09版 计算机体系结构 教学大纲-于倩

-PAGE10-《计算机体系结构》课程教学大纲一、课程基本信息1、课程名称：计算机体系结构/ComputerArchitecture2、课程性质：专业选修课3、总学时/学分：32/24、授课对象：软件工程专业、网络工程专业、信息安全专业5、使用教材：[美]WilliamStallings.计算机组织与结构—性能设计（第六版）北京:清华大学出版社，2005年1月二、课程简介本门课程属于计算机偏硬技术课程，针对计算机专业高年级学生开设。主要讲授内容为：计算机系统结构、系统总线结构、Cache、内部存储器、外部存储器、输入/输出结构、操作系统支持、CPU结构和功能、指令集、寻址方式和指令格式、精简指令集计算机、超标量处理器等。三、教学目的与基本要求通过本门课程的学习，学生必须掌握计算机体系结构的基本概念和基本定律，包括计算机总线、Cache、内存、外存、I/O、操作系统支持、CPU结构和功能、指令集、精简指令集计算机、超标量处理器等。 四、教学进度表章次题目教学时数第一章导论2学时第二章计算机的演变和性能2学时第三章计算机功能和互连的顶层视图2学时第四章Cache2学时第五章内存2学时第六章外存2学时第七章I/O4学时第八章操作系统支持4学时第九章指令集4学时第十章CPU结构和功能4学时第十一章精简指令集（RISC）计算机2学时第十二章指令并行性和超标量处理器2学时总计48学时五、考核方式和成绩评定办法1、考核方式：闭卷考试+开卷考试2、成绩评定办法：平时、期中、期末成绩分别为10%、20%、70%（平时成绩由考勤、课堂表现构成、期中考试采用闭卷考试、期末考试采用开卷考试）六、内容提要第一章导论（教学时数2）教学目的：了解计算机组织与结构的基本概念教学重点：计算机组织与结构教学难点：组织与体系结构的区别主要教学方法：多媒体教学+课堂讨论第一节计算机体系结构第二节计算机的组织、结构和功能本章基本概念：计算机组织、体系结构本章思考题：见教材第二章计算机的演变和性能（教学时数2）教学目的：了解计算机的发展简史以及几种主流计算机的发展历史教学重点：计算机的发展简史教学难点：计算机结构的发展主要教学方法：多媒体教学+课堂讨论第一节计算机简史一、计算机的发展简史二、冯诺依曼机三、摩尔定律第二节计算机的性能设计一、微处理器的速度和性能平衡二、Pentium和PowerPC的最新进展本章基本概念：冯诺依曼机、摩尔定律本章思考题：见教材第三章计算机功能和互连的顶层视图（教学时数4）教学目的：了解各主要部件的基本功能以及它们之间的互联结构和信号交换类型教学重点：计算机的指令周期和总线互联方式教学难点：总线结构主要教学方法：多媒体教学+课堂讨论第一节计算机功能的顶层视图一、冯诺依曼结构各个部件的功能二、取指周期和执行周期、中断和指令周期、多重中断、I/O功能第二节计算机互连结构的顶层视图一、计算机的互连方式二、总线互连三、PCI总线本章基本概念：指令周期、总线互联、PCI总线本章思考题：见教材第四章Cache（教学时数2）教学目的：了解和掌握计算机存储体系结构、cache设计要素（映射算法、替换算法、写策略等）、Pentium和PowerPC的Cache组织教学重点：计算机存储体系统，Cache的设计要素教学难点：Cache的映射算法主要教学方法：多媒体教学+课后作业第一节计算机存储系统一、存储系统的分层结构二、各层存储器的访问方式第二节Cache一、Cache存储器原理二、cache的映射算法、替换算法、容量、写策略、行的大小、数目本章基本概念：存储系统、局部性原理、cache、映射算法、写策略本章思考题：见教材第五章内存（教学时数4）教学目的：了解和掌握内存的结构和纠错算法、高级内存形式教学重点：内存的纠错算法教学难点：Hamming纠错码主要教学方法：多媒体教学+课后作