计算机系统结构教学大纲

《计算机系统结构》课程教学大纲一、课程基本状况中文名称：计算机系统结构英文名称：ComputerArchitecture课程号：0920072授课对象：计算机科学与技术专业本科生开课学期：秋学时数：40学分数：2.5课程性质：必修专业课考核方式：考试先修课程：数字规律与设计、计算机组成原理后续课程：无开课教研室：计算机科学与技术教研室执笔人：张沛露二、课程教学目标.任务和地位计算机系统结构课程是计算机科学与技术专业的一门必修的专业课，是重要硬件理论课。这门课程的主要任务是能使同学能系统地把握计算机系统结构的概念、基本理论、基本结构和分析方法，为同学今后从事计算机系统的理论讨论及工程设计做好理论和技术上的预备。.学问要求耍求同学通过学习本课程能够把握如下内容：计算机体系结构的概念和分类、计算机体系结构和现代计算机技术的关联、计算机体系结构的主要内容及其设计方法、计算机体系结构的评价标准、高性能计算机系统的进展趋势。.力量要求使同学了解简单计算机系统的硬件结构和原理，到达对计算机的工作过程的原理特别清晰，能够分析计算机的性能。三、教学内容的基本要求和学时安排.教学内容及要求（1）计算机系统结构概论把握计算机系统的多级层次结构，理解计算机系统结构、组成与实现，理解软硬取舍、计算机系统的设计方法，了解软件、应用、器件对系统结构的影响，把握系统结构中并行性的进展及计算机系统的分类。（2）数据表示、寻址方式与指令系统理解数据表示与数据结构的关系，了解指令系统中不同的寻址方式的优缺点，娴熟把握等长编码、哈夫曼编码和扩展操作码的编码方法，领悟并沿着增加指令功能的途径，分别按三种不同的面对的优化实现，了解CISC的问题和RISC的优点，能概述出设计RISC机器的一般原那么。（3）存储、中断、总线与输入输出系统领悟存储系统的基本要求，了解并行主存系统的各种组织形式；领悟在高性能多用户的计算机系统中，I/O系统应是面对操作系统来设计的概念。了解I/O系统的三种方式和I/O处理机的两种形式，了解专用和非专用总线的定义、优缺点及适用的场合；领悟非专用总线3种总线掌握方式的总线安排过程、优缺点、输出掌握总线线数；领悟总线分别采纳同步和异步通信方式的通信过程、优缺点及适用场合；领悟数据宽度的定义及它与数据通路宽度定义的区分，五种数据宽度的适用场合；了解在满意性能和流量设计要求的前提下，可实行削减总线线数的方法，领悟为什么要将中断源分成不同的类和级；分成几类和几级；了解设置中断级屏蔽位的作用，能正确画动身生多种中断级恳求时，CPU执行程序时的状态转移过程示意图，了解通道处理机进行输入输出工作的全过程及通道处理机的工作原理；把握字节多路、数组多路和选择三类通道各自采纳的数据宽度是什么；能画出通道处理机响应和处理完各外设恳求的时间空间示意图。（4）存储体系领悟存储体系及其分支；理解段式、页式、页段页式三种不同的虚拟存储管理方式的工作原理；把握其地址映象规章、映象表机构、虚实地址变换过程及各自的优点和问题，给出段式虚拟存储器的虚实地址映象表内容，能由程序虚地址推断出是否发生段失效、页失效或保护失效。假如没有段、页失效，能够计算出主存的实地址；熟识页式虚拟存储器的虚实地址字段对应关系和地址映象规章，会由虚地址查映象表推断出是否发生页失效，如无页失效时，会计算出实主存地址，娴熟把握在页式虚拟存储器中，通过给出安排程序的实页数、程序页地址流，分别采纳FIFO、LRU、OPT法，模拟页面替换时的程序页面装入和替换的过程,并能计算出页命中率，把握LRU替换算法的堆栈模拟过程，领悟在虚拟存储器中对页面失效的处理及内部地址映象表中的快慢表机构，了解Cache存储器的组成、工作原理，并能与虚拟存储器进行对应的比拟把握Cache存储器中的全相联、直接相联、组相联等三种地址映象规章，相应的映象表机构和虚、实地址变换过程,理解为解决Cache存储器透亮性问题所提出的各种算法及为提高Cache块命中率的各种预取算法。