23章,篇幅達(dá)752頁(yè)。這本書(shū)不僅包含組成原理的內(nèi)容,而且還包含了操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)方面的內(nèi)容,可謂包羅萬(wàn)象。

內(nèi)容涉及面太廣、與“計(jì)算機(jī)組成原理”課程重復(fù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容深度不夠等缺點(diǎn)是國(guó)外大多數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材的通病。也許其目的是為了不需要計(jì)算機(jī)組成原理的鋪墊就可以學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但國(guó)內(nèi)一般都是先學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理,后學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的,所以,這些教材不太適合“中國(guó)國(guó)情”。

John L. Hennessy和avid A. Patterson編寫(xiě)的《Computer Architecture::A Quantitative Approach》徹底改變了這種狀況。這兩個(gè)人是享譽(yù)全球計(jì)算機(jī)界的著名教授,他們?cè)赗ISC研究方面取得了卓越的成績(jī),其研究結(jié)果分別形成了MIPS和SPARC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。十多年前,該書(shū)第一版一出現(xiàn),就好評(píng)如潮。到去年為止,已經(jīng)出了4個(gè)版本。這是一本在全世界有很大影響的教材,國(guó)外很多大學(xué)都選用它作為教材。在國(guó)外同類教材中,它是最權(quán)威、最有影響的一本。它對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入、全面的闡述,并且在講述中采用了國(guó)際上流行的研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法——量化方法。該書(shū)的內(nèi)容充分反映了當(dāng)前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主流發(fā)展,而且結(jié)構(gòu)合理、內(nèi)容新穎、可讀性好。我們多年的教學(xué)研究和實(shí)踐表明,采用量化方法的教學(xué)效果很好。

這本教材的第3版【Henn3】有1136頁(yè),雖然內(nèi)容豐富,但也太多、太全,難度偏大,我們認(rèn)為直接作為本科生的教材是不合適的。而且該教材還有工程性太強(qiáng)、對(duì)有些經(jīng)典的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容沒(méi)有論述(如向量處理機(jī),數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)等)的不足。這本書(shū)的第4版【Henn4】雖然是最新版,但在編排上更像是研究生教材。所以,后面我們將主要以【Henn3】作為參考書(shū),與國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材內(nèi)容相結(jié)合,取長(zhǎng)補(bǔ)短,設(shè)計(jì)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的內(nèi)容體系。

3對(duì)國(guó)內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材內(nèi)容的研究

3.1近五年來(lái)的主要教材

在計(jì)算機(jī)專業(yè)教材方面,國(guó)內(nèi)最有影響的出版社有:清華大學(xué)出版社、高等教育出版社、電子工業(yè)出版社、機(jī)械工業(yè)出版社、科學(xué)出版社、人民郵電出版社等。在這些出版社的網(wǎng)站以及在中國(guó)互動(dòng)出版網(wǎng)china-pub.com上,我們用“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”和“體系結(jié)構(gòu)”作為關(guān)鍵詞查詢,查出了這些出版社在近五年來(lái)(到2007年為止)出版的所有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材情況如下:

(1) 清華大學(xué)出版社:4本。作者分別是鄭緯民、李學(xué)干、尹朝慶、周立等。

雖然鄭緯民的那本是1998年出的,但因?yàn)樗菄?guó)內(nèi)比較經(jīng)典的一本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材,所以,把它也列為研究的對(duì)象。李學(xué)干的那本也是比較經(jīng)典的,是“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。其前身是蘇東莊編寫(xiě)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材。25年前筆者上大學(xué)時(shí)就使用過(guò)。

(2) 高等教育出版社:1本,作者是張晨曦等。這本書(shū)是“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。

(3) 電子工業(yè)出版社:2本,作者分別是陳建鐸和徐煒民等。徐煒民那本是“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。

(4) 機(jī)械工業(yè)出版社:1本,作者是田俊峰等。

(5) 科學(xué)出版社:1本,作者是白中英等。

(6) 人民郵電出版社:1本,作者是張先俊等。

這10本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材的詳細(xì)信息如下。

(1) 書(shū)名:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第2版),作者:鄭緯民等,出版社:清華大學(xué)出版社,出版時(shí)間:1998年9月,頁(yè)數(shù):731,簡(jiǎn)稱:【鄭】。

(2) 書(shū)名:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)(“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材),作者:李學(xué)干,出版社:清華大學(xué)出版社,出版時(shí)間:2006年1月,頁(yè)數(shù):333,簡(jiǎn)稱:【李】。

