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15)部分教材的特色(内容)

【郑】共有731页,内容丰富,是一本大而全的书.该书是国内比较经典的一本系统结构教材.但对于本科生来说,内容太多,书太厚.作为系统结构参考书倒是非常好.该书第2版是1998年出的,部分内容显得有些过时.

【李】也是国内比较经典的一本系统结构教材.之所以称它为经典,主要是因为其前身是苏东庄编写的系统结构教材.25年前我们上大学时就使用过.

【白】是网络版,只有200页.但该教材框架清晰,重点突出,语言简练.

【张】借鉴了【H3】的讲法和内容,内容比较新.但缺少数据流计算机等一些经典内容和机群计算机的内容.

【徐】中有这样一章:"分布计算环境结构",这是所有上述教材中所没有的.另外,该书的第二章为"计算机系统结构",讲述的内容包括:CPU组成,数据表示,寻址方式,指令优化,总线结构,存储系统概述,输入输出等内容.相当于给系统结构的方方面面来个概述.这也是所有其他教材中所没有的.我们不采用这种写法.

4课程内容体系

在上述对国内外系统结构教材分析和研究的基础上,我们确定了系统结构课程的内容体系,如下所示.

第1章绪论

1.1引言

1.2计算机系统结构的概念

1.3计算机系统的性能评测

1.4计算机系统结构的发展

1.5并行性的发展

第2章计算机指令系统的设计

2.1指令系统的分类

2.2寻址方式

2.3指令系统的功能设计(包括RISC和CISC)

2.4指令格式的优化设计

2.5MIPS指令系统

第3章流水线技术

3.1重叠执行和先行控制

3.2流水线的基本概念

3.3流水线的性能分析

3.4非线性流水线的调度

3.5流水线的相关与冲突

3.6流水线的实现

(以MIPS流水线为例)

第4章向量处理机

4.1向量处理方式

4.2向量处理机的结构

4.3提高向量处理机性能的方法

4.4向量处理机的性能评价

4.5向量处理机实例(Cray-1,CrayY-MP和C90)

第5章指令级并行性及其开发——硬件方法

5.1指令级并行的概念

5.2指令的动态调度

(包括记分牌算法和Tomasulo算法)

5.3动态分支预测技术

5.4基于硬件的前瞻执行

5.5多指令流出技术(包括超标量,超长指令字,超流水技术)

第6章指令级并行性的开发——软件方法

6.1循环展开和基本指令调度

6.2跨越基本块的静态指令调度

6.3静态多指令流出:VLIW技术

6.4显式指令并行执行EPIC

6.5开发更多的指令级并行

6.6实例:IntelItanium处理器

第7章存储器系统

7.1存储器的层次结构

7.2Cache的地址映像与地址变换

7.3降低Cache失效率的方法

7.4减少Cache失效开销的方法

7.5减少命中时间的方法

(包括虚拟Cache等)

7.6并行主存

7.7虚拟存储器(简单)

7.8存储层次实例

第8章输入输出系统

8.1I/O系统性能与CPU性能

8.2I/O系统的可靠性,可用性和可信性

8.3廉价磁盘冗余阵列RAID

8.4通道处理机

8.5I/O与操作系统

第9章互连网络

9.1互连网络的基本概念

(包括互连函数和互连网络的特性参数)

9.2静态互连网络

9.3动态互连网络(包括互连网络的例子)

9.4消息传递机制

第10章多处理机

10.1引言

10.2对称式共享存储器系统结构

(包括监听法多Cache一致性协议及其实现)

10.3分布式共享存储器系统结构

(包括目录法多Cache一致性协议及其实现)

10.4同步

10.5同时多线程

10.6多处理机实例(Origin2000,SunT1)

第11章机群计算机

11.1机群的基本概念和结构

11.2机群的特点

11.3机群的分类

11.4机群的通信技术

11.5并行程序设计环境

11.6机群的负载平衡技术

11.7机群系统实例(包括BerkeleyNOW和IBMSP2)

第12章阵列处理机

12.1阵列处理机的操作模型

12.2阵列处理机的结构和特点

12.3阵列处理机的并行算法

12.4阵列处理机实例(包括ILLIAC-Ⅳ和BSP)

第13章数据流计算机

13.1数据流计算机的基本原理

13.2数据流计算机模型

13.3数据流程序图和数据流语言

13.4静态数据流计算机结构

13.5动态数据流计算机结构

5实践教学

本课程的实践教学在国内一直是一个难题,大多数学校的该课程都没能开设实验.其主要原因有两个:一是目前国内尚无出版的系统结构实验的教材,另一个是做系统结构实验的硬件复杂,成本高.我们认为,本课程强调从系统级的层次来研究计算机系统,因此可以不必都在专门的硬件平台上做实验,而且不见得采用了硬件就能达到好效果.在虚拟机上做实验和进行软件模拟也可以达到主要目的,而且可以节省实验室的投入,灵活性也比较大.国外甚至有研究结果表明,用模拟器做实验效果更好.

利用模拟器,通过执行程序,跟踪和观察机器的工作情况和发生的变化,并进行数据统计和性能分析,学生可以对相关的概念,原理和方法等有更透彻的理解和掌握,可以通过数据统计和性能分析更具体地理解各种提高性能的方法是如何影响计算机系统性能的.有的模拟器提供对目标机(被模拟的机器)的配置进行设置和修改的功能,能模拟在不同设置情况下执行程序的过程,以便于做对比实验.

目前国际上比较流行的适合于教学的模拟器有:WinDLX,DLXView,SimpleScalar,SMPCache等.其中WinDLX和SMPCache是在Windows操作系统上运行的模拟器,使用比较方便,而DLXView和SimpleScalar是在Linux上运行的,比较麻烦.

经过试用和分析,我们发现,除WinDLX比较好用外,其他几个都不是很好用,学生做实验时,往往会被模拟器的运行操作问题所困扰.而且这些模拟器都是国外的,受版权问题的限制,不可能放到我们的实践教程教材所附带的光盘中.因此,我们希望开发有自主版权,基于Windows的更好用的模拟器,现正在争取经费立项.

实验一流水线中的相关

使用我们自己开发的MIPS模拟器或WinDLX模拟器

实验二循环展开及指令调度

使用我们自己开发的MIPS模拟器或WinDLX模拟器

实验三Tomasulo算法

使用我们自己开发的Tomasulo算法模拟器

实验四单机Cache性能分析

使用我们自己开发的Cache模拟器模拟器

高等学校计算机课程群研究报告汇编

计算机系统结构课程内容体系及实践课程研究报告