計算機系統(tǒng)課程教學大綱

1、計算機系統(tǒng)結構教學大綱 （ 參考學時：約48學時 ） 1. 課程的性質、目的和意義 計算機系統(tǒng)結構是計算機科學與技術專業(yè)（本科）必修的一門專業(yè)技術課。計算機系統(tǒng)結構是計算學科的重要分支之一。計算機的發(fā)展歷史說明，計算機性能的不斷提高主要依靠器件的變革和系統(tǒng)結構的改進。今天，在器件潛力幾乎達到極限的情況下，計算機系統(tǒng)結構的改進尤為重要。 本課程是從外部來研究計算機系統(tǒng), 即使用者所看到的物理計算機的抽象;編寫出能夠在機器上正確運行的程序所必須了解到的計算機的屬性;軟硬件功能分配及分界面的確定。 通過本課程的學習，使學生建立計算機系統(tǒng)的完整概念;掌握計算機系統(tǒng)結構的基本概念、基本原理、基本結構和基

2、本分析方法，為學生熟悉現(xiàn)代計算機系統(tǒng)特別是微型計算機系統(tǒng)的開發(fā)、應用和發(fā)展打下良好的基礎。本課程應該注重培養(yǎng)學生對系統(tǒng)結構的分析能力，掌握系統(tǒng)結構設計的基本原則。即如何最合理地利用新器件，最大限度地發(fā)揮其潛力，設計并構成綜合性能指標最佳的計算機系統(tǒng)。 本課程為計算機專業(yè)（本科）高年級課程，需要綜合幾乎所有計算機專業(yè)基礎和相關的前繼專業(yè)課程知識。主要有：計算機組成原理、匯編語言程序設計、高級語言程序設計、數(shù)據(jù)結構、操作系統(tǒng)、編譯原理等課程。本課程的新內(nèi)容為超標量處理機、超流水線處理機、向量處理機、并行處理機、線程級并行、多核處理器、多處理器系統(tǒng)及其并行計算等。 1. 教學內(nèi)容 本課程知識結構圖如

3、圖1所示。第一部分 計算機系統(tǒng)結構的基礎 1. 教學內(nèi)容 2. 計算機的發(fā)展及其分類； 3. 計算機系統(tǒng)多級層次結構和計算機系統(tǒng)結構的基本概念； 4. 計算機系統(tǒng)設計的評價標準和定量原理； 5. 軟件、器件、應用對計算機系統(tǒng)結構的影響； 6. 計算機系統(tǒng)的分類。 2教學基本要求 1. 熟練掌握內(nèi)容: 計算機系統(tǒng)層次結構，計算機系統(tǒng)結構定義，計算機組成定義，計算機實現(xiàn)定義，系統(tǒng)結構、組成與實現(xiàn)的三者關系，透明性，計算機系統(tǒng)設計的定量分析原理（Amdahl定律，CPU性能公式，并行性原理，局部性原理），MIPS定義，MFLOPS定義。 2. 掌握內(nèi)容: 弗林分類法，馮·諾依曼計算機特征，

4、計算機系統(tǒng)結構的演變，軟件、器件、應用對計算機系統(tǒng)結構的影響，模擬與仿真。 3. 了解內(nèi)容: 計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展，計算機的分類，計算機系統(tǒng)設計的主要方法。 3重點和難點 重點： 1. 計算機系統(tǒng)結構，計算機組成和計算機實現(xiàn)是三個不同的概念；2. 計算機系統(tǒng)設計的定量分析原理（Amdahl定律，CPU性能公式，并行性原理，局部性原理）；3. 系統(tǒng)結構的評價標準；4. 計算機系統(tǒng)結構的分類。 難點： 1. 計算機系統(tǒng)設計的定量分析原理。 第二部分 計算機指令系統(tǒng) 1. 教學內(nèi)容 1. 數(shù)據(jù)類型；2. 尋址技術；3. 指令系統(tǒng)的設計；4. 指令系統(tǒng)的改進。2教學基本要求 1. 熟練掌握內(nèi)容：數(shù)據(jù)表