(3) 書(shū)名:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程,作者:尹朝慶,出版社:清華大學(xué)出版社,出版時(shí)間:2005年4月,頁(yè)數(shù):292,簡(jiǎn)稱:【尹】。

(4) 書(shū)名:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),作者:周立等,出版社:清華大學(xué)出版社,出版時(shí)間:2006年12月,頁(yè)數(shù):259,簡(jiǎn)稱:【周】。

(5) 書(shū)名:計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(第2版)(“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材),作者:張晨曦等,出版社:高等教育出版社,出版時(shí)間:2005年6月,頁(yè)數(shù):328,簡(jiǎn)稱:【張】。

(6) 書(shū)名:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第2版)(“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材),作者:徐煒民等,出版社:電子工業(yè)出版社,出版時(shí)間:2003年7月,頁(yè)數(shù):274,簡(jiǎn)稱:【徐】。

(7) 書(shū)名:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程,作者:陳建鐸,出版社:電子工業(yè)出版社,出版時(shí)間:2006年2月,頁(yè)數(shù):249,簡(jiǎn)稱:【陳】。

(8) 書(shū)名:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),作者:田俊峰等,出版社:機(jī)械工業(yè)出版社,出版時(shí)間:2005年10月,頁(yè)數(shù):274,簡(jiǎn)稱:【田】。

(9) 書(shū)名:并行機(jī)體系結(jié)構(gòu)(第二版),作者:白中英等,出版社:科學(xué)出版社,出版時(shí)間:2006年1月,頁(yè)數(shù):200,簡(jiǎn)稱:【白】。

(10) 書(shū)名:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),作者:張先俊等,出版社:人民郵電出版社,出版時(shí)間:2006年2月,頁(yè)數(shù):292,簡(jiǎn)稱:【張2】。

3.2教材內(nèi)容對(duì)比分析和研究

我們購(gòu)買了所有這些教材以及【Henn3】(簡(jiǎn)稱為【H3】)和【Henn4】原版教材,對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行了仔細(xì)的研究和比較,并作出了我們的選擇。

我們采用了以下選取原則:

(1) 重點(diǎn)選取已被現(xiàn)代計(jì)算機(jī)廣泛采用的比較成熟的結(jié)構(gòu)、方法和技術(shù)等;

(2) 經(jīng)典與現(xiàn)代相結(jié)合,理論與實(shí)用相結(jié)合;

(3) 強(qiáng)調(diào)采用量化分析方法,減少大量冗長(zhǎng)的定性論述;

(4) 突出重點(diǎn)內(nèi)容和核心思想,避免繁雜;

(5) 減少與先修課程的重復(fù);

(6) 根據(jù)學(xué)科和專業(yè)的定位以及學(xué)時(shí)數(shù)來(lái)取舍。

首先是在知識(shí)模塊方面進(jìn)行研究。我們找出了這些書(shū)的知識(shí)模塊的一個(gè)合集,其組成為:①計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念;②指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì);③流水線技術(shù);④向量處理機(jī);⑤指令級(jí)并行的開(kāi)發(fā)——硬件方法(新);⑥指令級(jí)并行的開(kāi)發(fā)——軟件方法(新);⑦存儲(chǔ)系統(tǒng)(存儲(chǔ)層次);⑧輸入輸出系統(tǒng);⑨互連網(wǎng)絡(luò);⑩多處理機(jī); 機(jī)群計(jì)算機(jī)(新); 陣列處理機(jī)(也稱并行處理機(jī),SIMD計(jì)算機(jī)); 數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)(經(jīng)典); 知識(shí)庫(kù)機(jī); 智能機(jī); 歸約機(jī); 數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī); 脈動(dòng)陣列機(jī); 相聯(lián)處理機(jī)。

其中①～④和⑦～⑩是大多數(shù)教材都有的,可以說(shuō)它們是核心知識(shí)模塊。指令級(jí)并行是提高計(jì)算機(jī)性能的重要措施,目前的大多數(shù)微處理器都采用了這個(gè)技術(shù),所以⑤和⑥也是比較重要的內(nèi)容,特別是⑤,應(yīng)該也選作核心知識(shí)模塊。

在高性能并行計(jì)算機(jī)中,機(jī)群是近年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭最為強(qiáng)勁的一種結(jié)構(gòu)。在全球高性能計(jì)算機(jī)500強(qiáng)(Top500)排名中,盡管到1997年6月才首次有機(jī)群結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)進(jìn)入該排名,但此后入選的機(jī)群系統(tǒng)的數(shù)量逐年穩(wěn)步增加。到2003年11月,這一數(shù)字已達(dá)到208臺(tái),機(jī)群首次成為T(mén)op500排名中比例最高的結(jié)構(gòu)。截至2008年6月,已經(jīng)連續(xù)10期位居榜首。機(jī)群已成為當(dāng)今構(gòu)建高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)最常用的結(jié)構(gòu)。因此, 也應(yīng)該選作核心知識(shí)模塊。

