计算机组成原理：多核挑战与解决方案探索

"本课程是计算机科学与技术专业的核心课程，专注于计算机组成原理，旨在让学生理解计算机的基本结构和工作方式，以及如何设计和优化数字系统。课程内容涵盖运算器、控制器、存储系统、I/O设备等方面，通过学习，学生将具备解决硬件相关问题的能力，并为后续专业课程学习奠定基础。此外，课程还探讨了多核处理器在软件利用上的挑战，如操作系统和应用软件如何适应多核环境。" 在计算机科学中，"计算机组成原理"是一门基础且关键的课程，它深入解析了计算机硬件系统的运作机制。这门课程通常包括以下几个主要部分： 1. **计算机系统概论**（3学时）：介绍计算机的基本结构，包括冯·诺依曼体系结构，以及计算机的主要组成部分，如运算器、控制器、存储器、输入/输出设备等。 2. **逻辑部件**（5学时）：详细阐述逻辑门、组合逻辑和时序逻辑，这些都是构建计算机硬件的基础。 3. **运算方法和运算部件**（9+4学时）：讲解不同的运算方法，如算术运算和逻辑运算，以及这些运算在运算器中的实现。 4. **主存储器**（6+6学时）：讨论内存的类型、访问速度和容量，包括随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。 5. **指令系统**（5学时）：介绍指令集架构，包括指令格式、寻址模式和指令执行流程。 6. **中央处理器(CPU)**（10+10学时）：深入探讨CPU的设计，包括控制器和运算器的功能，以及微程序控制和硬布线控制。 7. **存储系统**（6学时）：涵盖高速缓存（Cache）的工作原理和虚拟存储器的概念，如何提高存储效率。 8. **辅助存储器**（2+4学时）：关注磁盘设备和其他非易失性存储设备的特性。 9. **输入输出(I/O)设备**（2学时）：讲解不同类型的输入和输出设备，以及它们如何与计算机交互。 10. **输入输出(I/O)系统**（3+6学时）：讨论I/O接口和总线，以及I/O操作的同步和异步机制。 课程教材方面，推荐使用《计算机组成原理（第三版）》（白中英主编，科学出版社）和《Computer Organization and Architecture, Designing for Performance》（William Stallings著，高等教育出版社）。同时，还有一些在线资源，如Stanford University的EE182课程和Cornell University的ECECS314课程，提供额外的学习材料。 面对多核处理器的挑战，课程提到了三种策略：将多核视为多个独立处理器，虽然简单但可能无法充分利用多核优势；采用虚拟化技术，牺牲性能来实现单一核视图；或者重新设计操作系统和编译器，但这需要定制化工作且无现成产品。对于软件开发者来说，理解和利用多核性能对计算型软件相对简单，但对于信息处理软件这类高度串行的应用，就需要更复杂的并行算法设计。 学习计算机组成原理不仅要求学生掌握基本理论，还需要培养他们解决复杂硬件问题的能力，以便在未来的职业生涯中能够有效地设计和优化计算机系统。