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计算机系统结构
第1次开课
开课时间: 2019年12月23日 ~ 2020年08月15日
学时安排: 每周3-5小时
当前开课已结束 已有 14480 人参加
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课程评价(117)
spContent=华中科技大学系统结构学科是国家重点学科,本课程融入了系统结构国家重点学科多年的研究成果,通过问题导向, 培养学生完成问题发现、分析和解决、量化评估的闭环过程,引导学习者从系统层次对计算机系统相关问题的理解,提升研究生入学计算机系统结构备考能力。
华中科技大学系统结构学科是国家重点学科,本课程融入了系统结构国家重点学科多年的研究成果,通过问题导向, 培养学生完成问题发现、分析和解决、量化评估的闭环过程,引导学习者从系统层次对计算机系统相关问题的理解,提升研究生入学计算机系统结构备考能力。
—— 课程团队
课程概述

“计算机系统结构”是计算机科学与技术一级学科的核心专业课程,具有内容抽象、内容发展变化快、知识结构变化快、与技术工程结合紧密等特点,在计算机科学与技术学科系列课程中对培养学生水平和质量起到重要作用。课程强调从“总体结构、量化分析”角度研究计算机系统,掌握计算机体系结构的基本概念和发展历程、计算机系统性能量化分析方法、典型指令系统的设计方法、指令流水线的体系结构和性能优化方法、存储层次结构以及Cache设计和性能优化方法,了解输入输出系统性能和可靠性优化方法、多处理机系统和集群系统体系结构、当前主流新型计算机体系结构的关键技术和影响主要因素等主要内容。详细讨论计算机系统结构定量、定性的分析方法、设计方法和研究方法。课程着力加深学生对“系统全局”的认知能力,有效增强学生计算机系统的设计、优化、评估能力,强调平衡和折中的系统设计核心理念和量化思考方式。课程主要教学内容基础性和先进性并重,与复杂工程问题特征相呼应,通过掌握分析问题、建立抽象模型、模型分析和优化的思考方法,培养学生具有计算机系统复杂工程构建过程的能力。

授课目标

通过相关教学活动,帮助学生掌握计算机系统结构中的基本概念、基本理论、基本方法,在计算机系统层次结构上深入理解计算机,提升学生计算机系统的分析与设计能力,学习平衡和折中的系统设计核心理念和量化思考方式,增强系统设计、分析和评估能力。


课程的具体目标包括:


目标1:使学生深刻理解Amdal定律,掌握量化分析基本概念和方法;能运用量化分析方法,对计算机系统瓶颈问题进行描述、抽象以及模型构建、优化、评估。


目标2:使学生学习“量化分析—系统优化—并行处理—层次结构”的问题求解过程。掌握CPU流水线结构和定量、定性分析方法、指令级并行的软硬件技术、存储层次结构与高速缓冲存储器优化调度、评估方法、多核/众核体系结构及典型实例(如GPU)、多处理机等, 能运用平衡和折中的系统设计核心理念和量化思考方式,针对计算机系统的瓶颈,强调具备对计算机系统分析问题和解决问题的能力和构建计算机系统复杂工程的能力。

目标3:使学生增强理论结合实际的能力,理解计算机系统结构技术发展的内涵。以最新的计算机体系结构技术研究进展为案例,掌握计算机体系结构关键核心技术研究思路,学会用软硬件协同的方法优化计算机系统的并行性。


