-PAGE10-《計算機體系結構》課程教學大綱一、課程基本信息1、課程名稱：計算機體系結構/ComputerArchitecture2、課程性質：專業選修課3、總學時/學分：32/24、授課對象：軟件工程專業、網絡工程專業、信息安全專業5、使用教材：[美]WilliamStallings.計算機組織與結構—性能設計（第六版）北京:清華大學出版社，2005年1月二、課程簡介本門課程屬于計算機偏硬技術課程，針對計算機專業高年級學生開設。主要講授內容為：計算機系統結構、系統總線結構、Cache、內部存儲器、外部存儲器、輸入/輸出結構、操作系統支持、CPU結構和功能、指令集、尋址方式和指令格式、精簡指令集計算機、超標量處理器等。三、教學目的與基本要求通過本門課程的學習，學生必須掌握計算機體系結構的基本概念和基本定律，包括計算機總線、Cache、內存、外存、I/O、操作系統支持、CPU結構和功能、指令集、精簡指令集計算機、超標量處理器等。 四、教學進度表章次題目教學時數第一章導論2學時第二章計算機的演變和性能2學時第三章計算機功能和互連的頂層視圖2學時第四章Cache2學時第五章內存2學時第六章外存2學時第七章I/O4學時第八章操作系統支持4學時第九章指令集4學時第十章CPU結構和功能4學時第十一章精簡指令集（RISC）計算機2學時第十二章指令并行性和超標量處理器2學時總計48學時五、考核方式和成績評定辦法1、考核方式：閉卷考試+開卷考試2、成績評定辦法：平時、期中、期末成績分別為10%、20%、70%（平時成績由考勤、課堂表現構成、期中考試采用閉卷考試、期末考試采用開卷考試）六、內容提要第一章導論（教學時數2）教學目的：了解計算機組織與結構的基本概念教學重點：計算機組織與結構教學難點：組織與體系結構的區別主要教學方法：多媒體教學+課堂討論第一節計算機體系結構第二節計算機的組織、結構和功能本章基本概念：計算機組織、體系結構本章思考題：見教材第二章計算機的演變和性能（教學時數2）教學目的：了解計算機的發展簡史以及幾種主流計算機的發展歷史教學重點：計算機的發展簡史教學難點：計算機結構的發展主要教學方法：多媒體教學+課堂討論第一節計算機簡史一、計算機的發展簡史二、馮諾依曼機三、摩爾定律第二節計算機的性能設計一、微處理器的速度和性能平衡二、Pentium和PowerPC的最新進展本章基本概念：馮諾依曼機、摩爾定律本章思考題：見教材第三章計算機功能和互連的頂層視圖（教學時數4）教學目的：了解各主要部件的基本功能以及它們之間的互聯結構和信號交換類型教學重點：計算機的指令周期和總線互聯方式教學難點：總線結構主要教學方法：多媒體教學+課堂討論第一節計算機功能的頂層視圖一、馮諾依曼結構各個部件的功能二、取指周期和執行周期、中斷和指令周期、多重中斷、I/O功能第二節計算機互連結構的頂層視圖一、計算機的互連方式二、總線互連三、PCI總線本章基本概念：指令周期、總線互聯、PCI總線本章思考題：見教材第四章Cache（教學時數2）教學目的：了解和掌握計算機存儲體系結構、cache設計要素（映射算法、替換算法、寫策略等）、Pentium和PowerPC的Cache組織教學重點：計算機存儲體系統，Cache的設計要素教學難點：Cache的映射算法主要教學方法：多媒體教學+課后作業第一節計算機存儲系統一、存儲系統的分層結構二、各層存儲器的訪問方式第二節Cache一、Cache存儲器原理二、cache的映射算法、替換算法、容量、寫策略、行的大小、數目本章基本概念：存儲系統、局部性原理、cache、映射算法、寫策略本章思考題：見教材第五章內存（教學時數4）教學目的：了解和掌握內存的結構和糾錯算法、高級內存形式教學重點：內存的糾錯算法教學難點：Hamming糾錯碼主要教學方法：多媒體教學+課后作業第一節半導體主存儲器