《計算機系統(tǒng)結構》課程教學大綱(共9頁)

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上計算機系統(tǒng)結構課程教學大綱一、課程基本信息課程代碼: 課程名稱：計算機系統(tǒng)結構英文名稱：Computer Architecture課程類別: 專業(yè)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(wǎng)絡工程專業(yè)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(tǒng)二、課程簡介本課程是計算機專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，對于培養(yǎng)學生的抽象思維能力和自頂向下、系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)

2、結構的發(fā)展歷史和現(xiàn)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(tǒng)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 go

3、al is to 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(zhì)與教學目的計算機系統(tǒng)結構的教學對象為計算機相關專業(yè)的高年級本科生專業(yè)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(tài)，著重介紹軟，硬件功能分配以及如何最佳、最合理地實現(xiàn)軟、硬件功

5、能分配。要求了解基本概念、基本原理、基本結構和基本分析方法。使學生對計算機系統(tǒng)結構、組成和實現(xiàn)有一個整體掌握。四、教學內(nèi)容及要求 第一單元 計算機系統(tǒng)結構的基本概念（一） 目的與要求1、掌握計算機系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)技術的發(fā)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(tǒng)的定義和異同點。6、

6、了解計算機性能的若干定義。 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(nèi)容1 主要內(nèi)容計算機系統(tǒng)結構（計算機系統(tǒng)結構層次、計算機系統(tǒng)結構定義、計算機組成與實現(xiàn)、計算機系統(tǒng)結構的分類）計算機系統(tǒng)設計技術（計算機系統(tǒng)設計的定量原理、計算機系統(tǒng)設計者的主要任務，計算機系統(tǒng)設計的主要方法）計算機系統(tǒng)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(tǒng)層次結構，系統(tǒng)結構、組成和實現(xiàn)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(tǒng)結構分類，馮.諾

7、依曼計算機特征，計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展，價格、應用、VLSI和算法對系統(tǒng)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(tǒng)層次結構、系統(tǒng)結構、組成與實現(xiàn)的定義、系統(tǒng)結構、組成與實現(xiàn)的三者關系、計算機系統(tǒng)結構的分類、計算機系統(tǒng)設計的定量原理、計算機系統(tǒng)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(huán)節(jié)與課后練習實踐環(huán)節(jié)：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(huán)境練習；實驗三：CPU性能測試實驗；實驗四：編譯器對系統(tǒng)性能的影響實驗。課后練習：布置一些關于計算機系統(tǒng)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

8、課堂討論相結合第二單元 指令與尋址（一）目的與要求 1、了解數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)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(yōu)缺點以及三種通用寄存器型指令集結構的優(yōu)缺點。3、了解當前指令集結構中所使用的一些操作數(shù)尋址方式。通過對基準程序進行測試統(tǒng)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(shù)類型與操作數(shù)表示

9、的定義及表示方法，了解各種操作數(shù)類型、操作數(shù)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(shù)據(jù)類型、尋址方式和數(shù)據(jù)傳送、指令格式及DLX中的操作。 （二）教學內(nèi)容1主要內(nèi)容數(shù)據(jù)表示（數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)類型、浮點數(shù)據(jù)表示、自定義數(shù)據(jù)表示）尋址技術（編址方式、編織單位、零地址空間個數(shù)、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(tài)定位方式、動態(tài)定位方式）指令格式的優(yōu)化設計（指令的組成、操作碼的優(yōu)化表示、地址碼的優(yōu)化表示、指令格式設計舉例）指令系統(tǒng)的功能設計（基本指令系統(tǒng)、復雜指令系統(tǒng)、精簡指令系統(tǒng)）2基本概念和知識點關于系統(tǒng)

10、指令系統(tǒng)層的基本知識，包括數(shù)據(jù)表示、尋址技術、指令格式的優(yōu)化設計、CISC指令系統(tǒng)和RISC指令系統(tǒng)等。RISC的定義與特點,減少指令平均執(zhí)行周期數(shù)方法。指令流調(diào)整技術,延時轉(zhuǎn)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(shù)的尋址方式、指令長度對計算機系統(tǒng)的影響，掌握RISC計算機的設計思想。（三）實踐環(huán)節(jié)與課后練習實踐環(huán)節(jié)：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(shù)表示范圍、設計浮點數(shù)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