课程大纲
计算机系统结构基本概念
课时目标:本章的主要知识点包括计算机系统结构的基本概念、发展历史和计算机系统设计与分析评估方法。通过本章的学习,帮助学生理解计算机系统结构发展趋势、性能评价方法和定量分析方法的基本原理,着重帮助学生理解计算机系统结构的研究方法。
1.1 计算机系统结构的定义及课程介绍
1.2 计算机系统结构的基础知识
1.3 计算机系统设计的内容
1.4 加快经常性事件
1.5 Amdahl定律
1.6 CPU性能公式
1.7 局部性原理
1.8 提高并行性的技术途径
1.9 计算机系统评价
1.10 计算机系统结构的发展
1.11 器件及应用对系统结构的影响
指令系统
课时目标:本章的主要知识点包括典型的指令系统、指令系统设计原则和设计方法等内容。通过本章学习,帮助学生认识到不同指令集的优缺点和理解指令集设计的基本原则。
2.1 指令集结构的分类
2.2 寻址方式
2.3 指令集结构的功能设计
2.4 操作数的类型和大小
2.5 指令格式的设计
2.6 MIPS指令集结构
流水线技术
课时目标:本章的主要知识点包括流水线的基本概念、量化性能指标、流水线调度、流水线相关和冲突解决办法。通过本章学习,帮助学生理解流水线结构和性能分析方法,认识流水线相关和冲突产生的原因以及不同解决办法的优缺点。
3.1 流水线的基本概念
3.2 流水线的性能指标(静态流水线,动态流水线)
3.3 非线性流水线调度
3.4 流水线的相关与冲突(上)
3.4 流水线的相关与冲突(下)
3.5 流水线实现
指令级并行
课时目标:本章的主要知识点包括指令级并行的概念、指令的动态调度、控制相关的动态解决方法、静态调度的多流出技术等内容。通过本章学习,帮助学生理解优化调度策略,深刻认识计算机系统结构的研究方法。
4.1 指令级并行的概念
4.2 指令的动态调度(1)
4.3 指令的动态调度(2)
4.4 动态分支预测
4.5 分支历史表
4.6 分支目标缓冲器
4.7 基于静态调度的多流出技术
4.8 循环展开和指令调度的基本方法(1)——基本指令调度
4.9 循环展开和指令调度的基本方法(2)——循环展开
存储系统
课时目标:本章的主要知识点包括存储器的层次结构、Cache基本概念和量化指标、Cache性能优化的各种策略、虚拟存储器以及典型实例等内容。通过本章学习,帮助学生理解存储系统的设计和优化方法。
5.1 存储系统的基本知识
5.2 存储系统性能量化分析
5.3 Cache基本知识
5.4 映象规则及其变换
5.5降低Cache不命中率
5.6 减少Cache不命中开销
5.7 减少Cache命中时间
5.8 并行主存系统
5.9 虚拟存储器
输入输出系统
课时目标:本章的主要知识点包括输入输出系统性能、可靠性量化分析等内容。通过本章学习,帮助学生理解输入输出系统可靠性设计的关键技术。
6.1 IO系统基本概念,分类
6.2 IO系统在体系结构中地位
6.3 IO系统评价(性能、可靠性)
6.4 IO系统设计实例:RAID
6.5 RAID可靠性评估
互连网络
课时目标:本章主要讲授互连网络的基本本概念、互连网络种类、互连网络的消息传递机制,并分析几种常见的 互连网络实例。
7.1.1 概念
7.1.2 结构、指标
7.2.1 互联函数
7.3.1 静态互连网络
7.3.2 静态互连网络
7.4.1 动态互连网络
7.4.2 动态互连网络
7.4.3 动态互连网络
多处理机
课时目标:本章的主要知识点包括对称式共享存储器体系结构、分布式共享存储器体系结构、互联网络、多处理机的Cache一致性、多线程和多核处理器等内容。通过本章学习,帮助学生理解线性级并行的设计思想。
8.1.1 多处理器背景
8.1.2 多处理器概念
8.1.3 整体挑战
8.2.1 cache一致性概念
8.2.2 一致性监听协议概念
8.2.3 写直达作废snoop协议实现
8.2.4 写回作废监听一致性协议概念
8.2.5 MSI监听协议的详细实现
8.3.1 同步原语
8.3.2 旋转锁概念
8.3.3 原子交换争用旋转锁
8.4.1 同步性能问题
8.4.2 栅栏同步
计算机系统结构未来发展趋势
课时目标:了解计算机系统结构面临的挑战和未来发展趋势, 通过本章学习,帮助学生理解处理器和存储器面对应用变化而带来的体系结构的变化
9.1 计算机系统结构面临的挑战及趋势
9.2 后摩尔时代处理器体系结构的变化
9.3 计算机存储体系结构的变化
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预备知识

本课程的学习需要计算机组成原理、操作系统和数据结构等前导课的知识和技术支撑。

证书要求

1.完成所有章节的在线视频学习
2.完成每一章的测试
3.集中完成线上期末考试
4.参与学习讨论
5.建议完成至少2个实验
6.1)60分≤总成绩<80分,可以获得本课程的合格证书
   2)总成绩≥80分,可以获得本课程的优秀证书

参考资料

 1.《Computer Architecture:A Quantitative Approach(原书第5版)》,John L. Hennessy & David A. Patterson著,机械工业出版社


2.https://inst.eecs.berkeley.edu/~cs152/


           (美国UC Berkeley Computer Architecture and Engineering)


3.https://www.eceNaNu.edu/~ece447/


                ( Carnegie Mellon Introduction to Computer Architecture )


4.(美)帕特森,(美)亨尼斯 著,王党辉等译。计算机组成与设计:硬件/软件接口(原书第7版) 


5.(美)布赖恩特(Bryant,R.E.).深入理解计算机系统,机械工业出版社,2018年出版


常见问题

1.如何学好计算机系统结构

 只要按照要求观看视频、完成作业讨论、章节测试,就能提升自己的硬件能力,克服畏惧心理;

2.不知道如何学习

 1)需要有计算机组成原理基础;2)及时完成每章节的作业;3)要适当做实验成原理 


华中科技大学
12 位授课老师
冯丹

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教授

谢长生

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教授

曹强

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