高等計算機系統結構

研究生課程教學大綱、教學周曆

課程序号：                                      院（系）：計算機系

一、教學目标和要求：

并行計算的性能與并行算法的并行性和計算機系統的并行處理能力有很大關系；如何開發計算機系統軟、硬件的并行性,以适應并行計算的性能需求和規模需求是當今計算機系統的研究熱點。

《高等計算機系統結構》主要是在微型計算機結構的基礎上，分析并行計算機體系結構，讨論系統性能的評測及其可擴展性，以期在系統資源增長時使機器性能按比例增長。主要内容有并行計算機模型與體系結構、性能評測方法、編程模型與通信模型、互連與通信技術、共享存儲與Cache一緻性、分布存儲與可擴展性等。

通過本課程的學習，希望學生能夠從并行計算機模型、并行程序編程模型、可擴展性原理等基礎理論出發，掌握并行計算機的結構原理、組成技術、互連與通信技術，為并行算法研究和并行程序設計打下堅實的基礎。

二、教學大綱（含章節目錄）：

本課程主要介紹并行計算機系統的理論、結構與技術。主要内容包括并行計算機模型與體系結構、編程模型與通信系統、共享存儲與Cache一緻性、分布存儲與可擴展性、互連網絡、通信時延包容等。

    具體章節内容如下：

第一章  系統結構設計基礎

    第一節 計算機系統結構概念

    第二節  系統設計的定量原理

    第三節  計算機系統性能評價

    第四節  系統結構中并行性的發展

 第二章  微處理器結構與技術

    第一節  微處理器結構

    第二節  存儲系統

    第三節  标量流水技術

    第四節  指令級并行技術

 第三章  并行計算機體系結構

    第一節  并行計算機系統簡介

    第二節  并行計算機體系結構

    第三節  可擴展設計原理

 第四章  性能評測

    第一節  引言

    第二節  機器級性能評測

    第三節  算法級性能評測

    第四節  程序級性能評測

    第五節  如何提高性能

 第五章  互連網絡

    第一節  互連網絡基本結構

    第二節  網絡拓撲結構

    第三節  網絡路由算法

    第四節  交換機的設計

 第六章  共享存儲多處理機

    第一節  共享存儲多處理機

    第二節  基于監聽的Cache一緻性協議

    第三節  基于監聽的Cache一緻性實現

    第四節  同步操作的設計與實現

 第七章  分布共享存儲多處理機

    第一節  分布存儲與可擴展性

    第二節  編程模型的實現

    第三節  通信輔助部件的實現

    第四節  Cache一緻性的實現

    第五節  放松的存儲一緻性模型

    第六節  時延包容技術

 第八章  機群系統

    第一節  機群化體系結構

    第二節  單一系統映像

    第三節  作業管理

    第四節  并行文件系統

    第五節  實例分析

三、教學周曆：

四、主講教師簡介：

    任國林，男，1965年5月出生，1986年畢業于bet356手机版唯一官网計算機科學與工程系，并留校任教，現在計算機科學與工程系系統結構教研組，副教授。主要從事計算機體系結構、嵌入式系統及其應用、控制系統及其應用、多媒體壓縮與傳輸技術等方面的研究。主講過《計算機系統結構》等10餘門課程，發表論文10餘篇，主持和參與科研項目10多項。

五、任課教師信息（包括主講教師）：

GraduateCourse Syllabus

Course Serial Number：            School(orDepartment)：Computer Science& Engineering

I.  Teaching Goals andRequirements:

Performance of parallel computing hasstrong relation with parallelism of parallel arithmetic, and parallel process capabilityof parallel computer. How to exploit parallelism of software and hardware forcomputer, has become hotspot of modern computer system research, in order toadapt to performance requirement and machine size requirement with parallelcomputing.

Based on micro-computer architecture model,this course analyze mainly parallel computer architecture, discusses its evaluations of system performance and scalability, inorder to increase the rate of capability with the increasing of systemresource. The main contents include parallel computer model and architecture, evaluating method of performance, programming modeland communication model, interconnect and communication techniques, sharedmemory and Cache coherence, distributed memoryand scalability etc.

By learning the course, students can comprehendthe basic theory of parallel computer model, parallel programming model,principles of scalable etc., grasp the architecture, organization technology,interconnect and communication techniques of parallel computer, establish solidfundamentals in parallel arithmetic researching and parallel programming.

II. Teaching Syllabus (chapters, including sections) 

The Courses mainly introduce the theory,architecture and technique of parallelcomputer. The contents include parallel computer model and architecture,programming model and communication model, shared-memory and Cache Coherence, distributedmemory and scalabilities, interconnect network, communication latency tolerance etc.

The outline of chapter and section isas follows:

    Chapter 1  Design Foundations of Architecture

1.1Conceptions of Computer Architecture

1.2 RationPrinciples of System Design

1.3Evaluations of Performance for Computer System

1.4 Evolutionof Architecture Parallelism

    Chapter 2  Microprocessor Architectures andTechniques

       2.1Microprocessor Architectures

       2.2 MemorySystems

       2.3 Scalarand Pipeline Techniques

       2.4Parallel Techniques of Instruction Level

    Chapter 3  Parallel Computer Architectures

       3.1Parallel Computer Introduction

       3.2Parallel Computer Architectures

       3.3Principles of Scalability Design

    Chapter 4  Evaluations of Performance

       4.1Introduction

       4.2 Evaluationsof Performance for Machine Level

       4.3 Evaluationsof Performance for Arithmetic Level

       4.4 Evaluationsof Performance for Program Level

       4.5 How toAdvance Performance

    Chapter 5  Interconnection Networks

       5.1 BasicOrganizations of Interconnection Networks

       5.2Topologies of Networks

       5.3Routing Arithmetic of Networks

       5.4 Designof Switches

    Chapter 6  Shared-Memory Multiprocessors

       6.1Shared-Memory Multiprocessors

       6.2Snoopy-Based Cache Coherence Protocols

       6.3Snoopy-Based Cache Coherence Implementations

       6.4Designs and Implementations of Synchronous Operation

    Chapter 7  Distributed-Shared-MemoryMultiprocessors

       7.1Distributed-Memory and Scalabilities

       7.2 Implementationsof Programming Model

       7.3Implementations of Communication assists

       7.4Implementations of Cache Coherence

       7.5 Relaxed Memory Consistency Models

       7.6Latency tolerance Techniques

    Chapter 8  Computer Clusters

       8.1 Cluster Architectures

       8.2Single-System image

       8.3 TaskManagement

       8.4Parallel File System

       8.5Examples Analysis

III. Teaching Calendar：

Note: The teaching calendar is not compulsorytemporarily for speciality courses for doctor degree.

IV. Resumeof the Chief Lecturer：

Ren Guolin, Male, born in May 1965, graduatedfrom computer science and engineering department, Southeast University at1986. From then on, he engages teaching and researching in here. Now, he isworking in section computer architecture qua associate professor. He’s interestis on researching of computer architecture, embedded system and its application,control system and its application, multimedia compression and transmissiontechnology, etc. He has lectured more than 10 courses concerned computer architecture,authored more than 10 papers. He has completed more than 10 projects.

注2：新開課程請填寫以上英文教學大綱，該内容将在英文網頁上刊登。