1、計算機系統結構課程教學大綱一、課程基本信息課程代碼: 230442課程名稱：計算機系統結構英文名稱：Computer Architecture課程類別: 專業課 學 時：72(其中實驗18學時)學分: 3.5適用對象: 計算機科學與技術、網絡工程專業考核方式：考試（其中平時成績占30%，期末考試成績占70%）先修課程：計算機組成原理、操作系統二、課程簡介本課程是計算機專業一門重要的專業基礎課，對于培養學生的抽象思維能力和自頂向下、系統地分析和解決問題的能力有非常重要的作用。其目標是使學生掌握計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構、基本設計和分析方法，并對計算機系統結構的發展歷史

2、和現狀有所了解。通過學習本課程，能把在“計算機組成原理”等課程中所學的軟、硬件知識有機地結合起來，從而建立起計算機系統的完整概念。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 t

3、o 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 "

4、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、課程性質與教學目的計算機系統結構的教學對象為計算機相關專業的高年級本科生專業技術基礎課程，目的是介紹計算機體系結構的概念、技術和最新動態，著重介紹軟，硬件功能分配以及如何最佳、最合理地實現軟、硬件功能分配。要求了

5、解基本概念、基本原理、基本結構和基本分析方法。使學生對計算機系統結構、組成和實現有一個整體掌握。四、教學內容及要求 第一單元 計算機系統結構的基本概念（一） 目的與要求1、掌握計算機系統的多級層次結構，掌握計算機體系結構、計算機組成與計算機實現的定義及三者之間的關系。理解透明性、虛擬機的概念。了解語言實現的兩種基本技術。2、理解系列機和軟件兼容的基本思想。3、了解計算機的分代和分型；了解應用需求和計算機實現技術的發展對體系結構的影響。4、掌握存儲程序計算機在體系結構上的主要特點。了解對這種體系結構所作的改進。5、掌握同構型多處理機、異構型多處理機和分布處理系統的定義和異同點。6、了解計算機性能

6、的若干定義。 知道估評計算機性能的測試程序。7、掌握計算機體系結構設計的三個基本原則 ，并能熟練應用Amdahl定律和CPU性能公式求解問題。 （二） 教學內容1 主要內容計算機系統結構（計算機系統結構層次、計算機系統結構定義、計算機組成與實現、計算機系統結構的分類）計算機系統設計技術（計算機系統設計的定量原理、計算機系統設計者的主要任務，計算機系統設計的主要方法）計算機系統結構的評價標準（性能、成本）2 基本概念和知識點計算機系統層次結構，系統結構、組成和實現三者之間關系，透明性，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS定義，MFLOPS定義，系統結構分類，馮.諾依曼計算機特征

7、，計算機系統結構的發展，價格、應用、VLSI和算法對系統結構的影響。3 問題與應用（能力要求）要求學生掌握計算機系統層次結構、系統結構、組成與實現的定義、系統結構、組成與實現的三者關系、計算機系統結構的分類、計算機系統設計的定量原理、計算機系統結構的評價標準，為進一步深入學習后繼各章打下基礎。（三） 實踐環節與課后練習實踐環節：實驗一：Linux基本命令練習；實驗二：Linux基本命令及C語言編程環境練習；實驗三：CPU性能測試實驗；實驗四：編譯器對系統性能的影響實驗。課后練習：布置一些關于計算機系統設計的定量原理和評價cpu性能的課后習題。（四） 教學方法與手段理論講授、實驗與課堂討論相結合

8、第二單元 指令與尋址（一）目的與要求 1、了解數據類型和數據表示。2、掌握指令集結構的各種分類方法。了解堆棧型指令集結構、累加器型指令集結構和通用寄存器型指令集結構的優缺點以及三種通用寄存器型指令集結構的優缺點。3、了解當前指令集結構中所使用的一些操作數尋址方式。通過對基準程序進行測試統計，了解各種尋址方式的使用情況。4、掌握指令集結構功能設計上的兩種不同方向。掌握CISC計算機指令集功能設計的目標、CISC結構存在的缺點。掌握RISC計算機指令集結構的功能設計的目標與原則。5、了解各種控制指令的定義、四種改變控制流程的操作及三種表示分支條件的技術。6、掌握操作數類型與操作數表示的定義及表示方

