新生“科学与社会” 研讨班 周学海 2015-11-12 主要内容 课程安排 研究 ...

课程安排; 研究方法简介; 计算机系统的基本概念; 计算机系统结构发展中的重要思想 .... 计算机体系结构、组织、实现 ... 智能手机,平板电脑; >10亿台/年; 基于ARM处理器的SoC,附加大量定制的加速器以支持音频、视频、图像、图形、加解密等处理 ...
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1.新生“科学与社会” 研讨班 周 学海 2015-11-12

2.主要内容 课程安排 研究方法简介 计算机系统的基本概念 计算机系统结构发展中的重要思想 计算机科学中的重要思想 ……

3.课程安排( 1 ) 目标: 有效 引导学生顺利完成从中学到大学的转变,并帮助学生树立正确的目标和方向 。 实施方法: 通过导师指导下的 小班课程讨论和专题调研 ,培养学生独立思考判断与团队协作能力,有效促进学生知识与能力的培养、人格与素质的养成 。 学生 组成研究小组选择研究主题; 考核办法: 提交 1 份 研究报告 ,班 内答辩,导师给出学生 成绩

4.课程安排( 2 ) 研讨班主题: Great Ideas in Computer Science 自由组合: 3 人 / 组, 共 5 组 选择研讨的主题 要求围绕研讨班主题 上课次数: 1 次 /2 周, 2 课时 / 次 学习方式:小组自学 + 上课研讨 上课方式:以学生报告为主

5.上课具体安排 第 1 次:简介 (2015-11-12) 简介课程安排 研究方法简介 布置 分组、确定联系人 第 2 次:计算机系统简介 (2015-11-26) 计算机系统基本概念 Great Ideas in Computer Architecture 确定分组、小组负责人 第 (3 、 4 ) 次:选题讨论 ( 2015-12-17, 24) 2015-12-24 完成开题,给出开题报告 第 (5 、 6) 次研究进展报告 (下学期) 第 (7 、 8) 次研究报告总结(下学期)

6.研究方法 科学方法: Do { (1) Define hypothesis; (2) design experiments; (3) validate } Until validation is OK 基本准则: 除非经过完全的验证,不要轻易相信结论 基本方法 在给出最终的结论前 给出对结论试探性的描述 努力设计实验推翻该结论 基本要素: 描述结论的准确性 实验的可重复性

7.基本流程

8.基本流程:大量阅读 Computer Science 的分类: AI, Programming, System, Theory. System: OS, Architecture, Network etc. 参考文献的来源:各类国际会议与期刊 Google 学术搜索: https ://scholar.google.com/?hl=zh-CN 图书馆资源 : Web of Science 重点关注的数据源: ACM 数字图书馆: http://dl.acm.org/ IEEE X plore 数字图书馆: http ://ieeexplore.ieee.org/Xplore/home.jsp DBLP : http://dblp.uni-trier.de/db / 8

9.基本流程:选择研究主题 试图发现感兴趣的问题 / 主题 必须对要研究的问题有兴趣、有激情 该问题具有一定的先进性和可持续性 与合作者的研究方向基本一致,愿意与你合作开展研究 试图明白如何说明所研究问题的重要性和可行性 能自己说清楚要研究问题的重要性 能说服合作者 能说服各类评审委员会(开题、答辩) …… 9

10.基本流程:开展研究 - The Idea 试图回答以下问题 What is the main contribution? Why is it different from previous works? 充分的阅读是回答上述问题的基础 10

11.基本流程:问题的形式化描述 问题定义 : 尽可能用数学的语言描述所要研究的问题 搞 清楚为什么解决该问题是非常重要 的 不要 急于试图给出解决方案 系统模型假设 : 定义约束条件和相关假设 只有 给出明确的问题定义和环境定义,后面给出的解决方案才是有效的 描述解决方案 : Algorithm, ,Mechanism, Protocol 选择合适的抽象级别,首先给出解决方案的直观描述(定性描述) 使用伪代码表达 形式化解决方案 : Operation: 给出解决方案的精确描述 Proofs: 试图证明解决方案的正确性 Metrics: 设计原型系统或模拟实验是证明正确性的途径之一 , 给出量化评估的指标 11

12.基本流程: 方案实现 如果需要具体实现,首先试图在已有工作的基础上修改。包括:开源系统或实验室已有工作 优点: 许多代码是已经经过了测试 已经有了可比较的 baseline 更容易得到评审者的认可 缺点: 相对于自己构造的测试用例或原型,代码可能更复杂。 代码可能并没有达到的你的预期 12

