《计算机系统结构》课程教学大纲[推荐]_计算机系统结构实验

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《计算机系统结构》课程教学大纲

二、课程简介

本课程是计算机科学与技术及网络工程专业一门重要的专业课，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非常重要的作用。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。

三、课程性质与教学目的《计算机系统结构》作为计算机科学与技及网络工程专业高年级本科生的专业课程，目的是介绍计算机系统结构的概念、技术和最新动态，着重介绍软，硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现软、硬件功能分配。要求了解基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法。使学生对计算机系统结构、组成和实现有一个整体掌握。

四、教学内容及要求

第一章 计算机系统结构的基本概念

（一）目的与要求

1.掌握计算机系统的多级层次结构，掌握计算机系统结构、计算机组成与计算机实现的定义及三者之间的关系。理解透明性、虚拟机的概念。2.理解系列机和软件兼容的基本思想。3.了解计算机的分代和分型，了解应用需求和计算机实现技术的发展对系 统结构的影响。

4.掌握存储程序计算机在系统结构上的主要特点。了解对这种系统结构所 作的改进。

5.了解计算机性能的若干定义。知道评估计算机性能的测试程序。6.掌握计算机系统结构设计的三个基本原则，并能熟练应用Amdahl定律

和CPU性能公式求解问题。

（二）教学内容

1.主要内容

计算机系统结构层次、计算机系统结构定义、计算机组成与实现、计算机系统结构的分类、计算机系统设计的定量原理、计算机系统设计者的主要任务、计算机系统设计的主要方法、计算机系统结构的评价标准。2.基本概念和知识点 计算机系统层次结构、系统结构和组成以及实现三者之间的关系、透明性、1 Amdahl定律、CPU性能公式、局部性原理、MIPS定义、MFLOPS定义、系统结构分类、冯·诺依曼计算机特征、计算机系统结构的发展、VLSI和算法对系统结构的影响。3.问题与应用（能力要求）

要求学生掌握计算机系统层次结构，系统结构、组成与实现的定义，系统结构、组成与实现三者的关系，计算机系统结构的分类，计算机系统设计的定量原理，计算机系统结构的评价标准，为进一步深入学习后继各章打下基础。第二章 指令系统

（一）目的与要求

1.了解数据类型和数据表示。

2.掌握浮点数的表数范围、表数精度、表数效率。

3.掌握指令集结构的各种分类方法。了解堆栈型指令集结构、累加器型指 令集结构和通用寄存器型指令集结构的优缺点以及三种通用寄存器型指令集结构的优缺点。

4.了解当前指令集结构中所使用的一些操作数寻址方式。通过对基准程序进行测试统计，了解各种寻址方式的使用情况。

5.掌握指令集结构功能设计上的两种不同方向。掌握CISC计算机指令集功能设计的目标、CISC结构存在的缺点。掌握RISC计算机指令集结构的功能设计的目标与原则。6.了解各种控制指令的定义。

7.掌握操作数类型与操作数表示的定义及表示方法，了解各种操作数类型、操作数类型大小。

8.掌握指令中两种表示寻址方式的方法。

（二）教学内容

1.主要内容

数据表示与数据类型、浮点数据表示、自定义数据表示、编址方式、编织单位、零地址空间个数、输入输出设备的非线性编址、并行存储器的编址技术、逻辑地址与物理地址、直接定位方式、静态定位方式、动态定位方式、指令的组成、操作码的优化表示、地址码的优化表示、基本指令系统、复杂指令系统、精简指令系统。2.基本概念和知识点

数据表示、寻址技术、指令格式的优化设计、CISC指令系统和RISC指令系统、RISC的定义与特点、减少指令平均执行周期数方法、指令流调整技术、延时转移技术、指令取消技术、重叠寄存器窗口技术。3.问题与应用（能力要求）

掌握指令集设计的原则，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，掌握RISC计算机的设计思想。

第三章 存储系统

（一）目的与要求

1.理解多级存储层次的思想及其作用；掌握存储层次的三个性能参数的定义及计算方法。

2.掌握“Cache－主存”层次、“主存－辅存”层次及其区别。3.掌握全相联映象、直接映象以及组相联映象的思想和特点。4.掌握在各种映象规则的情况下Cache的查找方法。掌握随机法、先进先出、LRU 等替换算法。

5.理解Cache对“写”操作的处理方法。

6.掌握CPU时间的计算方法，并能灵活运用于实例进行分析计算。7.理解改进Cache性能的三个方面。

8.掌握减少命中时间的三种方法及其基本思想。9.掌握提高主存性能的四种方法（增加存储器宽度、多体交叉存储器技术、独立存储体技术、避免存储体冲突）。

10.理解虚拟存储器的特点及有关虚拟存储器的４个问题；掌握快表的概念；了解页面大小的选择。

（二）教学内容

1.主要内容

存储系统的定义、存储器的层次结构、并行存储器、虚拟存储器与高速缓冲存储器的基本工作原理、虚拟存储器与高速缓冲存储器地址的映象与变换方法、虚拟存储器的页面替换算法及其实现、提高Cache命中率的方法、Cache替换算法及其实现、Cache的性能分析。虚拟地址Cache、全Cache技术 2.基本概念和知识点

