计算机体系结构学科的发展与课程教学

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1、计算机体系结构学科的发展与课程教学曾文华(厦门大学计算机科学系，福建厦门361005)摘要:木文介绍了计算机体系结构学科发展的现状和发展方向，分析了计算机体系结构学科的快速发展对课程教学的深刻影响,并讨论了计算机体系结构课程与数字逻辑与数字系统,计算机组成原理，汇编语言程序设计，数据结构，计算机操作系统等课程的关系.关键词:计算机体系结构;学科发展;课程教学中图分类号：文献标识码：1引言计算机体系结构(也称计算机系统结构)是计算机专业的一门重要的专业课程.其任务是研究机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性，包括概念性结构和功能特性两个方血;研

2、究界定机器硬件和软件的界血,规定系统硬件所能提供的各种功能.通过该课程的学习,使学生掌握计算机系统的内部工作原理，以及在硬件，软件界面划分的权衡策略;建立完整，系统的计算机软硬件整机概念.与计算机的器件从第一代的电子管发展到今天的超大规模集成电路(VLSI)—样，计算机体系结构也得到了不断的改进,许多重要概念不断提出并且得到实现•计算机的系统结构己由传统的冯•诺依曼结构向超标量处理机，超流水线处理机，向量处理机，并行处理机，多处理机等方向发展,共亨存储结构(SMP),分布存储结构(DMP),非致性存储访问结构(NUMA),大规模并行处理结构(MPP

3、),Cache—致性NUMA结构(CC-NUMA)等一些新的计算机体系结构概念不断提出•因此，人们普遍认为计算机更新换代的标志不仅是器件的变革，也是靠计算机系统结构的改进.计算机体系结构学科的快速发展将对该门课程的教学提出了新的要求，同时计算机体系结构作为一门综合性的专业课程，必须处理好与前续课程(包括数字逻辑与数字系统，计算机组成原理，汇编语言程序设计，数据结构，计算机操作系统等课程)之间的关系.本文在介绍计算机体系结构学科研究现状与发展方向的基础上，分析了计算机体系结构学科的发展对课程教学的影响，并讨论了计算机体系结构课程与相关前续课程之间的关

4、系.2计算机体系结构学科的发展收稿日期:2002-10-8作者简介:曾文华(1964-),男，工学博士,教授.2.1冯•诺依曼计算机结构的发展1946年冯•诺依曼提岀的以存储程序原理为基础的计算机结构,其主要特征为[1,2]:1）存储器是字长固定,顺序线性编址的一维结构；2）存储器提供可按地址访问的一级地址空间，每个地址是唯一定义的；3）由指令形成的低级机器语言驱动；4）指令的执行是顺序的，即按指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现；5）机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器之间的数据传送都经过运算器；6）运算器，存储器，输入/输

5、出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制.经过半个多世纪的发展，现代计算机的体系结构有了重大变化和改进，主要体现在[1,2]:1）高级语言与机器语言的语义距离缩小,从而出现了面向高级语言机器和直接执行高级语言机器；2）硬件子系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应，从而出现了面向操作系统机器和数据库计算机等；3）出现了与LSI,VLSI器件相适应的计算机系统结构；4）计算机系统功能分散化,专业化，从而出现了各种功能分布计算机，如外围处理机，通信处理机等；5）为了获取高可靠性，从而研制了容错计算机；6）为了适应特定应用环境,从而出现了各种专用

6、计算机，如快速傅里叶变换机器,过程控制计算机等；7）计算机系统结构从串行算法向并行算法转变，从而出现了向量计算机，阵列计算机，多处理机等；8）计算机系统结构突破了指令驱动型的传统模式，岀现了数据驱动型和需求驱动型，从而出现了数据流机和归约机；9）为了处理非数值信息，出现了人工智能计算机，主要的处理方法已不是依靠精确的算法进行数值计算，而是依靠有关的知识进行逻辑推理.2.2并行处理结构的发展并行处理己成为现代计算机的最主要的特征,因此有些文献干脆将现代计算机体系结构称为并行计算机体系结构[2].所谓并行性是指计算机系统具有可以同时进行运算或操作的特征

7、，它包括同吋性与并发性两种含义.提高计算机系统的并行性措施的途径通常有⑵：1）时间重叠:也称为时间并行技术，流水线技术是一种经济，有效的时间并行技术,流水线处理机，超流水线处理机己在现代计算机体系结构中得到了广泛的应用;2）资源重桎:也称为空间并行技术，超标暈处理机,超标暈超流水线处理机,超长指令字处理机（VLIW）,阵列处理机都属于空间并行技术的范畴；3）吋间重叠+资源重叠:实际上是在计算机体系结构中同吋运用吋间并行技术和空间并行技术，如超标量超流水线处理机，已成为现代计算机体系结构川的并行性主流技术；4）资源共亨:这是一种软件方法，例如多道程序

8、，分时系统就是遵循“资源共亨“原理而产生的，资源共享既降低了成本，又提高了计算机设备的利用率.在单机系统（单处理机系统）中