《计算机系统结构》课程教学大纲

计算机系统结构课程教学大纲一、课程基本信息课程代码: 课程名称：计算机系统结构英文名称：ComputerArchitecture课程类别: 专业课 学 时：72(其中实验18学时)学分: 3.5适用对象: 计算机科学与技术、网络工程专业考核方式：考试（其中平时成绩占30%，期末考试成绩占70%）先修课程：计算机组成原理、操作系统二、课程简介本课程是计算机专业一门重要的专业基础课，对于培养学生的抽象思维能力和自顶向下、系统地分析和解决问题的能力有非常重要的作用。其目标是使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计和分析方法，并对计算机系统结构的发展历史和现状有所了解。通过学习本课程，能把在“计算机组成原理”等课程中所学的软、硬件知识有机地结合起来，从而建立起计算机系统的完整概念。This course is a computer professional important foundation for the professional class, for training students in abstract thinking, and top-down, System analysis and the ability to solve problems is a very important role. The goal is to enable students to master computer system structure the basic concepts, basic principles and basic structure, basic design and analysis methods and computer system architecture and the history of the development of an understanding of the status quo. Through the study of this course, can in Principles of Computer Organization, y the school curriculum of the software and hardware knowledge combined organic, Computer systems in order to establish the integrity of the concept.三、课程性质与教学目的计算机系统结构的教学对象为计算机相关专业的高年级本科生专业技术基础课程，目的是介绍计算机体系结构的概念、技术和最新动态，着重介绍软，硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现软、硬件功能分配。要求了解基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法。使学生对计算机系统结构、组成和实现有一个整体掌握。四、教学内容及要求 第一单元 计算机系统结构的基本概念（一） 目的与要求1、掌握计算机系统的多级层次结构，掌握计算机体系结构、计算机组成与计算机实现的定义及三者之间的关系。理解透明性、虚拟机的概念。了解语言实现的两种基本技术。2、理解系列机和软件兼容的基本思想。3、了解计算机的分代和分型；了解应用需求和计算机实现技术的发展对体系结构的影响。4、掌握存储程序计算机在体系结构上的主要特点。了解对这种体系结构所作的改进。5、掌握同构型多处理机、异构型多处理机和分布处理系统的定义和异同点。6、了解计算机性能的若干定义。 知道估评计算机性能的测试程序。7、掌握计算机体系结构设计的三个基本原则 ，并能熟练应用Amdahl定律和CPU性能公式求解问题。 （二） 教学内容1 主要内容计算机系统结构（计算机系统结构层次、计算机系统结构定义、计算机组成与实现、计算机系统结构的分类）计算机系统设计技术（计算机系统设计的定量原理、计算机系统设计者的主要任务，计算机系统设计的主要方法）计算机系统结构的评价标准（性能、成本）2 基本概念和知识点计算机系统层次结构，系统结构、组成和实现三者之间关系，透明性，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS定义，MFLOPS定义，系统结构分类，冯.