“計算機系統結構”課程內容體系的研究

張晨曦 王志英 劉 依 沈 立

摘要:本文針對目前國內高校計算機專業教學中普遍存在的“重視軟件課程、輕視硬件課程”的現象,分析了計算機硬件類課程教學中存在的主要問題,結合自己多年的教學經驗,提出了硬件類課程教學改革和學生創新能力培養的幾點對策。

關鍵詞:硬件類課程;創新能力;教學改革;實踐教學

中圖分類號:G642 文獻標識碼:A

1引言

“計算機系統結構”是高等院校計算機專業本科的一門專業主干課程。

長期以來,很多教師反映這門課程比較難講,其原因之一是課程的內容體系和教材有些陳舊,強調的是定性分析,內容比較空泛、較難理解,對有些非重點或非主流的結構和方法進行了過細的介紹,而對實際系統和現已廣泛應用的方法的定量分析卻比較少。二十多年來,國內教材的內容體系都變化不大。我們77級本科生在1981年上“計算機系統結構”課時的內容體系跟現在有些教材的內容體系相差不是很大,在不少現在的教材中都能找到它們的影子。

另外,近二十多年,計算機系統結構技術已經有了很大的發展。美國著名教授John L. Hennessy和David A. Patterson聯手于二十世紀九十年代初出版的《Computer Architecture: A Quantitative Approach》一書在這個領域激起了一陣改革的浪花,它從全新的角度講述系統結構,受到了同行的高度贊賞,被稱為是計算機系統結構的“圣經”。

本文在對國內外系統結構教材進行對比分析和研究的基礎上,確定了系統結構課程比較全面的內容體系。

2對國外系統結構教材內容的研究

計算機系統結構的英文是computer architecture,用這個詞作為關鍵詞,在國外著名的網上書店amazon.com、國外著名的出版社Morgan Kaufmann和Prentice Hall的網站以及其他一些網站上進行檢索,查到了近五年來的8本主要的系統結構方面的書(到2007年為止):

(1) 書名:Computer Architecture:A Quantitative Approach (3rd Edition),作者:John L. Hennessy,David A. Patterson,出版時間:2002年5月,出版商:Morgan Kaufmann,國內出版社引進情況:電子工業出版社(中),機械工業出版社(英),頁數:1136,簡稱:【Henn3】或【H3】(為了本文的論述方便而采用的簡稱,下同)。

(2) 書名:Computer Architecture:A Quantitative Approach (4th Edition),作者:John L. Hennessy,David A. Patterson,出版時間:2006年9月,出版商:Morgan Kaufmann,國內出版社引進情況:電子工業出版社(中),機械工業出版社(英),頁數:704,簡稱:【Henn4】。

(3) 書名:Parallel Computer Architecture:A Hardware/ Software Approach,作者:David Culler等,出版商:Morgan Kaufmann,出版時間:1998年8月,國內出版社引進情況:機械工業出版社(中),頁數:1100,簡稱:【Culler】。

(4) 書名:Essentials of Computer Architecture,作者:Douglas E. Comer,出版商:Prentice Hall,出版時間: 2004年8月,國內出版社引進情況:清華大學出版社(中),高等教育出版社(英),頁數:400,簡稱:【Comer】。

(5) 書名:Principles of Computer Architecture,作者:M. Murdocca,V. P. Heuring,出版商:Prentice Hal,出版時間:2000年,頁數:640,簡稱:【Murd】。

(6) 書名:Computer Architecture:From Microprocessors to Supercomputers,作者:Behrooz Parhami,出版商: Oxford University Press,出版時間:2005年2月,頁數:575,簡稱:【Parha】。

(7) 書名:Computer System Arcitecture:A Networking Approach(2nd Edition),作者:Rob Williams,出版商: Prentice Hall,出版時間:2006年11月,國內出版社引進情況:機械工業出版社(英),頁數:752,簡稱:【Willi】。

(8) 書名:Advanced Computer Architecture and Parallel Processing,作者:Hesham El-Rewini, Mostafa Abd-El-Barr,出版商:Wiley-Interscience,出版時間:2005年1月,國內出版社引進情況:電子工業出版社(中),頁數:288,簡稱:【Rewini】。

在這些書中,【Culler】和【Rewini】主要是論述高級體系結構和并行處理體系結構,這部分內容一般是在研究生階段才學習的,所以,它們不適合作為本科生的教材,但可以作為研究生的教材或參考書。

【Comer】是由美國普渡大學資深教授Douglas E. Comer編寫的。該書中共有20章,其中一半以上與我們國內的計算機組成原理課程的內容重疊,而對系統結構的論述又深度不夠?！綧urd】和【Parha】與【Comer】類似,相當一部分內容屬于計算機組成原理的內容。

