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计算机体系结构(Spring 2021)

011135.02

主讲教师：周学海

授课时间、地点：

1~15周 3C203 :1(3,4) 3C203 :5(3,4)

办公地点：高能效智能计算实验室（西区活动中心北一层）

电话： 0551-63606864

课程简介

计算机体系结构是计算机科学与技术学科重要的分支之一。它从全局的观点出发，通过采用定量分析技术，建立起设计、评价、优化计算机体系结构的方法和技术。利用这些方法和技术，可有效地评价已有计算机系统的性能、改进已有的系统设计、进而探讨新的体系结构。计算机系统结构是计算机科学工作者，特别是从事偏重于计算机硬件系统和系统软件研究的科学工作者的一门必备基础。

本课程授课60学时，实验30学时。主要讲授计算机系统定量分析基础，回顾指令集设计和基本流水线技术，探讨存储系统优化,指令级并行技术，数据级并行和任务级并行等技术。

主要教学参考书

1. John L. Hennessy, David A. Patternson； Computer Architecture: A Quantitative Approach；Fifth Edition. 机械工业出版社，2012

2. John L. Hennessy, David A. Patternson; Computer Architecture: A Quantitative Approach; Sixth Edition ；Morgan Kaufmann Publishers, Inc. 2018

3. David A. Patternson, John L. Hennessy；Computer Organization & Design : The Hardware/Software Interface； Third Edition. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, Inc. 2005

4. 张晨曦、王志英、沈立、李江峰、刘侬、王伟，计算机系统结构教程（第2版），清华大学出版社2014版

课程进度计划

Week	Date	Lecture	Readings	Readings
Week	Date	Lecture	5th Edition	6th Edition
2	3月8日	1-1 体系结构简介	Ch.1	Ch.1
	3月12日	1-2 发展历史、现状及趋势	Ch.1	Ch.1
3	3月15日	1-3 定量分析基础	Ch.1	Ch.1
	3月19日	2-1 ISA的基本概念	Appendix A	Appendix A, K, M.4
4	3月22日	2-2 ISA的功能设计	Appendix A	Appendix A
	3月26日	2-3 ISA的实现	Appendix A	Appendix A
5	3月29日	3-1 基本流水线、性能评估	Appendix C	Appendix C
	4月2日	3-2 基本流水线的扩展	Appendix C	Appendix C
6	4月5日
	4月9日	4-1 Cache的基本概念	Appendix B.1-B.2 Ch.2.1	Appendix B.1-B.2 Ch.2.1
7	4月12日	4-2 Cache的优化方法I	Appendix B.3 Ch.2.2	Appendix B.3 Ch.2.2
	4月16日	4-3 Cache的优化技术II	Appendix B Ch.2.2	Appendix B Ch.2.2
8	4月19日	4-4 存储技术及优化	Appendix B.3 Ch.2.2-2.3	Appendix B.3 Ch.2.2-2.3
8	4月19日	4-5 虚拟存储（2学时）	Appendix B.4 Ch.2.4	Appendix B.4 Ch.2.4
	4月23日	5-1 ILP的基本概念及静态指令流调度	Ch.3.1-3.2	Ch.3.1-3.2
9	4月26日	5-2 动态指令流调度 I	Appendix C.7	Appendix C.7
	4月30日	5-3 动态指令流调度 II	Ch.3.4 3.5	Ch.3.4 3.5
10	5月7日	习题课
	5月8日	5-4 分支预测	Ch.3.3 3.9-3.10	Ch.3.3 3.9-3.10
11	5月10日	5-5 推断执行	Ch.3.6 3.9	Ch.3.6 3.9
	5月14日	5-6 存储器访问冲突及多发射	Ch.3.7 3.8	Ch.3.7 3.8
12	5月17日	5-7 多线程技术	Ch.3.12	Ch.3.12
	5月21日	6-1 向量处理机模型 I	Ch.4.1-4.3(Appendix G)	Ch.4.1-4.3(Appendix G)
13	5月24日	6-2 向量处理机模型 II	Ch.4.1-4.3(Appendix G)	Ch.4.1-4.3(Appendix G)
	5月28日	6-3 GPU-I	Ch. 4.4-4.9	Ch. 4.4-4.9
14	5月31日	6-4 GPU-II	Ch. 4.4-4.9	Ch. 4.4-4.9
	6月4日	7-1 集中式共享存储I	Ch. 5.1-5.4	Ch. 5.1-5.4
15	6月7日	7-2 集中式共享存储 II	Ch. 5.1-5.4	Ch. 5.1-5.4
	6月11日	7-3 分布式共享存储及存储同一性	Ch. 5.1-5.4,5.5-5.6	Ch. 5.1-5.4,5.5-5.6
16	6月18日	习题课

考核方式

1、平时作业 10％

2、实验 40％

3、随堂测验 15%

4、期终考试 35%

补充阅读材料

1. Ceze L , Hill M D , Wenisch T F. Arch2030: A Vision of Computer Architecture Research over the Next 15 Years[J]. 2016.

2. A community white paper, "21st Century Computer Architecture," Computing Community Consortium, May 25, 2012 (http://cra.org/ccc/docs/init/21stcenturyarchitecturewhitepaper.pdf)

3. Scotten W. Jones, Introduction to Integrated Circuit Technology (5^th), IC Knowledge LCC

4. Martin M M K , Hill M D , Sorin D J . Why On-Chip Cache Coherence is Here to Stay[M]. Communications of ACM , 55(7), 2012.

5. Kourosh Gharachorloo. Memory Consistency Models for Shared-Memory Multiprocessors. WRL Research Report 95/9.

6. Gonzalez, A., et al. (2010). "Processor Microarchitecture: An Implementation Perspective." Synthesis Lectures on Computer Architecture 5(1): 116.

7. Nemirovsky, M. and D. M. Tullsen (2013). "Multithreading Architecture." Synthesis Lectures on Computer Architecture 8(1): 1-109

8. David Patterson, Andrew Waterman. RISC-V 手册.

9. Mark Smotherman. A Brief History of Microprogramming. https://people.cs.clemson.edu/~mark/uprog.html