诺依曼计算机特征，计算机系统结构的发展，价格、应用、VLSI和算法对系统结构的影响。3 问题与应用（能力要求）要求学生掌握计算机系统层次结构、系统结构、组成与实现的定义、系统结构、组成与实现的三者关系、计算机系统结构的分类、计算机系统设计的定量原理、计算机系统结构的评价标准，为进一步深入学习后继各章打下基础。（三） 实践环节与课后练习实践环节：实验一：Linux基本命令练习；实验二：Linux基本命令及C语言编程环境练习；实验三：CPU性能测试实验；实验四：编译器对系统性能的影响实验。课后练习：布置一些关于计算机系统设计的定量原理和评价cpu性能的课后习题。（四） 教学方法与手段理论讲授、实验与课堂讨论相结合第二单元 指令与寻址（一）目的与要求 1、了解数据类型和数据表示。2、掌握指令集结构的各种分类方法。了解堆栈型指令集结构、累加器型指令集结构和通用寄存器型指令集结构的优缺点以及三种通用寄存器型指令集结构的优缺点。3、了解当前指令集结构中所使用的一些操作数寻址方式。通过对基准程序进行测试统计，了解各种寻址方式的使用情况。4、掌握指令集结构功能设计上的两种不同方向。掌握CISC计算机指令集功能设计的目标、CISC结构存在的缺点。掌握RISC计算机指令集结构的功能设计的目标与原则。5、了解各种控制指令的定义、四种改变控制流程的操作及三种表示分支条件的技术。6、掌握操作数类型与操作数表示的定义及表示方法，了解各种操作数类型、操作数类型大小。7、掌握指令中两种表示寻址方式的方法。8、了解DLX中的寄存器、数据类型、寻址方式和数据传送、指令格式及DLX中的操作。 （二）教学内容1主要内容数据表示（数据表示与数据类型、浮点数据表示、自定义数据表示）寻址技术（编址方式、编织单位、零地址空间个数、输入输出设备的非线性编址、并行存储器的编址技术）定位方式（逻辑地址与物理地址、直接定位方式、静态定位方式、动态定位方式）指令格式的优化设计（指令的组成、操作码的优化表示、地址码的优化表示、指令格式设计举例）指令系统的功能设计（基本指令系统、复杂指令系统、精简指令系统）2基本概念和知识点关于系统指令系统层的基本知识，包括数据表示、寻址技术、指令格式的优化设计、CISC指令系统和RISC指令系统等。RISC的定义与特点,减少指令平均执行周期数方法。指令流调整技术,延时转移技术指令取消技术,重叠寄存器窗口技术。3.问题与应用（能力要求）掌握指令集设计的原则，了解指令的分类、选择原则、指令的结构、操作数的寻址方式、指令长度对计算机系统的影响，掌握RISC计算机的设计思想。（三）实践环节与课后练习实践环节：实验一：熟悉WinDLX的使用；课后练习：布置一些关于计算定点和浮点数表示范围、设计浮点数格式、Huffman扩展编码法、分析和设计指令格式的课后习题。（五） 教学方法与手段以理论讲授为主结合实验及习题课。第三单元 存储系统（一）目的与要求1、理解多级存储层次的思想及其作用；掌握存储层次的三个性能参数的定义及计算方法。2、掌握“Cache主存”层次、“主存辅存”层次及其区别；理解存储层次的四个问题。3、掌握全相联映象、直接映象以及组相联映象的思想和特点；理解路数和组数的概念及其关系。4、掌握在各种映象规则的情况下Cache的查找方法。掌握随机法、先进先出、LRU 等替换算法。5、理解Cache对“写”操作的处理方法。6、掌握CPU时间的计算方法，并能灵活运用于实例进行分析计算。7、理解改进Cache性能的三个方面。8、掌握减少命中时间的三种方法及其基本思想。9、掌握提高主存性能的四种方法（增加存储器宽度、多体交叉存储器技术、独立存储体技术、避免存储体冲突）。10、理解虚拟存储器的特点及有关虚拟存储器的个问题；掌握快表的概念；了解页面大小的选择。 （二）教学内容1主要内容存储系统（存储系统的定义、存储器的层次结构、频带平衡、并行存储器）虚拟存储器（虚拟存储器工作原理、地址的映象与变换、加快内部地址变换的方法、页面替换算法及其实现、提高命中率的方法）高速缓冲存储器（基本工作原理、地址映象与变换方法、Cache替换算法及其实现、Cache的性能分析）三级存储系统（虚拟地址Cache、全Cache技术）2基本概念和知识点存储子系统的定义、原理和性能参数分析和设计，并行存储器原理和性能分析，高速缓冲存储器工作原理、地址映像和地址变换方法原理及其实现、数据块替换算法及其实现、数据一致性保持及其实现，虚拟存储器工作原理、地址映像和地址变换原理及其实现、页面替换算法及其实现，虚拟存储器和Cache存储器性能分析和设计方法，页面或数据块替换的进程足迹，三级存储系统工作原理。