《计算机系统结构》课程教学大纲

《计算机系统结构》教学大纲一、课程基本信息课程名称计算机系统结构ComputerSystemStructure课程编码CST420821030开课院部计算机科学与技术学院课程团队计算机组成原理教学团队学分3.0课内学时52讲授40实验12上机0实践0课外学时0适用专业计算机科学与技术授课语言中文先修课程数字逻辑电路、数据结构与算法、计算机组成原理、计算机操作系统、编译原理课程简介（限选）本课程是计算机科学与技术专业一门重要的专业课程，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。教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。挖掘和整理我国在超级计算机上的发明与创新，让学生了解并行计算领域的发展状况。讲解国产CPU现状，培养学生精益求精、忧国忧民的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。通过本课程的学习，要求学生能够掌握计算机系统结构的分析和设计方法，同时掌握最新的计算机流水技术和并行处理技术，包括：1．掌握计算机系统结构的基本概念、组成部分及设计原则；2．掌握计算机系统结构各组成部分的分析、设计原则和方法；3．掌握现代微机所采用的流水技术工作原理和实现方法；4．掌握计算机并行处理技术和并行程序设计方法；Thiscourseisanimportantprofessionalcourseforcomputerscienceandtechnologymajors,whichplaysanimportantroleincultivatingstudents'abstractthinkingabilityandtop-down,systematicanalysisandproblem-solvingability.Itsgoalistoenablestudentstomasterthebasicconcepts,basicprinciples,basicstructure,basicdesignandanalysismethodsofcomputersystemstructure,andtounderstandthedevelopmenthistoryandcurrentsituationofcomputersystemstructure.Throughlearningthiscourse,thesoftwareandhardwareknowledgelearnedinthecoursessuchas"computercompositionprinciple"canbeorganicallycombined,thusestablishingacompleteconceptofcomputersystem.Inteaching,theeducationofMarxiststandpointandmethodiscombinedwiththecultivationofscientificspirittoimprovestudents'abilitytocorrectlyunderstand,analyzeandsolveproblems.Miningandsortingouttheinventionsandinnovationsofsupercomputersinourcountry,sothatstudentscanunderstandthedevelopmentofparallelcomputing.ExplainthecurrentsituationofdomesticCPU,cultivatestudents'spiritofgreatcountrycraftsmenwhokeepimprovingandworryaboutthecountryandthepeople,andstimulatestudents'feelingsandmissionofreportingtothecountrythroughscienceandtechnology.Throughthestudyofthiscourse,studentsarerequiredtomastertheanalysisanddesignmethodsofcomputersystemstructure,andatthesametimemasterthelatestcomputerpipeliningtechnologyandparallelprocessingtechnology,including:1.Masterthebasicconcepts,componentsanddesignprinciplesofcomputersystemstructure;2.Mastertheanalysis,designprinciplesandmethodsofeachcomponentofthecomputersystemstructure;3.Mastertheworkingprincipleandimplementationmethodofrunningwatertechnologyadoptedbymodernmicrocomputers;4.Mastercomputerparallelprocessingtechnologyandparallelprogrammingmethods;负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：计算机系统的层次结构观点出发，掌握如何分析和设计计算机系统，并对计算机系统软、硬件功能进行合理分配，以及如何最佳地实现分配给硬件的功能，达到最佳性能/价格。