半導體存儲器的分類、組織、芯片邏輯與封裝、模塊組織第二節糾錯一、Hamming單糾錯碼二、Hamming雙檢錯碼第三節高級DRAM結構DRAM的最新技術發展本章基本概念：糾錯、Hamming碼本章思考題：見教材第六章外存（教學時數2）教學目的：了解和掌握外存的種類、排列組織、檢錯方式教學重點：硬盤教學難點：硬盤的讀取時間計算主要教學方法：多媒體教學+課后作業第一節磁盤的基本結構一、磁盤的讀寫機制二、磁盤的數據組織、結構化和性能參數三、磁盤訪問時間的計算第二節RAIDRAID0-6級以及各級的冗余與檢錯第三節其他外部存儲器一、光盤二、磁帶本章基本概念：尋道時間、旋轉延遲、RAID、冗余本章思考題：見教材第七章I/O（教學時數2）教學目的：了解和掌握I/O模塊的工作原理，3種基本I/O方式，I/O通道教學重點：程序式I/O，中斷式I/O，DMA式I/O教學難點：中斷式I/O和DMA式I/O主要教學方法：多媒體教學+課后作業第一節外設一、外設的原理二、I/O模塊的功能與結構第二節3種基本I/O形式一、程序式I/O二、中斷驅動的I/O三、DMA式I/O第三節其余I/O一、I/O通道和I/O處理器二、外部接口本章基本概念：中斷、DMA、周期竊用、通道本章思考題：見教材第八章操作系統支持（教學時數6）教學目的：了解操作系統對計算機體系結構的支持教學重點：程序調度和存儲管理教學難點：存儲管理主要教學方法：多媒體教學+課后作業第一節操作系統概述一、操作系統的目標、功能、類型二、操作系統的調度第二節操作系統的存儲管理一、交換、分區、分頁、分段、虛擬存儲器二、轉換后援緩沖器、第三節Pentium和PowerPC的存儲管理本章基本概念：調度、存儲管理、虛擬存儲本章思考題：見教材第九章指令集（教學時數2）教學目的：了解和掌握指令集的特征、功能、尋址方式和指令格式教學重點：指令集的功能、尋址方式和格式教學難點：尋址方式主要教學方法：多媒體教學+課后作業第一節指令集的特征和操作數類型一、指令的要素、表示、類型、地址數目二、操作數類型（結合Pentium和PowerPC講授）第二節尋址方式和指令格式一、尋址方式（結合Pentium和PowerPC講授）二、指令格式（結合Pentium和PowerPC講授）本章基本概念：指令集、操作數、尋址方式、指令格式本章思考題：見教材第十章CPU結構與功能（教學時數4）教學目的：了解和掌握CPU的結構、指令周期和指令流水教學重點：指令周期和指令流水教學難點：指令流水策略主要教學方法：多媒體教學+課后作業第一節處理器的組織方式（結合Pentium和PowerPC講授）第二節寄存器的組織方式（結合Pentium和PowerPC講授）第三節指令流水一、指令流水的策略和性能二、指令流水的轉移處理第四節處理器舉例（Pentium和PowerPC）本章基本概念：指令流水、流水線策略、轉移處理本章思考題：見教材第十一章精簡指令集計算機RISC（教學時數2）教學目的：了解和掌握精簡指令集計算機的特征和結構特點教學重點：RISC的結構和流水線技術教學難點：大寄存器組方案，寄存器優化主要教學方法：多媒體教學+課后作業第一節RISC概述一、RISC的背景二、RISC的特點第二節RISC的寄存器組織一、大寄存器方案二、基于編譯器的寄存器優化第三節RISC的流水線技術一、RISC流水線的特征二、RISC流水線的優化方法第四節RISC和CISC的對比本章基本概念：RISC、大寄存器組、寄存器優化、延遲轉移本章思考題：見教材第十二章指令并行性和超標量計算機（教學時數2）教學目的：掌握指令并行性方法，了解超標量計算機的結構特點教學重點：指令并行性教學難點：指令發射策略和相關性主要教學方法：多媒體教學+課后作業第一節超標量概述一、流水線和超級流水線二、超標量第二節超標量計算機的設計考慮一、指令并