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计算机系统结构课程内容体系及实践课程研究报告
张晨曦刘依
同济大学软件学院
1引言
计算机系统结构是高等院校计算机专业的一门专业主干课程.本课程的目标是提高学生从系统和总体结构的层次来理解和研究计算机系统的能力,帮助学生建立整机系统的概念,使学生掌握计算机系统结构的基本知识,掌握基本的性能分析方法,并对计算机的JohnL.Hennessy和加州大学伯克利分校的着名教授DavidA.Patterson联手于20世纪90年代初出版的ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach一书在这个领域激起了一阵改革的浪花,它从全新的角度讲述系统结构,受到了同行的高度赞赏.虽然从1996年开始,我们就在国内(国防科技大学)率先在该课程中采用该书中的内容,但到目前为止,国内尚未看到关于如何调整计算机系统结构课程的内容体系的报告.本项目就是要在对国外教材和国内教材进行深入研究的基础上,面向重点大学的计算机专业,确定出既采用国外教材的优点又继承国内现有教材特色的系统结构课程的内容体系,并对其实践课程进行研究.
2对国外系统结构教材内容的研究
计算机系统结构的英文是puterarchitecture,用这个词作为关 键 词,在国外着名的网上书店amazon.,国外着名的出版社ManKaufmann和PrenticeHall的网站以及其他一些网站上进行检索,查到以下8本主要的系统结构方面的书(近5年):
(1)书名:ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach(3rdEdition)
作者:JohnL.Hennessy,DavidA.Patterson
出版时间:2002年5月
出版商:ManKaufmann
国内出版社引进情况:电子工业出版社(中),机械工业出版社(英)
页数:1136
简称(为了本文的论述方便而采用的简称,下同):【Henn3】或【H3】
(2)书名:ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach(4thEdition)
作者:JohnL.Hennessy,DavidA.Patterson
出版时间:2006年9月
出版商:ManKaufmann
国内出版社引进情况:电子工业出版社(中),机械工业出版社(英)
页数:704
简称:【Henn4】
(3)书名:ParallelComputerArchitecture:AHardware/SoftwareApproach
作者:DavidCuller等
出版商:ManKaufmann
出版时间:1998年8月
国内出版社引进情况:机械工业出版社(中)
页数:1100
简称:【Culler】
(4)书名:EssentialsofComputerArchitecture
作者:DouglasE.Comer
出版商:PrenticeHall
出版时间:2004年8月
国内出版社引进情况:清华大学出版社(中),高等教育出版社(英)
页数:400
简称:【Comer】
(5)书名:PrinciplesofComputerArchitecture
作者:M.Murdocca,V.P.Heuring
出版商:PrenticeHall
出版时间:2000年
页数:640
简称:【Murd】
(6)书名:ComputerArchitecture:FromMicroprocessorstoSuperputers
作者:BehroozParhami
出版商:OxfordUniversityPress
出版时间:2005年2月
页数:575
简称:【Parha】
(7)书名:ComputerSystemArcitecture:ANetworkingApproach(2ndEdition)
作者:RobWilliams
出版商:PrenticeHall
出版时间:2006年11月
国内出版社引进情况:机械工业出版社(英)
页数:752
简称:【Willi】
(8)书名:AdvancedComputerArchitectureandParallelProcessing
作者:HeshamEl-Rewini,MostafaAbd-El-Barr
出版商:Wiley-Interscience
出版时间:2005年1月
国内出版社引进情况:电子工业出版社(中)
页数:288
简称:【Rewini】
在这些书中,【Culler】和【Rewini】主要是论述高级体系结构和并行处理体系结构,这部分内容一般是在研究生阶段才学习的,所以它们不适合作为本科生的教材,但可以作为研究生的教材或参考书.
【Comer】是由美国普渡大学资深教授DouglasE.Comer编写的.该书中共有20章,内容包括:数字逻辑基础,数据和程序的表示,各种处理器和计算引擎,处理器类型和指令系统,操作数寻址和指令表示,CPU:微代码,保护及处理器模式,汇编语言和程序设计范例,存储器,物理存储器和物理寻址,虚拟存储器技术和虚拟寻址,高速缓存和高速缓存技术,输入输出概念和术语,总线和总线体系结构,程序控制I/O和中断驱动I/O,程序员眼中的设备,I/O和缓冲,并行性,流水线技术,性能评估,体系结构的层次和例子.可以看出,这些内容的一半以上与我们国内的计算机组成原理课程的内容重叠,而对系统结构的论述又深度不够.
【Murd】共有10章,包括数据表示,算术运算,指令集结构,语言和机器,数据通路和控制,存储器,输入输出,通信,系统结构的发展趋势等.【Parha】分成7部分,共28章.这7部分是:背景和动机,指令集结构,算术/逻辑部件,存储系统设计,输入/输出和接口,高级系统结构.这两本书存在与【Comer】类似的问题,相当一部分内容属于计算机组成原理的内容.
【Willi】共有23章,篇幅达752页.主要内容有:vonNeumann结构,功能部件及取指-执行周期,控制部件,ALU,存储器,PentiumCPU,子程序,简单输入/输出,串行连接,并行连接,存储层次,编程者的观点,局域网,广域网,其他网络,操作系统简介,WindowsXP,文件系统,可视输出,RISC处理器:ARM和SPARC,VLIW处理器:EPICItanium,并行处理.这本书不仅包含组成原理的内容,而且还包含了操作系统,网络方面的内容.可谓包罗万象.
内容涉及面太广,与计算机组成原理课程重复,系统结构内容深度不够等缺点是国外大多数系统结构教材的通病.也许其目的是为了不需要计算机组成原理的铺垫就可以学习系统结构.但国内一般都是先学计算机组成原理,后学系统结构的,所以这些教材不太适合"中国国情".
JohnL.Hennessy和avidA.Patterson编写的ComputerArchitecture::AQuantitativeApproach彻底改变了这种状况.这两个人是享誉全球计算机界的着名教授,他们在RISC研究方面取得了卓越的成绩,其研究结果分别形成了MIPS和SPARC系统结构的基础.十多年前,该书第1版一出现,就好评如潮.到去年为止,已经出了4个版本.这是一本在全世界有很大影响的教材,被称为是系统结构学科的"圣经",在国外已经被许多大学选用.在国外同类教材中,它是最权威,最有影响的一本.它对系统结构进行了深入,全面的阐述,并且在讲述中采用了国际上流行的研究计算机系统结构的方法——量化方法.该书的内容充分反映了当前系统结构的主流发展,而且结构合理,内容新颖,可读性好.我们多年的教学研究和实践表明,采用量化方法的教学效果很好.
这本教材的第3版【Henn3】有1100多页,虽然内容丰富,但也太多,太全,难度偏大,我们认为直接作为本科生的教材是不合适的.而且该教材不足之处还有工程性太强,对有些经典的计算机系统结构内容没有论述(如向量处理机,阵列处理机,数据流计算机等).这本书的第4版【Henn4】虽然是最新版,但在编排上更像是研究生教材.所以后面我们将主要以【Henn3】作为参考书,与国内的系统结构教材内容相结合,取长补短,研究并确定出计算机系统结构课程的内容体系.
3对国内系统结构教材内容的研究
在计算机专业教材方面,国内最有影响的出版社有:清华大学出版社,高等教育出版社,电子工业出版社,机械工业出版社,科学出版社,人民邮电
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