存储子系统的定义、原理和性能参数分析和设计，并行存储器原理和性能分析，高速缓冲存储器工作原理、地址映像和地址变换方法原理及其实现、数据块替换算法及其实现、数据一致性保持及其实现，虚拟存储器工作原理、地址映像和地址变换原理及其实现、页面替换算法及其实现，虚拟存储器和Cache存储器性能分析和设计方法、页面或数据块替换的进程足迹，三级存储系统工作原理。3.问题与应用（能力要求）掌握存储器的层次结构，学会分析如何利用局部性原理提高Cache/主存储器、主存/虚拟存储器的性能。不但掌握虚拟存储器和高速缓冲存储器的硬件原理，而且要掌握其分析方法和设计方法。

第四章 输入输出系统

（一）目的与要求

1.掌握输入/输出系统的基本概念；了解与I/O有关的问题、设计I/O的三个标准。

2.了解磁盘的基本结构与性能公式；了解磁盘阵列RAID、磁带、光盘等各种存储设备。

3.掌握总线的基本工作原理及其分类。了解总线的三个常用的参数、总线标准和实例。

4.掌握通道处理机的定义。掌握通道的作用和功能、通道的工作过程、通道的种类以及通道的流量计算。

5.了解I/O与计算机的连接方式以及由此引起的数据的一致性问题。6.了解设计I/O系统的步骤以及I/O对计算机性能的影响。

（二）教学内容

1.主要内容

输入输出系统的特点、输入输出系统的组织方式、基本输入输出方式、中断源的组织、中断系统的软硬件功能分配、中断屏蔽、通道的作用和功能、通道的工作过程、通道种类、通道中的数据传送过程、通道的流量分析、输入输出处理机的作用、输入输出处理机的种类、输入输出处理机的特点。2.基本概念和知识点

异步性、实时性、与设备无关性、自制控制、层次结构、程序控制输入输 出方式、中断输入输出方式、直接存储器访问方式、中断源及其种类、中 断优先级、中断处理、中断响应、中断现场的保存和恢复、字节多路通道、选择通道、数组多路通道、输入输出处理机。3.问题与应用（能力要求）

要求学生掌握输入输出原理、中断系统、通道处理机和输入输出处理机的作用和工作过程。第五单元 标量处理机

（一）目的与要求

1.掌握多条指令在处理机中的重叠执行方式。2.掌握先行控制方式的原理和结构。3.掌握各种数据相关的解决办法。4.了解控制相关的解决办法。5.领会流水方式的工作原理。

6.了解从不同角度对流水线的分类和定义。7.掌握有关流水线时空图的画法。8.能够计算出流水线的最大吞吐率。9.领会非线性流水线的调度技术。

10.领会局部相关和全局相关。

（二）教学内容

1.主要内容

指令的重叠执行方式、先行控制方式的原理和结构、数据相关、控制相关、流水线工作原理、流水线的分类、线性流水线的性能分析、非线性流水线的调度技术、局部相关、全局相关、超标量处理机、超流水线处理机、超标量超流水线处理机。2.基本概念和知识点

指令重叠执行、先行控制方式的原理、结构和性能分析，先行控制技术中数据相关和控制相关等各种相关性的分析和处理，流水线的工作原理、性能分析，时空图在线性流水线和非线性流水线性能分析中的应用，非线性流水线中的各种调度技术的分析和原理，非线性流水线中局部相关和全局相关的分析和处理。各种情况下流水线性能及其时空图分析，超标量和超流水线处理机性能分析及其中资源冲突分析处理，超标量和超流水线中存储器结构和存储方式的设计，各种流水线处理机性能的优化设计。3.问题与应用（能力要求）

要求学生掌握流水线技术，如：先行控制技术、流水线原理、流水线性能分析、非线性流水线的调度方法、局部数据相关和全局数据相关的处理方法。

第六章 向量处理机

（一）目的与要求

1.了解向量处理的基本概念、一般的向量处理机。

2.掌握提高向量处理机性能的常用技术、向量处理机的性能评价。

（二）教学内容

1.主要内容

向量处理的基本概念、向量处理机的结构、向量处理机的存取模式和数据结构、提高向量处理机性能的方法、向量处理机的性能评价。2.基本概念和知识点

向量处理的基本概念、三种向量处理方式、向量计算机中的存储器结构、存储器-存储器结构、寄存器-寄存器结构、向量处理机的存取模式和数据 5 结构、向量处理机中的新技术、稀疏矩阵处理技术、链接技术、向量循环和分段开采技术、向量递归技术，若干向量处理机实例结构分析，向量处理机的性能评价和优化设计。3.问题与应用（能力要求）

要求学生了解向量处理机的一般结构并初步具备分析算法和结构如何配合才能高效的处理多类计算机的问题的能力。