是1.21.22M2目标2：从并行处理角度出发，研究流水技术和并行处理技术在计算机系统中的应用和实现方法，对特定需求完成计算机软、硬件系统或相关模块的设计与实现。培养学生忧国忧民的科技工作者精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，培养学生团队合作、顽强拼搏、尊重对手、尊重规则、不惧失败等高尚品德。是12.212.2三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第1章第1章计算机系统结构基础及并行性的开发本章重点难点：计算机系统的多级层次结构，计算机系统结构、计算机组成与计算机实现的定义及三者之间的关系。透明性、虚拟机的概念。计算机系统结构设计的基本原则。计算机体系设计原则如同国家制度，鞋子合不合脚，自己穿着才知道。一个国家的发展道路合不合适，只有这个国家的人民才最有发言权。////21.11.1计算机系统的多级层次结构从使用语言的角度理解计算机软硬件组成。M12讲授//31.21.2计算机系统结构、计算机组成和计算机实现计算机系统结构的定义和内涵，计算机组成和计算机实现的定义及内涵，计算机系统结构、组成和实现的相互影响。M12讲授//41.31.3计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理软、硬件取舍的基本原则，计算机系统的性能评测及定量设计原理，计算机系统设计的主要任务和方法。M12讲授//51.41.4软件、应用、器件的发展对系统结构的影响软件的发展对系统结构的影响，应用的发展对系统结构的影响，器件的发展对系统结构的影响。M12讲授、讨论//61.51.5系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类并行性的概念和开发，计算机系统的分类。M12讲授//7第2章第2章数据表示、寻址方式与指令系统本章重点难点：操作数类型与操作数表示的定义及表示方法，各种操作数类型、操作数类型大小。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。RISC计算机的设计思想。////82.12.1数据表示数据表示与数据结构，高级数据表示，引人数据表示的原则，浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择。M11讲授//92.22.2寻址方式寻址方式的三种面向，寻址方式在指令中的指明，程序在主存中的定位技术，物理主存中信息的存储分布。M12讲授//102.32.3指令系统的设计和优化指令系统设计的基本原则，指令操作码的优化，指令字格式的优化。M1,M22讲授//112.42.4指令系统的发展和改进两种途径和方向(cisc和risc)，按cisc方向发展和改进指令系统，按risc方向发展和改进指令系统。通过CISC和RISC引出当今不同指令CPU，进而讨论我国CPU发展，重点讲解神威CPU、龙芯CUP等，从而激发学生为建设科技强国的强烈责任感。M1,M21讲授、讨论//12第3章第3章存储、中断、总线与输入、输出系统本章重点难点：磁盘阵列RAID、等各种存储设备。总线的基本工作原理及其分类。通道工作原理、通道类型与流量的分析。////133.13.1存储系统的基本要求和并行主存系统存储系统的基本要求，并行主存系统。M11讲授//143.23.2中断系统中断的分类和分级，中断的响应次序与处理次序，中断系统的软、硬件功能分配。M1,M21讲授//153.33.3总线系统总线的分类，总线的控制方式，总线的通信技术，数据宽度与总线线数。M1,M21讲授//163.43.4输入、输出系统输入、输出系统概述，通道处理机的工作原理和流量设计，外围处理机。M1,M21讲授//17第4章第4章存储体系多级存储层次的思想及其作用，存储层次的三个性能参数的定义及计算方法。“Cache－主存”层次、“主存－辅存”层次及其区别。全相联映象、直接映象以及组相联映象的思想和特点。随机法、先进先出、LRU等替换算法。提高主存性能的方法。////184.14.1基本概念存储体系及其分支，存储体系的构成依据，存储体系的性能参数。M12讲授//194.24.2虚拟存储器虚拟存储器的管理方式，页式虚拟存储器的构成，页式虚拟存储器实现中的问题。M1,M21讲授//204.34.3高速缓冲存储器工作原理和基本结构，地址的映像与变换，cache存储器的lru替换算法的硬件实现，cache存储器的透明性及性能分析。M1,M21讲授、讨论//214.44.4三级存储体系物理地址cache，，虚地址cache，全cache技术。/讲授、讨论//22第5章第5章标量处理机重叠执行方式、先行控制方式的原理和结构、各种数据相关的解决办法、控制相关的解决办法、流水方式的工作原理、流水线的分类和定义、流水线时空图的画法、流水线的最大吞吐率、非线性流水线的调度技术、局部相关和全局相关。////235.15.1重叠方式重叠原理与一次重叠，相关处理。M21讲授//245.25.2流水方式基本概念，标量流水线的主要性能，标量流水机的相关处理和控制机构。M22讲授//255.35.3指令级高度并行的超级处理机超标量处理机，超长指令字处理机，超流水线处理机，超标量超流水线处理机。M21讲授、讨论//26第6章第6章向量处理机SIMD处理机的互连网络、并行存储器的无冲突访问、并行处理机发展分类举例。////276.16.1向量的流水处理和向量流水处理机向量的处理和向量的流水处理，向量流水处理机的结构举例，通过并行、链接提高性能，提高向量流水处理速度的其他办法。