數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)能夠充分開(kāi)發(fā)程序中的并行性,曾被認(rèn)為是具有很好前景的高度并行的新型計(jì)算機(jī)。雖然數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的研究尚未達(dá)到實(shí)用水平,但其核心思想具有很大的參考價(jià)值的。對(duì)于要求較高的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程來(lái)說(shuō),是應(yīng)該包含的。

～ 是一些專用性太強(qiáng)的機(jī)器結(jié)構(gòu),并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用,大多數(shù)的教材也不包含這些內(nèi)容,所以我們沒(méi)有選擇它們。

陣列處理機(jī)在計(jì)算機(jī)并行性的發(fā)展中有重要的地位,也屬于比較經(jīng)典的內(nèi)容。對(duì)于要求較高的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程來(lái)說(shuō),是應(yīng)該包含的。

綜合考慮上述各知識(shí)模塊的重要性以及學(xué)時(shí)數(shù),我們選擇出以下兩種方案。

方案A:48學(xué)時(shí)左右

①計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念;②指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì);③流水線技術(shù);④向量處理機(jī);⑤指令級(jí)并行的開(kāi)發(fā)——硬件方法(新);⑥存儲(chǔ)系統(tǒng)(存儲(chǔ)層次);⑦輸入輸出系統(tǒng);⑧互連網(wǎng)絡(luò);⑨多處理機(jī);⑩機(jī)群計(jì)算機(jī)。

方案B:60學(xué)時(shí)左右

與方案A相比,增加了3個(gè)模塊:指令級(jí)并行的開(kāi)發(fā)——軟件方法、陣列處理機(jī)、數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)。

3.3部分教材的特色

(1)【鄭】共有731頁(yè),內(nèi)容豐富,是一本大而全的書(shū)。該書(shū)是國(guó)內(nèi)很經(jīng)典的一本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材,但對(duì)于本科生來(lái)說(shuō),內(nèi)容太多、書(shū)太厚,作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參考書(shū)倒是非常好。該書(shū)第2版為1998年出版。

(2)【李】也是國(guó)內(nèi)比較經(jīng)典的一本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材。之所以稱它為經(jīng)典,主要是因?yàn)槠淝吧硎翘K東莊編寫(xiě)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材。25年前我們上大學(xué)時(shí)就使用過(guò)。

(3)【白】是網(wǎng)絡(luò)版,只有200頁(yè),但該教材框架清晰、重點(diǎn)突出、語(yǔ)言簡(jiǎn)練。

(4)【張】借鑒了【H3】的講法和內(nèi)容,內(nèi)容比較新,但缺少數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)等一些經(jīng)典內(nèi)容和機(jī)群計(jì)算機(jī)的內(nèi)容。

(5)【徐】中有這樣一章:“分布計(jì)算環(huán)境結(jié)構(gòu)”,這是所有上述教材中所沒(méi)有的。另外,該書(shū)的第二章為“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”,概述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方方面面,這也是其他教材中所沒(méi)有的。

4課程內(nèi)容體系

在上述對(duì)國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上,我們確定了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容體系,如下所示。

第1章緒論

包含5節(jié):引言,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,并行性的發(fā)展。

第2章計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

包含5節(jié):指令系統(tǒng)的分類,尋址方式,指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)(包括RISC和CISC),指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì),MIPS指令系統(tǒng)。

第3章流水線技術(shù)

包含6節(jié):重疊執(zhí)行和先行控制,流水線的基本概念,流水線的性能分析,非線性流水線的調(diào)度,流水線的相關(guān)與沖突,流水線的實(shí)現(xiàn)(以MIPS流水線為例)。

第4章向量處理機(jī)

包含5節(jié):向量處理方式,向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu),提高向量處理機(jī)性能的方法,向量處理機(jī)的性能評(píng)價(jià),向量處理機(jī)實(shí)例(Cray-1,Cray Y-MP和C90)。

第5章指令級(jí)并行性及其開(kāi)發(fā)——硬件方法

包含5節(jié):指令級(jí)并行的概念,指令的動(dòng)態(tài)調(diào)度(包括記分牌算法和Tomasulo算法),動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù),基于硬件的前瞻執(zhí)行,多指令流出技術(shù)(包括超標(biāo)量、超長(zhǎng)指令字、超流水技術(shù))。

