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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 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,人民邮电出版社等.在这些出版社的网站以及在中国互动出版网china-pub.上,我们用"系统结构"和"体系结构"作为关 键 词查询,查出了这些出版社在近5年来出版的所有系统结构教材情况如下:

清华大学出版社:4本.作者分别是郑纬民,李学干,尹朝庆,周立等.

虽然郑纬民的那本是1998年出的,但因为它是国内比较经典的一本系统结构教材,所以把它也列为研究的对象.李学干的那本也是比较经典的,是"十一五"国家级规划教材.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.

高等教育出版社:1本,作者是张晨曦等.这本书是"十五"国家级规划教材.

电子工业出版社:2本,作者分别是陈建铎和徐炜民等.徐炜民那本是"十五"国家级规划教材.

机械工业出版社:1本,作者是田俊峰等.Henn3】(简称为【H3】)和【Henn4】原版教材,对其内容进行了研究和比较,并做出了我们的选择.

(1)第1章

第1章一般都是引言,导论,基本概念或基础知识等,上述教材中,这一章的内容比较接近,主要有:

计算机系统结构的基本概念(包括计算机系统的层次结构,系统结构的定义以及计算机组成和计算机实现的概念等),

计算机系统结构的分类,

计算机系统的性能评测(包括定量设计原理,性能评测指标,基准测试程序等),

计算机系统结构的发展(包括冯·诺依曼结构以及软件,应用,器件对系统结构的影响等),

并行性的概念及并行性的发展.

【Henn3】和【张】都有一节论述计算机成本和价格方面的内容.根据我们以前的教学经验,这一节几乎都是不讲的,所以在新的内容体系中,屏弃该内容.

(2)指令系统的设计

在下面以及后面的表格中,√表示有相应的内容,而空栏则表示没有.

从表1可以看出,绝大多数教材都有这部分内容.

表1

编号内容【郑】【李】【白】【尹】【周】1浮点数据表示和自定义数据表示√√无此

内容√√2指令系统的分类3寻址技术√√√√4指令格式的优化设计√√√√5指令系统的功能设计√√√6RISC√√√√7指令系统举例

表1(续)

编号【徐】【陈】【田】【张2】【张】【H3】要否说明1注1-1√√×注1-22√√√√注1-33√√√√√√4√√√√√√5√√√√√√6√√√√√√7PDP-11,RISC-ⅡIBM370DLXMIPSMIPS注1-4注1-1:【徐】与其他教材不同,设置了名为"计算机系统结构"的一章,论述的内容包括: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.这些内容中有相当一部分是与计算机组成原理重复的.我们不采用这种写法.

注1-2:浮点数据表示应该在其他课程(如原理)中讲过,没必要在这里重复论述.自定义数据表示虽然是新内容,但由于这种技术在一般的计算机中很少采用,所以不讲也可以.

注1-3:指令系统的分类对于进一步加深对不同指令系统的理解有较大的作用.

注1-4:【陈】 绍的PDP-11和RISC-Ⅱ以及【田】 绍的IBM370已比较陈旧.【张】 绍的是抽象指令系统DLX,它只是在前几年比较流行.在本报告的方案中,我们将和【H3】一样,采用MIPS作为例子.MIPS与DLX都是RISC结构,而且有很多相似的地方.两者的关键区别是:DLX是假想的,MIPS是真实的.MIP

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