《计算机系统结构》教学大纲.docx
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《计算机系统结构》教学大纲
教学大纲
课程名称计算机系统结构
课程负责人任国林
学时48
学分3
开课院系计算机科学与工程系
制订日期1999年
东南大学
课程基本情况
课程名称
计算机系统结构
课程编号
09406
先修要求
计算机组成原理、接口与通信、操作系统、编译原理
授课对象
计算机专业本科
讲课学时
48学时
实验学时
8学时（课程设计）
上机学时
教材名称
及主编姓名
计算机系统结构（张晨曦主编）
教学参考书
计算机系统结构（陆鑫达等编）
计算机系统结构（郑纬民等编）
课程的地位、作用及任务
随着计算机硬件、软件技术的不断发展，怎样合理地分配计算机软、硬件功能，最大限度地开发计算机的并行性，达到最佳性能/价格，是计算机系统设计人员最关心的课题。
对计算机专业本科生而言，不仅要掌握计算机的软、硬件系统组成及工作原理，具有开发与应用技能；而且必须进一步掌握计算机系统设计的基本原理和方法。
《计算机系统结构》正是这样一门面向计算机系统分析与设计的课程。
《计算机系统结构》是计算机专业本科生的一门系统分析与设计综合课程。
目的之一是从计算机系统的层次结构观点出发，掌握如何分析和设计计算机系统，并对计算机系统软、硬件功能进行合理分配，以及如何最佳地实现分配给硬件的功能，达到最佳性能/价格；目的之二是从并行处理角度出发，研究流水技术和并行处理技术在计算机系统中的应用和实现方法，以实现计算机系统性能/价格的优化。
本课程的任务是立足于系统设计者角度，分析和评价影响系统性能/价格的因素；研究计算机系统结构的分析和设计方法；掌握并行处理技术在现代计算机系统中的应用和实现方法。
通过本课程的学习，要求学生能够掌握计算机系统结构的分析和设计方法，同时掌握最新的计算机流水技术和并行处理技术。
教学内容和基本要求
本课程主要教学内容有七章，分为计算机系统结构设计、并行处理技术两大部分。
第一章系统结构设计基础
1.计算机系统结构基本概念
理解计算机系统结构定义、含义与组成，掌握研究计算机系统结构的重要性，掌握系统结构的分类、评价方法。
2.计算机系统设计准则
理解与掌握计算机系统设计中常用的几个设计准则。
3.计算机系统结构分类
理解与掌握几种计算机系统结构的分类方法及特点。
4.计算机性能评价
理解与掌握计算机性能指标、评价方法。
5.计算机系统结构的发展
研究影响计算机系统结构发展的三大因素，以及计算机系统结构从冯·诺依曼机到现代微机结构的发展过程和并行性开发的发展。
第二章指令系统
1.数据表示
掌握数据表示含义、设计方法，以及新数据表示引入原则。
2.指令系统总体设计
掌握指令系统设计基本思想、设计原则、衡量指标，深刻领会指令系统的设计步骤和思想，掌握几种类型的指令系统集特点。
3.指令集功能设计
掌握CISC和RISC风格的指令功能集的设计思想、设计原则及优化方法。
4.寻址方式设计
研究操作访问的编址和寻址方式，掌握寻址方式的选择原则—频带分析法。
5.指令格式设计及优化
掌握操作码和指令字的设计方法和优化方法。
6.RISC使用的技术
分析RISC的设计原则，掌握其所采用的窗口重叠技术、优化延迟转移技术、优化编译技术。
第三章存储系统
1.存储系统设计基本原理
掌握存储系统的构成及其设计原则—访存局部性原理。
2.高速缓冲存储器（Cache）
掌握Cache基本结构和工作原理，研究地址映象与变换、替换策略和更新策略的工作原理和设计方法，分析影响Cache性能指标的因素及优化方法。
介绍先进的Cache结构和一致性处理方法（MESI）。
3.虚拟存储器
以Pentium为例，掌握虚拟存储器的结构与实现技术。
第四章标量流水技术
1.标量流水工作原理
介绍重叠、先行控制到流水线的发展，掌握标量流水工作原理、分类原则、性能指标及其分析、评价方法。
2.流水操作中的主要障碍
掌握流水操作中的几种相关产生原因及其解决方法，介绍Pentium系列处理器全局相关的先进处理方法—动态预测转移技术。
3.流水线的实现与控制
掌握流水线的中断处理方法、非线性流水线调度方法和流水线控制器的设计与实现方法。
4.指令级并行技术
分析现代微机所采用的动态执行技术（动态预测转移、动态调度、基于硬件的推断执行），掌握流水线中指令级并行性开发（超标量、VLIW、超级流水等）的工作原理和实现方法。
第五章向量流水处理
1.向量流水处理
掌握几种向量处理方式，及向量长度控制、访问步长及向量处理方法。
2.向量处理机结构
掌握向量流水工作原理，根据不同向量处理机的系统结构，掌握其存储系统的设计方法及并行存储器无冲突访问技术。
3.增强向量处理性能方法
掌握向量指令级并行性开发方法、向量处理机性能指标及评价方法。
第六章互连网络
1.互连网络基本概念
掌握互连网络的功能、种类、互连网络基本工作原理及其性能指标。
2.互连网络与拓扑结构
掌握互连函数与拓扑结构关系，静态与动态网络、SIMD与MIMD网络的实现原理。
3.消息传递机制
掌握消息传递机制的性能、路由算法、死锁及流控问题的解决方法。
第七章并行处理技术
1.并行处理技术
掌握并行性开发策略的原理及其应用范围。
2.SIMD并行处理机
掌握并行处理机结构及其工作原理，并行处理机常用并行算法及其不同结构的实现方法，以及Pentium中采用的SIMD技术（MMX技术）。
3.并行存储器无冲突访问
根据并行存储器的访问需求，分析存在问题、找出解决方法。
4.多处理机系统结构
掌握多处理机与SIMD机的主要区别，及多处理机结构、机间互连方式、Cache的一致性处理方法，通过具体案例分析多处理机的体系结构及工作原理。
5.多处理机中并行性开发
掌握多处理机中并行开发语言、编译程序、并行算法方面并行性开发的基本原理。
6.多处理机操作系统
掌握多处理机操作系统的类型及其实现技术。
实验内容和基本要求
内容：
在给定的假设条件下，进行指令系统和存储系统的设计。
目的：
掌握指令系统和存储系统设计的基本原理和方法。
要求：
设计指令系统的同时，进行相关系统结构内容的设计。
对学生能力培养的要求
1.掌握计算机系统结构的基本概念、组成部分及设计原则。
2.掌握计算机系统结构各组成部分的分析、设计原则和方法。
3.掌握现代微机所采用的流水技术工作原理和实现方法。
4.掌握计算机并行处理技术和并行程序设计方法。
课程学时分配表
教学内容
讲课
学时
实验
学时
上机
学时
习题课
其他
计算机系统结构含义、组成、分类、设计准则
3
计算机性能及其评价，影响系统结构发展因素，并行性发展
3
数据表示设计方法及引入原则，指令系统总体设计
3
功能设计、寻址方式设计、指令格式设计及优化、RISC采用技术
3
指令系统课程设计
指令系统设计（3学时）
存储体系设计原理，高速缓存原理及其设计
3
虚拟存储器原理及其设计
3
存储系统课程设计
3
存储系统设计（3学时）
标量流水工作原理、数据相关处理
3
流水线控制与实现，动态调度
3
指令级流水技术
3
向量流水处理
3
互连网络
3
并行处理技术，SIMD并行处理机结构、并行算法
3
多处理机系统及并行性开发技术
3
合计
39
6
课内外学时比：
1：
2.5
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