第6章指令級(jí)并行性的開(kāi)發(fā)——軟件方法

包含6節(jié):循環(huán)展開(kāi)和基本指令調(diào)度,跨越基本塊的靜態(tài)指令調(diào)度,靜態(tài)多指令流出:VLIW技術(shù),顯式指令并行執(zhí)行EPIC,開(kāi)發(fā)更多的指令級(jí)并行,實(shí)例:Intel Itanium 處理器。

第7章存儲(chǔ)器系統(tǒng)

包含8節(jié):存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu),Cache的地址映象與地址變換,降低Cache失效率的方法,減少Cache失效開(kāi)銷的方法,減少命中時(shí)間的方法(包括虛擬Cache等),并行主存,虛擬存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)單),存儲(chǔ)層次實(shí)例。

第8章輸入輸出系統(tǒng)

包含5節(jié):I/O系統(tǒng)性能與CPU性能,I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性,廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列RAID,通道處理機(jī),I/O與操作系統(tǒng)。

第9章互連網(wǎng)絡(luò)

包含4節(jié):互連網(wǎng)絡(luò)的基本概念(包括互連函數(shù)和互連網(wǎng)絡(luò)的特性參數(shù)),靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò),動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)(包括互連網(wǎng)絡(luò)的例子),消息傳遞機(jī)制。

第10章多處理機(jī)

包含6節(jié):引言,對(duì)稱式共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(包括監(jiān)聽(tīng)法多Cache一致性協(xié)議及其實(shí)現(xiàn)),分布式共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(包括目錄法多Cache一致性協(xié)議及其實(shí)現(xiàn)),同步,同時(shí)多線程,多處理機(jī)實(shí)例(Origin 2000, Sun T1)。

第11章機(jī)群計(jì)算機(jī)

包含7節(jié):機(jī)群的基本概念和結(jié)構(gòu),機(jī)群的特點(diǎn),機(jī)群的分類,機(jī)群的通信技術(shù),并行程序設(shè)計(jì)環(huán)境,機(jī)群的負(fù)載平衡技術(shù),機(jī)群系統(tǒng)實(shí)例(包括Berkeley NOW和IBM SP2)。

第12章陣列處理機(jī)

包含4節(jié):陣列處理機(jī)的操作模型,陣列處理機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),陣列處理機(jī)的并行算法,陣列處理機(jī)實(shí)例(包括ILLIAC Ⅳ和BSP)。

第13章數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)

包含5節(jié):數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)的基本原理,數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)模型,數(shù)據(jù)流程序圖和數(shù)據(jù)流語(yǔ)言,靜態(tài)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。

5教材

在上述工作的基礎(chǔ)上,我們編寫(xiě)出版了以下兩本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教材:

(1)《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程》

由清華大學(xué)出版社于2009年5月出版。包含了上述13章的內(nèi)容,63萬(wàn)字。與下面高教出版社的教材相比,更適合于重點(diǎn)大學(xué)(48～64學(xué)時(shí))。該教材的詳細(xì)信息見(jiàn)http://www.china-pub.com/45835&ref=ps。

(2)《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》

由高等教育出版社于2008年6月出版,45萬(wàn)字。包含了上述13章中最重要的部分:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu),流水線技術(shù)(含向量處理機(jī)),指令級(jí)并行,存儲(chǔ)系統(tǒng),輸入/輸出系統(tǒng),互連網(wǎng)絡(luò),多處理機(jī),機(jī)群計(jì)算機(jī),共9章。與上面清華大學(xué)出版社的教材相比,該教材更適合于普通院校(36～48學(xué)時(shí))。該教材的詳細(xì)信息見(jiàn)http://www.china-pub.com/208975&ref=ps。本課程的精品課程網(wǎng)站:www.GotoSchool.net。

參考文獻(xiàn):

[1]John L. Hennessy, David A. Patterson. Computer Architecture:A Quantitative Approach[M]. 3rd Ed. San Mateo, CA: Morgan Kaufmann,2002.

[2] 鄭緯民,湯志忠. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M]. 2版. 北京:清華大學(xué)出版社,1998.

[3] 李學(xué)干. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2006.

Study of Contents of Computer Architecture Course

ZHANG Chen-xi1, WANG Zhi-ying2, LIU Yi1, SHEN Li2

(1. School of Software Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. School of Computer Science, National

University of Defense Technoloey, Changsha 410073, China)

Abstract: Computer Architecture is an important course of Computer Science. In this paper, a comparison is made of textbooks of computer architecture, and a selection of knowledge points is chosen, based on the situation of computer education in China.

Key words: computer architecture course; knowledge; education reformation