（5）流水和指令级高级并行的超级机领悟重叠方式的工作原理，采纳重叠方式工作时，对计算机在组成设计上的要求，“一次重叠”方式的定义及好处；把握在“一次重叠”方式工作的机器上，对有关条件转移指令与其后续指令之间的相关、指令相关、主存操作数相关、通用寄存器组的数相关、通用寄存器组的变（基）址值相关等的定义与各自的处理方法；领悟设置相关专用通路的目的及其适用的场合；在给出了指令之间各种微操作时间重叠关系的要求之后，能够娴熟地计算出连续执行完N条指令所需要花费的全部时间，领悟流水方式的工作原理。了解从不同角度上对流水线的分类和定义；娴熟把握有关流水线时空图的画法；在给出的流水线上，能够计算出流水的最大吞吐率，及解详细题目所到达的实际吞吐率、效率和加速比；把握为消退流水线速度性能瓶颈可采纳两种不同途径的时空图画法，吞吐率和效率的计算；在双功能静态流水线上，依据给出的详细计算式，能调整其操作的流入挨次；在满意尽可能高的性能条件下，画出执行此计算式相应的流水时空图；计算出此时的实际吞吐、效率和加速比，把握流水机器对局部性相关的处理方法；熟识流水线在异步流淌时，指令之间发生先写后读、先读后写、写一写相关的定义；能综述出在标量流水机上，处理局部性相关和全局性相关时，为提高其吞吐率和效率可采纳的各种方法。.时间安排和进度（1）计算机系统结构的基本概念4学时(2)数据表示与指令系统10学时(3)总线、中断与输入输出系统6学时(4)存贮体系10学时(5)重叠、流水和向量处理机10学时.教学内容的重点、难点重点：计算机系统结构、计算机组成、计算机实现三者的定义及所包含的内容；有关透亮性问题的推断；软件和硬件的功能安排原那么；软件可移植的途径、方法、适用场合、存在问题和对策；有关并行性的概念；系统结构中开发并行性的途径；自定义数据表示；浮点数尾数的基值选择；数的下溢处理方法；寻址方式中的再定位技术；信息在存储器中按整数边界存储的概念；操作码和指令字格式的优化；CISC指令系统的改进途径；RISC概念及所采纳的基本技术；非专用总路线的总路线掌握方式；数据宽度及其分类；中断为什么要分类和分级；中断处理次序的支配和实现；通道流量的分析和设计；如何按中断处理优先次序的要求，设置各中断处理程序中中断级屏蔽位的状态，正确画出中断处理过程的示意图；通道的流量设计；画出字节多路通道响应和处理完各外部设施恳求的时空图；段页式和页式虚拟存储器工作原理；页式虚拟存储器的地址映象；LRU、FIFO、OPT替换算法；用LRU替换算法对页地址流的堆栈处理模拟及性能分析；Cache存储器的性能分析；一次重叠中的各种相关关系的处理；流水线的时空图和性能分析；流水的局部性相关处理、全局性相关的处理和对中断的处理；单功能非线性流水线的调度。难点：透亮性的推断与分析；浮点数尾数基值的选择；操作码和指令字格式的优化设计；页式和段式虚拟存储器中，虚、实地址的计算；各种页面替换算法和命中率的计算；Cache组相联映象和快速替换算法的模拟；了解指令间微操作的时间重叠关系要求，算出全部指令完成所需要的时间，给出数学计算式；在双功能流水线上，如何操作其流入的挨次，画出此时的流水线时空图，并计算出吞吐率、效率和加速比；为消退流水线速度性能瓶颈所实行的措施及相应的流水线时空图的画法。.本课程与其它课程的联系与分工本课程与《计算机组成原理》联系较大，在组成原理学问基础之上讲解系统结构的设计及分析方法，讲解时要留意在对原有学问复习的基础上，讲解新的内容。.建议使用教材和参考书目使用教材：《计算机系统结构》李学干编西安电子科技高校出版社参考书目：《计算机系统结构》郑伟民、汤士忠编著清华高校出版社《计算机系统结构学习指导与题解》李学干编著西安电子科技高校出版社四、大纲说明.本课程应在“数字规律与设计”、“计算机组成原理”、“程序设计语言”等课程之后开设。同学最好有“数据结构”方面的学问，可在“操作系统”、“编译原埋”