13.基本流程:评估解决方案 注意事项 Being too smart: 仅仅评估所提出解决方案的优点,而忽略其负面因素 Being too critic: 过分评价、讨论、强调所提出解决方案的劣势,极力说明解决方案不是最好的。 常见问题 实验目标不清,对评价指标要回答的问题不清楚 实验方法不具体,没有给出足够的细节,导致实验是无法重复的 实验参数和负载不说明 缺乏与已有工作的比较 实验分析不充分 13

14.研究方法小结 科学研究是一个反复学习的过程 好记性不如烂笔头。 用 PPT 记录自己的研究过程,它是大家互相交流的基础。 用论文精确记录形成的结果。 随着研究的深入,不断充实、完善 PPT 。 通过自己的思考、讨论、实践不断扩展论文 笔记 结果: PPT 内容可用于开题报告答辩、会议报告、学位论文答辩 形成小论文和学位论文 14

15.15

16.参考文献 http://web.stanford.edu/class/cs54n / A. M. TURING , ON COMPUTABLE NUMBERS, WITH AN APPLICATION TO THE ENTSCHEIDUNGSPROBLEM , J. of Math, 1936 。 https ://people.cs.umass.edu/~ immerman/cs601/TuringPaper1936.pdf N. METROPOLIS; /. HOWLETT; GIAN-CARLO ROTA, A History of Computing in the Twentieth Century : A collection of essays with introductory essay and indexes , ACADEMIC PRESS, INC . Brian Randell , The Origins of Digital Computers Selected Papers ( Third Edition), Springer- Verlag Berlin Heidelberg New York 1982 ……

17.17

18.计算机系统的基本概念 计算机基本功能和结构 基本行为 顶层基本结构 CPU 基本结构 控制单元基本结构 计算系统新的形态

19.2015/11/27 中国科学技术大学 19 计算机基本功能和结构 包括 : 数据处理 数据存储 数据传送 控制

20.2015/11/27 中国科学技术大学 20 基本行为 Data Movement Data Storage Processing from/to storage Processing from Storage to I/O

21.顶层基本结构 Computer Main Memory Input Output Systems Interconnection Peripherals Communication lines Central Processing Unit Computer 2015/11/27 中国科学技术大学 21

22.CPU 基本结构 Computer Arithmetic and Login Unit Control Unit Internal CPU Interconnection Registers CPU I/O Memory System Bus CPU 2015/11/27 中国科学技术大学 22

23.控制单元基本结构 CPU Control Memory Control Unit Registers and Decoders Sequencing Logic Control Unit ALU Registers Internal Bus Control Unit 2015/11/27 中国科学技术大学 23

24.24 ENIAC vs.EDSAC EDSAC, University of Cambridge, UK, 1949 2015/11/27 中国科学技术大学

25.2015/11/27 中国科学技术大学 25 计算系统新的形态 Scalable, Reliable, Secure Services MEMS for Sensor Nets Internet Connectivity Clusters Massive Cluster Gigabit Ethernet Databases Information Collection Remote Storage Online Games Commerce … The world is a large parallel system Microprocessors in everything Vast infrastructure behind them Robots Routers Cars Sensor Nets Refrigerators

26.个人移动设备( PMD ) 2015/11/27 中国科学技术大学 26

27.2015/11/27 中国科学技术大学 27 仓储级计算机 Data Center

28.过去的计算机系统分层结构 2015/11/27 中国科学技术大学 28 I/O system Processor Compiler Operating System (Mac OSX) Application (ex: browser) Digital Design Circuit Design Instruction Set Architecture Datapath & Control transistors Memory Hardware Software Assembler 计算机体系结构、组织、实现

29.Core Core … Memory Input/Output Computer 现代计算机系统结构 请求级并行 Assigned to computer e.g., Search “Katz” 线程级并行 Assigned to core e.g., Lookup, Ads 指令级并行 >1 instruction @ one time e.g., 5 pipelined instructions 数据级并行 >1 data item @ one time e.g., Add of 4 pairs of words 逻辑门级并行 All gates functioning in parallel at same time 2015/11/27 29 Smart Phone Warehouse Scale Computer Software Hardware 在不同层次 充分利用 并行技术 提高性能 Logic Gates Cache Memory Core Instruction Unit(s) Functional Unit(s ) A 3 +B 3 A 2 +B 2 A 1 +B 1 A 0 +B 0 中国科学技术大学