9、法，了解各種操作數類型、操作數類型大小。7、掌握指令中兩種表示尋址方式的方法。8、了解DLX中的寄存器、數據類型、尋址方式和數據傳送、指令格式及DLX中的操作。 （二）教學內容1主要內容數據表示（數據表示與數據類型、浮點數據表示、自定義數據表示）尋址技術（編址方式、編織單位、零地址空間個數、輸入輸出設備的非線性編址、并行存儲器的編址技術）定位方式（邏輯地址與物理地址、直接定位方式、靜態定位方式、動態定位方式）指令格式的優化設計（指令的組成、操作碼的優化表示、地址碼的優化表示、指令格式設計舉例）指令系統的功能設計（基本指令系統、復雜指令系統、精簡指令系統）2基本概念和知識點關于系統指令系統層的基

10、本知識，包括數據表示、尋址技術、指令格式的優化設計、CISC指令系統和RISC指令系統等。RISC的定義與特點,減少指令平均執行周期數方法。指令流調整技術,延時轉移技術指令取消技術, 重疊寄存器窗口技術。3.問題與應用（能力要求）掌握指令集設計的原則，了解指令的分類、選擇原則、指令的結構、操作數的尋址方式、指令長度對計算機系統的影響，掌握RISC計算機的設計思想。（三）實踐環節與課后練習實踐環節：實驗一：熟悉WinDLX的使用；課后練習：布置一些關于計算定點和浮點數表示范圍、設計浮點數格式、Huffman擴展編碼法、分析和設計指令格式的課后習題。（五） 教學方法與手段以理論講授為主結

11、合實驗及習題課。第三單元 存儲系統（一）目的與要求1、理解多級存儲層次的思想及其作用；掌握存儲層次的三個性能參數的定義及計算方法。2、掌握“Cache主存”層次、“主存輔存”層次及其區別；理解存儲層次的四個問題。3、掌握全相聯映象、直接映象以及組相聯映象的思想和特點；理解路數和組數的概念及其關系。4、掌握在各種映象規則的情況下Cache的查找方法。掌握隨機法、先進先出、LRU 等替換算法。5、理解Cache對“寫”操作的處理方法。6、掌握CPU時間的計算方法，并能靈活運用于實例進行分析計算。7、理解改進Cache性能的三個方面。8、掌握減少命中時間的三種方法及其基本思想。9、掌握提高主存性能的

12、四種方法（增加存儲器寬度、多體交叉存儲器技術、獨立存儲體技術、避免存儲體沖突）。10、理解虛擬存儲器的特點及有關虛擬存儲器的個問題；掌握快表的概念；了解頁面大小的選擇。 （二）教學內容1主要內容存儲系統（存儲系統的定義、存儲器的層次結構、頻帶平衡、并行存儲器）虛擬存儲器（虛擬存儲器工作原理、地址的映象與變換、加快內部地址變換的方法、頁面替換算法及其實現、提高命中率的方法）高速緩沖存儲器（基本工作原理、地址映象與變換方法、Cache替換算法及其實現、Cache的性能分析）三級存儲系統（虛擬地址Cache、全Cache技術）2基本概念和知識點存儲子系統的定義、原理和性能參數分析和設計，并行存儲器原

13、理和性能分析，高速緩沖存儲器工作原理、地址映像和地址變換方法原理及其實現、數據塊替換算法及其實現、數據一致性保持及其實現，虛擬存儲器工作原理、地址映像和地址變換原理及其實現、頁面替換算法及其實現，虛擬存儲器和Cache存儲器性能分析和設計方法，頁面或數據塊替換的進程足跡，三級存儲系統工作原理。3.問題與應用（能力要求）掌握存儲器的層次結構，學會分析如何利用局部性原理提高Cache/主存儲器、主存/虛擬存儲器的性能。不但掌握虛擬存儲器和高速緩沖存儲器的硬件原理，而且要掌握其分析方法和設計方法。（三）實踐環節與課后練習實踐環節：實驗一：基于Cache的矩陣乘積算法性能改善實驗；課后練習：布置一些關