业第一节半导体主存储器半导体存储器的分类、组织、芯片逻辑与封装、模块组织第二节纠错一、Hamming单纠错码二、Hamming双检错码第三节高级DRAM结构DRAM的最新技术发展本章基本概念：纠错、Hamming码本章思考题：见教材第六章外存（教学时数2）教学目的：了解和掌握外存的种类、排列组织、检错方式教学重点：硬盘教学难点：硬盘的读取时间计算主要教学方法：多媒体教学+课后作业第一节磁盘的基本结构一、磁盘的读写机制二、磁盘的数据组织、结构化和性能参数三、磁盘访问时间的计算第二节RAIDRAID0-6级以及各级的冗余与检错第三节其他外部存储器一、光盘二、磁带本章基本概念：寻道时间、旋转延迟、RAID、冗余本章思考题：见教材第七章I/O（教学时数2）教学目的：了解和掌握I/O模块的工作原理，3种基本I/O方式，I/O通道教学重点：程序式I/O，中断式I/O，DMA式I/O教学难点：中断式I/O和DMA式I/O主要教学方法：多媒体教学+课后作业第一节外设一、外设的原理二、I/O模块的功能与结构第二节3种基本I/O形式一、程序式I/O二、中断驱动的I/O三、DMA式I/O第三节其余I/O一、I/O通道和I/O处理器二、外部接口本章基本概念：中断、DMA、周期窃用、通道本章思考题：见教材第八章操作系统支持（教学时数6）教学目的：了解操作系统对计算机体系结构的支持教学重点：程序调度和存储管理教学难点：存储管理主要教学方法：多媒体教学+课后作业第一节操作系统概述一、操作系统的目标、功能、类型二、操作系统的调度第二节操作系统的存储管理一、交换、分区、分页、分段、虚拟存储器二、转换后援缓冲器、第三节Pentium和PowerPC的存储管理本章基本概念：调度、存储管理、虚拟存储本章思考题：见教材第九章指令集（教学时数2）教学目的：了解和掌握指令集的特征、功能、寻址方式和指令格式教学重点：指令集的功能、寻址方式和格式教学难点：寻址方式主要教学方法：多媒体教学+课后作业第一节指令集的特征和操作数类型一、指令的要素、表示、类型、地址数目二、操作数类型（结合Pentium和PowerPC讲授）第二节寻址方式和指令格式一、寻址方式（结合Pentium和PowerPC讲授）二、指令格式（结合Pentium和PowerPC讲授）本章基本概念：指令集、操作数、寻址方式、指令格式本章思考题：见教材第十章CPU结构与功能（教学时数4）教学目的：了解和掌握CPU的结构、指令周期和指令流水教学重点：指令周期和指令流水教学难点：指令流水策略主要教学方法：多媒体教学+课后作业第一节处理器的组织方式（结合Pentium和PowerPC讲授）第二节寄存器的组织方式（结合Pentium和PowerPC讲授）第三节指令流水一、指令流水的策略和性能二、指令流水的转移处理第四节处理器举例（Pentium和PowerPC）本章基本概念：指令流水、流水线策略、转移处理本章思考题：见教材第十一章精简指令集计算机RISC（教学时数2）教学目的：了解和掌握精简指令集计算机的特征和结构特点教学重点：RISC的结构和流水线技术教学难点：大寄存器组方案，寄存器优化主要教学方法：多媒体教学+课后作业第一节RISC概述一、RISC的背景二、RISC的特点第二节RISC的寄存器组织一、大寄存器方案二、基于编译器的寄存器优化第三节RISC的流水线技术一、RISC流水线的特征二、RISC流水线的优化方法第四节RISC和CISC的对比本章基本概念：RISC、大寄存器组、寄存器优化、延迟转移本章思考题：见教材第十二章指令并行性和超标量计算机（教学时数2）教学目的：掌握指令并行性方法，了解超标量计算机的结构特点教学重点：指令并行性教学难点：指令发射策略和相关性主要教学方法：多媒体教学+课后作业第一节超标量概述一、流水线和超级流水线二、超标量第二节超标量计算机的设计考虑一、指令并