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1、计算机系统结构课程教学大纲Computer Architecture 课程代码： 24101125 课程性质：专业课必修适用专业：计算机科学与技术、软件工程、网络工程总学分数： 2.5 总学时数： 40 修订年月： 2010 年 8 月编写年月： 2010 年 8 月执笔：胡志斌课程简介 ( 中文) ：“计算机系统结构”是计算机及相关学科的专业技术基础课程。它主要研究软件、硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定，即确定哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件实现。计算机系统结构是从外部来研究计算机系统。它是使用者所看到的物理计算机的抽象，编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的计算机的属性。本课
2、程的学习目的是建立计算机系统的完整概念，学习计算机系统的分析方法和设计方法，掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理。本课程将深入浅出地全面介绍计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法。内容包括计算机系统结构的基本概念、指令系统、存储系统、输入输出系统、标量处理机、向量处理机互连网络、并行处理机和多处理机等。课程简介 ( 英文) ：Computer Architecture is a basic course of computer and related disciplines. Its main research includes definition of functi
3、ons and interfaces of software and hardware. That is, determining what is done by the software and what is done by hardware. Computer architecture is an aspect of computer systems from outside. It is an abstract of physical computer. It is also properties that computer users must know to write corre
4、ct programs that can run in machines. The target of this course is to build a complete concept of computer systems, to learn analysis and design methods of the computer system, to master basic structure and principle of new computer systems. The course introduces basic concepts， principle ， structur
5、e and fundamental analysis of computer systems completely. The content includes the computer systems basic concepts, instruction sets, storage systems, input-output systems, scalar processors, vector processors interconnection network, parallel processing, multi-processor, and so on. 一、课程目的本课程是计算机及应
6、用专业的主干课程和核心课程。本课程是在计算机组成原理课程的基础上，从系统分析和设计的角度，使学生建立起计算机系统的完整概念。“计算机系统结构”是从计算机用户（包括应用程序员和系统程序员）角度所看到的、或必须掌握的计算机系统的属性。其中某些内容和先修课程中有重叠之处，例如数据表示、指令系统、存储系统、和输入输出系统等，但本课程是从系统分析和设计的角度来阐述这些内容的，主要目的不再是简单地让学生掌握其硬件原理，而更重要的是分析方法和设计方法。通过本课程的学习，能够让学生比较全面地掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析设计方法，建立起计算机系统的完整概念。计算机科学是一门发展非常
7、迅速的学科，在组织课程内容时要有较高的起点。对于计算机系统结构的新进展，例如超标量、超流水线、SIMD 、互连网络、多处理机等部分内容应该酌情分配足够的学时，力图使学生了解计算机系统结构的新进展。通过本课程的学习，使学生了解和掌握计算机系统结构基本原理和方法，掌握计算机系统的基本设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 思路 ,与 C 语言、计算机组成原理、数据结构等先修课程的内容呼应，加深理解，提升层次，与编译原理、
8、操作系统等后续课程相辅相成，相互促进，进一步形成计算机专业知识架构。通过本课程的学习，了解当代计算机系统结构发展的状态，为进一步学习和研究计算机学科中其他专业知识打下基础。二、课程教学内容及学时分配第一章计算机系统结构的基本概念（5 学时）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。本章知识点为：计算机系统结构基本概念：包括计算机系统的层次结构、系统结构的定义、分类、设计技术、评价
9、标准和系统结构的发展等。第二章指令系统（ 5 学时）指令格式的设计和优化。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。本章知识点为：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。第三章存储系统（ 5 学时）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，
10、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。由于本部分内容与 计算机组成原理有重叠，建议略减部分内容。本章知识点为：存储系统原理、虚拟存储器和高速缓冲存储器等。第四章输入输出系统（自学）输入输出原理、中断系统、通道处理机和输入输出处理机。本章知识点为：输入输出原理、中断系统、通道处理机和输入输出处理机。第五章标量处理机（9 学时）指令重叠执行分析，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
11、技术分析和原理，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。本章知识点为：先行控制处理技术和流水线技术工作方式，及其性能评价。第六章向量处理机（2 学时）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
12、和优化设计。本章知识点为： 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。第七章互连网络（ 8 学时）互连网络的作用，静态网络,动态网络，存储转发寻径,虫蚀寻径 ,线路开关寻径,虚拟直通寻径，互连函数,虚拟通道 ,单播 ,选播 ,广播 ,会议 ,通道流量 ,网络通信时延。本章知识点为：系统互连网络的基本概念、消息传递机制。第八章SIMD 计算机（ 3 学时）SIMD 计算机： SIMD 计算机模型、存储器结构、SIMD 计算机特点、SIMD 计算机应用、若干SIMD名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -
13、- - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 计算机实例结构分析。并行算法。本章知识点为：SIMD 计算机模型、结构、实例和SIMD 计算机的应用。第九章多处理机（ 3 学时）虚拟共享存储器、多处理机结构、性能模型分析，多处理机的Cache数据一致性协议，多处理机实例结构分析。本章知识点为：多处理机技术及其结构。三、课程教学的基本要求本课程是计算机专业的专业基础课程，理论性较强，是本专业的理论基础课程。在教学方法上，采用课前预习，课堂讲授，课后自学，课堂讨论等教学形式。(一)课前预习本课程是学生较早
14、进入的专业课程，为使学生尽快适应专业课程的特点和学习方法，应指导学生做好充分的预习，避免学生面对大量的课程内容和对基础知识的应用无法适应。(二)课堂讲授本课程属专业基础理论课程，在教学中要求同学重点掌握基本概念、基本方法和基本规律，要着重培养学生理解理论的能力，在课程内容方面既要保持理论的系统性，又要注意联系实际，并且重视技术科学的一般方法学的培养。（三）课后自学为了培养学生整理归纳，综合分析和处理问题的能力，每章都安排一部分内容，课上教师只给出自学提纲，不作详细讲解，课后学生自学。（四）课堂讨论课堂讨论的目的是活跃学习气氛，开拓思路。教师应认真组织，安排重点发言，充分调动每一名同学的学习积极
15、性，做好总结。（五）习题课习题课以典型例题分析为主，并适当安排开阔思路及综合性的练习及讨论。（六）课外作业课外作业的内容选择基于对基本理论的理解和巩固，培养综合计算和分析、判断能力。（七）平时测验为及时了解教学情况，教师可适当安排平时课堂测验，每次测验不超过30 分钟。（八）考试考试采用闭卷方式，考试范围应涵盖所有讲授及自学的内容，考试内容应能客观反映出学生对本门课程主要概念的记忆、掌握程度， 对有关理论的理解、掌握及综合运用能力。试题包括基本概念，基本理论，分析计算，题型可采用选择，填空，判断，计算，画图，简答，分析等方式。总评成绩：课外作业、考勤、平时测验占30%；期末闭卷考试占70%。四
16、、本课程与其它课程的联系与分工先修课程： C 语言、计算机组成原理、数据结构后续课程：编译原理、操作系统、分布式与并行处理五、建议教材及教学参考书1郑纬民、汤志忠编， 计算机系统结构 ，清华大学出版社，第二版，1998 年 9 月出版2Computer Architecture ：A Quantitative Approach（Third Edition ） ，John L. Hennessy，David A. Patterson ，2002 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -