《计算机系统结构》课程教学大纲.doc

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《计算机系统结构》课程教学大纲

一、课程基本信息

课程代码:

230442

课程名称：

计算机系统结构

英文名称：

Computer Architecture

课程类别:

专业课

学时：

72（其中实验18学时）

学　　分:

3.5

适用对象:

计算机科学与技术、网络工程专业

考核方式：

考试（其中平时成绩占30%，期末考试成绩占70%）

先修课程：

计算机组成原理、操作系统

二、课程简介

本课程是计算机专业一门重要的专业基础课，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。

Thiscourseisacomputerprofessionalimportantfoundationfortheprofessionalclass,fortrainingstudentsinabstractthinking,andtop-down,Systemanalysisandtheabilitytosolveproblemsisaveryimportantrole.Thegoalistoenablestudentstomastercomputersystemstructurethebasicconcepts,basicprinciplesandbasicstructure,basicdesignandanalysismethodsandcomputersystemarchitectureandthehistoryofthedevelopmentofanunderstandingofthestatusquo.Throughthestudyofthiscourse,canin"PrinciplesofComputerOrganization",ytheschoolcurriculumofthesoftwareandhardwareknowledgecombinedorganic,Computersystemsinordertoestablishtheintegrityoftheconcept.

三、课程性质与教学目的

《计算机系统结构》的教学对象为计算机相关专业的高年级本科生专业技术基础课程，目的是介绍计算机体系结构的概念、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

第一单元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，掌握计算机体系结构、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。

了解语言实现的两种基本技术。

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体系结构的影响。

4、掌握存储程序计算机在体系结构上的主要特点。

了解对这种体系结构所作的改进。

5、掌握同构型多处理机、异构型多处理机和分布处理系统的定义和异同点。

6、了解计算机性能的若干定义。

知道估评计算机性能的测试程序。

7、掌握计算机体系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（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）

计算机系统设计技术（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（性能、成本）

2．基本概念和知识点

计算机系统层次结构，系统结构、组成和实现三者之间关系，透明性，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，价格、应用、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、组成与实现的三者关系、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。

（三）实践环节与课后练习

实践环节：

实验一：

Linux基本命令练习；

实验二：

Linux基本命令及C语言编程环境练习；

实验三：

CPU性能测试实验；

实验四：

编译器对系统性能的影响实验。

课后练习：

布置一些关于计算机系统设计的定量原理和评价cpu性能的课后习题。

（四）教学方法与手段

理论讲授、实验与课堂讨论相结合

第二单元指令与寻址

（一）目的与要求

1、了解数据类型和数据表示。

2、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。

3、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。

4、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。

5、了解各种控制指令的定义、四种改变控制流程的操作及三种表示分支条件的技术。

6、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。

7、掌握指令中两种表示寻址方式的方法。

8、了解DLX中的寄存器、数据类型、寻址方式和数据传送、指令格式及DLX中的操作。

（二）教学内容

1．主要内容

数据表示（数据表示与数据类型、浮点数据表示、自定义数据表示）

寻址技术（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）

定位方式（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）

指令格式的优化设计（指令的组成、操作码的优化表示、地址码的优化表示、指令格式设计举例）

指令系统的功能设计（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

关于系统指令系统层的基本知识，包括数据表示、寻址技术、指令格式的优化设计、CISC指令系统和RISC指令系统等。

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。

（三）实践环节与课后练习

实践环节：

实验一：

熟悉WinDLX的使用；

课后练习：

布置一些关于计算定点和浮点数表示范围、设计浮点数格式、Huffman扩展编码法、分析和设计指令格式的课后习题。

（五）教学方法与手段

以理论讲授为主结合实验及习题课。

第三单元存储系统

（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；理解存储层次的四个问题。

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；理解路数和组数的概念及其关系。

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（存储系统的定义、存储器的层次结构、频带平衡、并行存储器）

虚拟存储器（虚拟存储器工作原理、地址的映象与变换、加快内部地址变换的方法、页面替换算法及其实现、提高命中率的方法）

高速缓冲存储器（基本工作原理、地址映象与变换方法、Cache替换算法及其实现、Cache的性能分析）

三级存储系统（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