11、理論講授為主結合實驗及習題課。第三單元 存儲系統(tǒng)（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(shù)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(qū)別；理解存儲層次的四個問題。3、掌握全相聯(lián)映象、直接映象以及組相聯(lián)映象的思想和特點；理解路數(shù)和組數(shù)的概念及其關系。4、掌握在各種映象規(guī)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

12、提高主存性能的四種方法（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(nèi)容1主要內(nèi)容存儲系統(tǒng)（存儲系統(tǒng)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(nèi)部地址變換的方法、頁面替換算法及其實現(xiàn)、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(xiàn)、Cache的性能分析）三級存儲系統(tǒng)（虛擬地址Cache、全Cache技術）2基本概念和知識點存儲子系統(tǒng)的定義、原理和性能參數(shù)分析和設計

13、，并行存儲器原理和性能分析，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(xiàn)、數(shù)據(jù)塊替換算法及其實現(xiàn)、數(shù)據(jù)一致性保持及其實現(xiàn)，虛擬存儲器工作原理、地址映像和地址變換原理及其實現(xiàn)、頁面替換算法及其實現(xiàn)，虛擬存儲器和Cache存儲器性能分析和設計方法，頁面或數(shù)據(jù)塊替換的進程足跡，三級存儲系統(tǒng)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(huán)節(jié)與課后練習實踐環(huán)節(jié)：實驗一：基于Cache的矩陣乘積算法性能改善實驗；課后練

14、習：布置一些關于計算存儲系統(tǒng)的性能參數(shù)（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(tǒng)（一）目的與要求1、掌握輸入/輸出系統(tǒng)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(shù)、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

15、由此引起的數(shù)據(jù)的一致性問題。6、了解設計I/O系統(tǒng)的步驟以及I/O對計算機性能的影響。 （二）教學內(nèi)容1主要內(nèi)容輸入輸出原理（輸入輸出系統(tǒng)的特點、輸入輸出系統(tǒng)的組織方式、基本輸入輸出方式）中斷系統(tǒng)（中斷源的組織、中斷系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)的組織方式、中斷系統(tǒng)、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(tǒng)、通道處理機和輸入輸出

16、處理機。（三）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(zhí)行方式。2、掌握先行控制方式的原理和結構。3、掌握各種數(shù)據(jù)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(diào)度技術。10、領會局部相關和全局相關。 （二）教學內(nèi)容1主要內(nèi)容先行控制技術（指令的重疊執(zhí)行方式、先行控制方式的原理和

17、結構、數(shù)據(jù)相關、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(diào)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(zhí)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(shù)據(jù)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(diào)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

18、，超標量和超流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(yōu)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(diào)度方法、局部數(shù)據(jù)相關和全局數(shù)據(jù)相關的處理方法。（三）實踐環(huán)節(jié)與課后練習實踐環(huán)節(jié)：實驗一：DLX流水線結構相關；實驗二：DLX流水線數(shù)據(jù)相關；實驗三：DLX流水線指令調(diào)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

19、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(nèi)容1主要內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結構，向量處理機中的新技術：稀疏矩陣處理技術、鏈接技術、向量循環(huán)和分段開采技術、向量遞歸技術，若干向量處理機實例結構分析，向量處理機的性能評價和優(yōu)化設計。3.問題與應用（能力要求）要求學生了解向量處理機的一般結構并初步具備分析算法和結構如何配合才能高效的

20、處理多類計算機的問題的能力。 （三）課后練習 布置一些和向量處理機的性能評價有關的課后習題。（四）教學方法與手段以理論講授為主結合分組討論。五、各教學環(huán)節(jié)學時分配教學環(huán)節(jié)教學時數(shù)課程內(nèi)容講課習題課討論課實驗其他教學環(huán)節(jié)小計第一章4 8 12第二章101213 第三章。811212 第四章。88 第五章1011618 第六章。819合計48331872六、 推薦教材和教學參考資源1.鄭緯民，湯志忠. 計算機系統(tǒng)結構(第二版). 清華大學出版社，2003.92.陸鑫達. 計算機體系結構. 高等教育出版社，1996.33.李學干. 計算機體系結構. 西安電子科技大學出版社，2000.64John L. Hennessy, David A. Patterson . 計算機體系結構-定量方法.第3版5.Patterson D. A., Hennessy J. L. Computer Architecture: A Quantitative Approach,3nd ed. 機械工業(yè)出版社,2002七、其他說明 大綱修訂人：王瀟 修訂日期：2004年4月15日大綱審定人：閆大順、李晟 審定日期：2007年9月15日 專心-專注-專業(yè)