14、于計算存儲系統的性能參數（容量、速度和價格）、并行存儲器的分析和設計以及和頁式、虛擬存儲器相關的課后習題。（四）教學方法與手段以理論講授為主結合分組討論、實驗及習題課。第四單元 輸入輸出系統（一）目的與要求1、掌握輸入/輸出系統的基本概念；了解與I/O有關的問題、設計I/O的三個標準。 2、了解磁盤的基本結構與性能公式；了解半導體盤、盤陣列RAID、磁帶、光盤等各種存儲設備。3、掌握總線的基本工作原理及其分類。了解總線的三個常用的參數、總線標準和實例。4、掌握通道處理機的定義。掌握通道的作用和功能、通道的工作過程、通道的種類以及通道的流量計算。5、了解I/O與計算機的連接方式以及由此引起的數據

15、的一致性問題。6、了解設計I/O系統的步驟以及I/O對計算機性能的影響。 （二）教學內容1主要內容輸入輸出原理（輸入輸出系統的特點、輸入輸出系統的組織方式、基本輸入輸出方式）中斷系統（中斷源的組織、中斷系統的軟硬件功能分配、中斷屏蔽）通道處理機（通道的作用和功能、通道的工作過程、通道種類、通道中的數據傳送過程、通道的流量分析）輸入輸出處理機（輸入輸出處理機的作用、輸入輸出處理機的種類、輸入輸出處理機的特點）2基本概念和知識點輸入輸出原理、輸入輸出系統的組織方式、中斷系統、通道處理機、輸入輸出處理機。3.問題與應用（能力要求）要求學生掌握輸入輸出原理、中斷系統、通道處理機和輸入輸出處理機。（三）

16、課后練習布置一些和中斷屏蔽及通道有關的課后習題。（四）教學方法與手段以理論講授為主結合習題課。第五單元 標量處理機（一）目的與要求1、掌握多條指令在處理機中的重疊執行方式。2、掌握先行控制方式的原理和結構。3、掌握各種數據相關的解決辦法。4、了解控制相關的解決辦法5、領會流水方式的工作原理。6、了解從不同角度對流水線的分類和定義。7、掌握有關流水線時空圖的畫法。8、能夠計算出流水線的最大吞吐率，及解具體題目所達到的實際吞吐率，效率和加速比。9、領會非線性流水線的調度技術。10、領會局部相關和全局相關。 （二）教學內容1主要內容先行控制技術（指令的重疊執行方式、先行控制方式的原理和結構、數據相關

17、、控制相關）流水線處理機（流水線工作原理、流水線的分類、線性流水線的性能分析、非線性流水線的調度技術、局部相關、全局相關）超標量處理機與超流水線處理機（超標量處理機、超流水線處理機、超標量超流水線處理機）2基本概念和知識點指令重疊執行分析，先行控制方式的原理、結構和性能分析，先行控制技術中數據相關和控制相關等各種相關性的分析和處理，流水線的工作原理、性能分析，時空圖在線性流水線和非線性流水線性能分析中的應用，非線性流水線中的各種調度技術分析和原理，非線性流水線中局部相關和全局相關的分析和處理。各種情況下流水線性能及其時空圖分析，超標量和超流水線處理機性能分析及其中資源沖突分析處理，超標量和超流

18、水線中存儲器結構和存儲方式的設計，各種流水線處理機性能的優化設計。3.問題與應用（能力要求）要求學生掌握流水線技術，如：先行控制技術、流水線原理、流水線性能分析、非線性流水線的調度方法、局部數據相關和全局數據相關的處理方法。（三）實踐環節與課后練習實踐環節：實驗一：DLX流水線結構相關；實驗二：DLX流水線數據相關；實驗三：DLX流水線指令調度；課后練習：布置一些和計算流水線的吞吐率、加速比、效率，畫流水線的時空圖及設計流水線的課后習題。（四）教學方法與手段以理論講授為主結合分組討論、實驗及習題課。第六單元 向量處理機（一）目的與要求1了解向量處理的基本概念、一般的向量處理機。2掌握提高向量處理機性能的常用技術、向量處理機的性能評價。 （二）教學內容1主要內容向量處理的基本概念、向量處理機的結構、向量處理機的存取模式和數據結構、提高向量處理機性能的方法、向量處理機的性能評價2基本概念和知識點向量處理的基本概念，三種向量處理方式，向量計算機中的存儲器結構：存儲器-存儲器結構、寄存器-寄存器結構，向量處理機的存取模式和數據結構，向量處理機中的新技術：稀疏