【Willi】共有23章,篇幅達752頁。這本書不僅包含組成原理的內容,而且還包含了操作系統、網絡方面的內容,可謂包羅萬象。

內容涉及面太廣、與“計算機組成原理”課程重復、系統結構內容深度不夠等缺點是國外大多數系統結構教材的通病。也許其目的是為了不需要計算機組成原理的鋪墊就可以學習系統結構。但國內一般都是先學計算機組成原理,后學系統結構的,所以,這些教材不太適合“中國國情”。

John L. Hennessy和avid A. Patterson編寫的《Computer Architecture::A Quantitative Approach》徹底改變了這種狀況。這兩個人是享譽全球計算機界的著名教授,他們在RISC研究方面取得了卓越的成績,其研究結果分別形成了MIPS和SPARC系統結構的基礎。十多年前,該書第一版一出現,就好評如潮。到去年為止,已經出了4個版本。這是一本在全世界有很大影響的教材,國外很多大學都選用它作為教材。在國外同類教材中,它是最權威、最有影響的一本。它對系統結構進行了深入、全面的闡述,并且在講述中采用了國際上流行的研究計算機系統結構的方法——量化方法。該書的內容充分反映了當前系統結構的主流發展,而且結構合理、內容新穎、可讀性好。我們多年的教學研究和實踐表明,采用量化方法的教學效果很好。

這本教材的第3版【Henn3】有1136頁,雖然內容豐富,但也太多、太全,難度偏大,我們認為直接作為本科生的教材是不合適的。而且該教材還有工程性太強、對有些經典的計算機系統結構內容沒有論述(如向量處理機,數據流計算機等)的不足。這本書的第4版【Henn4】雖然是最新版,但在編排上更像是研究生教材。所以,后面我們將主要以【Henn3】作為參考書,與國內的系統結構教材內容相結合,取長補短,設計“計算機系統結構”課程的內容體系。

3對國內系統結構教材內容的研究

3.1近五年來的主要教材

在計算機專業教材方面,國內最有影響的出版社有:清華大學出版社、高等教育出版社、電子工業出版社、機械工業出版社、科學出版社、人民郵電出版社等。在這些出版社的網站以及在中國互動出版網china-pub.com上,我們用“系統結構”和“體系結構”作為關鍵詞查詢,查出了這些出版社在近五年來(到2007年為止)出版的所有計算機系統結構教材情況如下:

(1) 清華大學出版社:4本。作者分別是鄭緯民、李學干、尹朝慶、周立等。

雖然鄭緯民的那本是1998年出的,但因為它是國內比較經典的一本計算機系統結構教材,所以,把它也列為研究的對象。李學干的那本也是比較經典的,是“十一五”國家級規劃教材。其前身是蘇東莊編寫的計算機系統結構教材。25年前筆者上大學時就使用過。

(2) 高等教育出版社:1本,作者是張晨曦等。這本書是“十五”國家級規劃教材。

(3) 電子工業出版社:2本,作者分別是陳建鐸和徐煒民等。徐煒民那本是“十五”國家級規劃教材。

(4) 機械工業出版社:1本,作者是田俊峰等。

(5) 科學出版社:1本,作者是白中英等。

(6) 人民郵電出版社:1本,作者是張先俊等。

這10本系統結構教材的詳細信息如下。

(1) 書名:計算機系統結構(第2版),作者:鄭緯民等,出版社:清華大學出版社,出版時間:1998年9月,頁數:731,簡稱:【鄭】。

(2) 書名:計算機系統的體系結構(“十一五”國家級規劃教材),作者:李學干,出版社:清華大學出版社,出版時間:2006年1月,頁數:333,簡稱:【李】。

(3) 書名:計算機系統結構教程,作者:尹朝慶,出版社:清華大學出版社,出版時間:2005年4月,頁數:292,簡稱:【尹】。

(4) 書名:計算機系統結構,作者:周立等,出版社:清華大學出版社,出版時間:2006年12月,頁數:259,簡稱:【周】。

(5) 書名:計算機體系結構(第2版)(“十五”國家級規劃教材),作者:張晨曦等,出版社:高等教育出版社,出版時間:2005年6月,頁數:328,簡稱:【張】。

(6) 書名:計算機系統結構(第2版)(“十五”國家級規劃教材),作者:徐煒民等,出版社:電子工業出版社,出版時間:2003年7月,頁數:274,簡稱:【徐】。

(7) 書名:計算機系統結構教程,作者:陳建鐸,出版社:電子工業出版社,出版時間:2006年2月,頁數:249,簡稱:【陳】。

(8) 書名:計算機系統結構,作者:田俊峰等,出版社:機械工業出版社,出版時間:2005年10月,頁數:274,簡稱:【田】。

(9) 書名:并行機體系結構(第二版),作者:白中英等,出版社:科學出版社,出版時間:2006年1月,頁數:200,簡稱:【白】。

(10) 書名:計算機系統結構,作者:張先俊等,出版社:人民郵電出版社,出版時間:2006年2月,頁數:292,簡稱:【張2】。

3.2教材內容對比分析和研究

我們購買了所有這些教材以及【Henn3】(簡稱為【H3】)和【Henn4】原版教材,對其內容進行了仔細的研究和比較,并作出了我們的選擇。

我們采用了以下選取原則:

(1) 重點選取已被現代計算機廣泛采用的比較成熟的結構、方法和技術等;

(2) 經典與現代相結合,理論與實用相結合;

(3) 強調采用量化分析方法,減少大量冗長的定性論述;

(4) 突出重點內容和核心思想,避免繁雜;

(5) 減少與先修課程的重復;

(6) 根據學科和專業的定位以及學時數來取舍。

首先是在知識模塊方面進行研究。我們找出了這些書的知識模塊的一個合集,其組成為:①計算機系統結構的基本概念;②指令系統結構的設計;③流水線技術;④向量處理機;⑤指令級并行的開發——硬件方法(新);⑥指令級并行的開發——軟件方法(新);⑦存儲系統(存儲層次);⑧輸入輸出系統;⑨互連網絡;⑩多處理機; 機群計算機(新); 陣列處理機(也稱并行處理機,SIMD計算機); 數據流計算機(經典); 知識庫機; 智能機; 歸約機; 數據庫機; 脈動陣列機; 相聯處理機。

其中①～④和⑦～⑩是大多數教材都有的,可以說它們是核心知識模塊。指令級并行是提高計算機性能的重要措施,目前的大多數微處理器都采用了這個技術,所以⑤和⑥也是比較重要的內容,特別是⑤,應該也選作核心知識模塊。

在高性能并行計算機中,機群是近年來發展勢頭最為強勁的一種結構。在全球高性能計算機500強(Top500)排名中,盡管到1997年6月才首次有機群結構的計算機進入該排名,但此后入選的機群系統的數量逐年穩步增加。到2003年11月,這一數字已達到208臺,機群首次成為Top500排名中比例最高的結構。截至2008年6月,已經連續10期位居榜首。機群已成為當今構建高性能計算機系統時最常用的結構。因此, 也應該選作核心知識模塊。

數據流計算機能夠充分開發程序中的并行性,曾被認為是具有很好前景的高度并行的新型計算機。雖然數據流計算機的研究尚未達到實用水平,但其核心思想具有很大的參考價值的。對于要求較高的系統結構課程來說,是應該包含的。

～ 是一些專用性太強的機器結構,并沒有得到廣泛的應用,大多數的教材也不包含這些內容,所以我們沒有選擇它們。

陣列處理機在計算機并行性的發展中有重要的地位,也屬于比較經典的內容。對于要求較高的系統結構課程來說,是應該包含的。

綜合考慮上述各知識模塊的重要性以及學時數,我們選擇出以下兩種方案。

方案A:48學時左右

①計算機系統結構的基本概念;②指令系統結構的設計;③流水線技術;④向量處理機;⑤指令級并行的開發——硬件方法(新);⑥存儲系統(存儲層次);⑦輸入輸出系統;⑧互連網絡;⑨多處理機;⑩機群計算機。

方案B:60學時左右

與方案A相比,增加了3個模塊:指令級并行的開發——軟件方法、陣列處理機、數據流計算機。

3.3部分教材的特色

(1)【鄭】共有731頁,內容豐富,是一本大而全的書。該書是國內很經典的一本系統結構教材,但對于本科生來說,內容太多、書太厚,作為系統結構參考書倒是非常好。該書第2版為1998年出版。

(2)【李】也是國內比較經典的一本系統結構教材。之所以稱它為經典,主要是因為其前身是蘇東莊編寫的系統結構教材。25年前我們上大學時就使用過。

(3)【白】是網絡版,只有200頁,但該教材框架清晰、重點突出、語言簡練。

(4)【張】借鑒了【H3】的講法和內容,內容比較新,但缺少數據流計算機等一些經典內容和機群計算機的內容。

(5)【徐】中有這樣一章:“分布計算環境結構”,這是所有上述教材中所沒有的。另外,該書的第二章為“計算機系統結構”,概述了系統結構的方方面面,這也是其他教材中所沒有的。