3.问题与应用（能力要求）掌握存储器的层次结构，学会分析如何利用局部性原理提高Cache/主存储器、主存/虚拟存储器的性能。不但掌握虚拟存储器和高速缓冲存储器的硬件原理，而且要掌握其分析方法和设计方法。（三）实践环节与课后练习实践环节：实验一：基于Cache的矩阵乘积算法性能改善实验；课后练习：布置一些关于计算存储系统的性能参数（容量、速度和价格）、并行存储器的分析和设计以及和页式、虚拟存储器相关的课后习题。（四）教学方法与手段以理论讲授为主结合分组讨论、实验及习题课。第四单元 输入输出系统（一）目的与要求1、掌握输入/输出系统的基本概念；了解与I/O有关的问题、设计I/O的三个标准。 2、了解磁盘的基本结构与性能公式；了解半导体盘、盘阵列RAID、磁带、光盘等各种存储设备。3、掌握总线的基本工作原理及其分类。了解总线的三个常用的参数、总线标准和实例。4、掌握通道处理机的定义。掌握通道的作用和功能、通道的工作过程、通道的种类以及通道的流量计算。5、了解I/O与计算机的连接方式以及由此引起的数据的一致性问题。6、了解设计I/O系统的步骤以及I/O对计算机性能的影响。 （二）教学内容1主要内容输入输出原理（输入输出系统的特点、输入输出系统的组织方式、基本输入输出方式）中断系统（中断源的组织、中断系统的软硬件功能分配、中断屏蔽）通道处理机（通道的作用和功能、通道的工作过程、通道种类、通道中的数据传送过程、通道的流量分析）输入输出处理机（输入输出处理机的作用、输入输出处理机的种类、输入输出处理机的特点）2基本概念和知识点输入输出原理、输入输出系统的组织方式、中断系统、通道处理机、输入输出处理机。3.问题与应用（能力要求）要求学生掌握输入输出原理、中断系统、通道处理机和输入输出处理机。（三）课后练习布置一些和中断屏蔽及通道有关的课后习题。（四）教学方法与手段以理论讲授为主结合习题课。第五单元 标量处理机（一）目的与要求1、掌握多条指令在处理机中的重叠执行方式。2、掌握先行控制方式的原理和结构。3、掌握各种数据相关的解决办法。4、了解控制相关的解决办法5、领会流水方式的工作原理。6、了解从不同角度对流水线的分类和定义。7、掌握有关流水线时空图的画法。8、能够计算出流水线的最大吞吐率，及解具体题目所达到的实际吞吐率，效率和加速比。9、领会非线性流水线的调度技术。10、领会局部相关和全局相关。 （二）教学内容1主要内容先行控制技术（指令的重叠执行方式、先行控制方式的原理和结构、数据相关、控制相关）流水线处理机（流水线工作原理、流水线的分类、线性流水线的性能分析、非线性流水线的调度技术、局部相关、全局相关）超标量处理机与超流水线处理机（超标量处理机、超流水线处理机、超标量超流水线处理机）2基本概念和知识点指令重叠执行分析，先行控制方式的原理、结构和性能分析，先行控制技术中数据相关和控制相关等各种相关性的分析和处理，流水线的工作原理、性能分析，时空图在线性流水线和非线性流水线性能分析中的应用，非线性流水线中的各种调度技术分析和原理，非线性流水线中局部相关和全局相关的分析和处理。各种情况下流水线性能及其时空图分析，超标量和超流水线处理机性能分析及其中资源冲突分析处理，超标量和超流水线中存储器结构和存储方式的设计，各种流水线处理机性能的优化设计。3.问题与应用（能力要求）要求学生掌握流水线技术，如：先行控制技术、流水线原理、流水线性能分析、非线性流水线的调度方法、局部数据相关和全局数据相关的处理方法。（三）实践环节与课后练习实践环节：实验一：DLX流水线结构相关；实验二：DLX流水线数据相关；实验三：DLX流水线指令调度；课后练习：布置一些和计算流水线的吞吐率、加速比、效率，画流水线的时空图及设计流水线的课后习题。（四）教学方法与手段以理论讲授为主结合分组讨论、实验及习题课。第六单元 向量处理机（一）目的与要求1了解向量处理的基本概念、一般的向量处理机。2掌握提高向量处理机性能的常用技术、向量处理机的性能评价。 （二）教学内容1主要内容向量处理的基本概念、向量处理机的结构、向量处理机的存取模式和数据结构、提高向量处理机性能的方法、向量处理机的性能评价2基本概念和知识点向量处理的基本概念，三种向量处理方式，向量计算机中的存储器结构：存储器-存储器结构、寄存器-寄存器结构，向量处理机的存取模式和数据结构，向量处理机中的新技术：稀疏矩阵处理技