M1,M21讲授//286.26.2阵列处理机的原理阵列处理机的构形和特点，Illiacⅳ的处理单元阵列结构，Illiacⅳ的并行算法举例。M1,M22讲授//296.36.3SIMD计算机的互连网络互连网络的设计目标与互连函数，互连网络应抉择的几个问题，基本的单级互连网络，基本的多级互连网络，全排列网络。M1,M22讲授//30第7章第7章多处理机本章重点难点：紧耦合和松耦合、机间互连形式、并行主存组织、多Cache的一致性、并行算法、程序并行性的分析、并行程序设计语言。让学生了解在党和政府的正确领导下，超级计算机事业飞速发展，已经努力赶上并超过了国际先进水平。让学生在对比中自觉的树立民族自豪感，自觉团结在党和政府周围，踊跃投身改革开放和社会主义现代化建设中。////317.17.1多处理机的概念、问题和硬件结构多处理机的基本概念和要解决的技术问题，多处理机的硬件结构M1,M22讲授//327.27.2紧耦合多处理机多cache的一致性问题多cache的一致性问题的产生，多cache的一致性问题的解决办法。M1,M22讲授//337.37.3多处理机的并行性和性能并行算法，程序并行性分析，并行语言与并行编译，多处理机的性能。M1,M21讲授//347.47.4多处理机的操作系统主从型操作系统，各自独立型操作系统，浮动型操作系统。M1,M21讲授//357.57.5多处理机的发展分布式共享存储器多处理机，对称多处理机，多向量多处理机，并行向量处理机，大规模并行处理机，机群系统。M1,M21讲授、讨论//36实验1实验1：熟悉模拟器WinDLX的使用1.熟练掌握WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点。2.加深对计算机流水线基本概念的理解。3.了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作。M1,M23实验//37实验2实验2：流水线中的相关1.进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作；2.加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能的影响；3.了解解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。M1,M23实验//38实验3实验3：环境熟悉与基本CPU设计熟悉实验台运行环境与调试方法，掌握基本CPU的设计，为自行设计多级流水CPU打好基础。学习设计一个包括指令系统、运算器、控制器和寄存器组等的完整的CPU。M1,M23实验//39实验4实验4：多级流水CPU设计设计一个包括指令系统、寻址方式、数据表示、寄存器组、存储系统、流水线结构等的CPU。M1,M23实验//四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1.每周布置2~3道题目，平均每次课1道题以上。2.成绩采用百分制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3.考核学生对计算机系统结构基础知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力。题型主要有编程、计算、分析、设计题。10%2实验1.本课程12个学时实验，共4次实验。2.成绩采用百分制，根据实验完成过程及实验报告情况评分。3.考核学生对相关、流水性能分析的能力，针对流水线设计的具体问题，能够根据用户需求确定设计目标，从技术角度优选解决方案，正确安全开展实验并获得有效结论。30%3综合项目设计一个包括指令系统、寻址方式、数据表示、寄存器组、存储系统、流水线结构等的CPU，进行软件仿真实验或实验室模拟实验，写出总结报告。2.根据模型建立情况和实验方案的准确性及实验总结报告评分。10%4期末考试1.开卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。2.主要考核学生对物联网应用系统软硬件知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力。题型主要有填空题、简答题、设计题等。50%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1平时作业20%A-按时提交作业，对计算机系统结构知识点理解无误。B-按时提交作业，对上述知识点理解存在少量错误。C-按时提交作业，对上述知识点理解存在一定量错误。D-不按时提交作业，或对上述知识点理解存在大量错误。2M1实验30%A-按时提交实验报告，计算机系统结构及程序设计正确，实验过程熟练，实验结论无误，实验报告规范。B-按时提交实验报告，CPU设计及数据相关程序设计正确，实验过程基本熟练，实验结论无误，实验报告基本规范。C-按时提交实验报告，CPU设计及数据相关程序设计有少量错误，实验过程不太熟练，不能全部完成实验，实验报告不太规范。D-发生安全事故，或不能按时提交实验报告，CPU设计及数据相关程序设计错误，实验过程不熟练，不能独立完成实验，实验报告不规范。3M1期末考试50%（见试卷评分标准）4M2综合项目30%A-按时提交作业，对计算机系统结构知识理解无误，系统设计合理可行，总结报告完整规范。B-按时提交作业，对上述知识点理解存在少量错误，系统设计基本合理可行，总结报告比较完整规范。C-按时提交作业，对上述知识点理解存在一定量错误，系统设计不甚合理，总结报告不够完整规范。D-不按时提交作业，或对上述知识点理解存在大量错误，系统设计不合理，总结报告不完整规范。5M2实验30%A-按时提交实验报告，CPU设计及