4課程內容體系

在上述對國內外系統結構教材進行分析和研究的基礎上,我們確定了系統結構課程的內容體系,如下所示。

第1章緒論

包含5節:引言,計算機系統結構的概念,計算機系統的性能評測,計算機系統結構的發展,并行性的發展。

第2章計算機指令系統的設計

包含5節:指令系統的分類,尋址方式,指令系統的功能設計(包括RISC和CISC),指令格式的優化設計,MIPS指令系統。

第3章流水線技術

包含6節:重疊執行和先行控制,流水線的基本概念,流水線的性能分析,非線性流水線的調度,流水線的相關與沖突,流水線的實現(以MIPS流水線為例)。

第4章向量處理機

包含5節:向量處理方式,向量處理機的結構,提高向量處理機性能的方法,向量處理機的性能評價,向量處理機實例(Cray-1,Cray Y-MP和C90)。

第5章指令級并行性及其開發——硬件方法

包含5節:指令級并行的概念,指令的動態調度(包括記分牌算法和Tomasulo算法),動態分支預測技術,基于硬件的前瞻執行,多指令流出技術(包括超標量、超長指令字、超流水技術)。

第6章指令級并行性的開發——軟件方法

包含6節:循環展開和基本指令調度,跨越基本塊的靜態指令調度,靜態多指令流出:VLIW技術,顯式指令并行執行EPIC,開發更多的指令級并行,實例:Intel Itanium 處理器。

第7章存儲器系統

包含8節:存儲器的層次結構,Cache的地址映象與地址變換,降低Cache失效率的方法,減少Cache失效開銷的方法,減少命中時間的方法(包括虛擬Cache等),并行主存,虛擬存儲器(簡單),存儲層次實例。

第8章輸入輸出系統

包含5節:I/O系統性能與CPU性能,I/O系統的可靠性、可用性和可信性,廉價磁盤冗余陣列RAID,通道處理機,I/O與操作系統。

第9章互連網絡

包含4節:互連網絡的基本概念(包括互連函數和互連網絡的特性參數),靜態互連網絡,動態互連網絡(包括互連網絡的例子),消息傳遞機制。

第10章多處理機

包含6節:引言,對稱式共享存儲器系統結構(包括監聽法多Cache一致性協議及其實現),分布式共享存儲器系統結構(包括目錄法多Cache一致性協議及其實現),同步,同時多線程,多處理機實例(Origin 2000, Sun T1)。

第11章機群計算機

包含7節:機群的基本概念和結構,機群的特點,機群的分類,機群的通信技術,并行程序設計環境,機群的負載平衡技術,機群系統實例(包括Berkeley NOW和IBM SP2)。

第12章陣列處理機

包含4節:陣列處理機的操作模型,陣列處理機的結構和特點,陣列處理機的并行算法,陣列處理機實例(包括ILLIAC Ⅳ和BSP)。

第13章數據流計算機

包含5節:數據流計算機的基本原理,數據流計算機模型,數據流程序圖和數據流語言,靜態數據流計算機結構,動態數據流計算機結構。

5教材

在上述工作的基礎上,我們編寫出版了以下兩本系統結構教材:

(1)《計算機系統結構教程》

由清華大學出版社于2009年5月出版。包含了上述13章的內容,63萬字。與下面高教出版社的教材相比,更適合于重點大學(48～64學時)。該教材的詳細信息見http://www.china-pub.com/45835&ref=ps。

(2)《計算機系統結構》

由高等教育出版社于2008年6月出版,45萬字。包含了上述13章中最重要的部分:計算機系統結構的基本概念,計算機指令集結構,流水線技術(含向量處理機),指令級并行,存儲系統,輸入/輸出系統,互連網絡,多處理機,機群計算機,共9章。與上面清華大學出版社的教材相比,該教材更適合于普通院校(36～48學時)。該教材的詳細信息見http://www.china-pub.com/208975&ref=ps。本課程的精品課程網站:www.GotoSchool.net。

參考文獻:

[1]John L. Hennessy, David A. Patterson. Computer Architecture:A Quantitative Approach[M]. 3rd Ed. San Mateo, CA: Morgan Kaufmann,2002.

[2] 鄭緯民,湯志忠. 計算機系統結構[M]. 2版. 北京:清華大學出版社,1998.

[3] 李學干. 計算機系統的體系結構[M]. 北京:清華大學出版社,2006.

Study of Contents of Computer Architecture Course

ZHANG Chen-xi1, WANG Zhi-ying2, LIU Yi1, SHEN Li2

(1. School of Software Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. School of Computer Science, National

University of Defense Technoloey, Changsha 410073, China)

Abstract: Computer Architecture is an important course of Computer Science. In this paper, a comparison is made of textbooks of computer architecture, and a selection of knowledge points is chosen, based on the situation of computer education in China.

Key words: computer architecture course; knowledge; education reformation