5、示和數(shù)據(jù)結構，自定義數(shù)據(jù)表示，大端存儲和小端存儲，尋址方式，指令格式的優(yōu)化（Huffman編碼法、擴展編碼法），RISC的定義與特點,減少指令平均執(zhí)行周期數(shù)方法。 2. 掌握內(nèi)容：引入數(shù)據(jù)表示的原則，編址方式，程序裝入與定位方式，指令功能的設計，CISC指令系統(tǒng)。 3. 了解內(nèi)容：浮點數(shù)據(jù)表示，其它數(shù)據(jù)表示，指令系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)展方向。 3重點和難點 重點： 1. 指令系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中軟件與硬件的接口； 2. 數(shù)據(jù)表示； 3. 尋址方式； 4. 指令格式的優(yōu)化設計； 5. 指令系統(tǒng)的功能設計； 6. 復雜指令系統(tǒng)計算機； 7. 精簡指令系統(tǒng)計算機； 8. CPI。 難點： 1. 指令格式的優(yōu)化；

6、 2. 程序裝入與定位方式。 第三部分 存儲系統(tǒng) 1. 教學內(nèi)容 1. 存儲系統(tǒng)及原理； 2. 虛擬存儲器； 3. 高速緩沖存儲器（Cache）； 4. 三級存儲系統(tǒng)； 5. 并行存儲器； 6. RAID系統(tǒng)； 7. 存儲域網(wǎng)絡（SAN）。 2教學基本要求 1. 熟練掌握內(nèi)容: 存儲系統(tǒng)的定義,存儲系統(tǒng)的性能參數(shù), 存儲器訪問局部性的概念；存儲層次結構中的命中率概念及計算。Cache 存儲器工作原理,虛擬存儲器工作原理，地址映象與變換方法, 替換算法。 2. 掌握內(nèi)容: Cache的一致性及性能分析，存儲器的頻帶平衡，提高主存命中率的方法，替換算法實現(xiàn)，低位交叉訪問存儲器，高位交叉訪問存儲器。

7、 了解內(nèi)容: 11種先進的Cache性能優(yōu)化方法，三級存儲系統(tǒng)，RAID系統(tǒng)，存儲域網(wǎng)絡（SAN）。 3重點和難點 重點： 1. 提高存儲器性能的主要方法有層次存儲器、并行存儲器； 2. 存儲系統(tǒng)的主要性能參數(shù)； 3. 塊/頁的定位問題，替換問題，一致性問題。 難點： 1. 塊/頁的定位問題，替換問題，一致性問題。 第四部分 輸入輸出系統(tǒng) 1. 教學內(nèi)容 1. 輸入輸出系統(tǒng)的特點； 2. 基本的輸入輸出方式； 3. 輸入輸出總線； 4. I/O處理機。 2教學基本要求 1. 熟練掌握內(nèi)容：基本的輸入輸出方式，通道處理機原理。 2. 掌握內(nèi)容：輸入輸出系統(tǒng)的特點，I/O性能評價。 3. 了解內(nèi)容

8、：輸入輸出總線的設計，通道流量的計算，外圍處理機。 3重點和難點 重點： 1. 輸入輸出系統(tǒng),輸入輸出系統(tǒng)的異步性、實時性和設備無關性； 2. 程序控制輸入輸出方式、直接存儲器訪問方式（DMA）和中斷輸入輸出方式； 3. 字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道； 4. 外圍處理機。 難點： 1. 通道流量的計算 第五部分 流水線技術與向量處理技術 1. 教學內(nèi)容 1. 流水線基礎； 2. 流水線技術； 3. 流水線的相關性分析及處理； 4. 向量的流水處理與向量流水處理機。 2教學基本要求 1. 熟練掌握內(nèi)容：流水線工作原理，時空圖，線性流水線，輸入任務連續(xù)情況下單功能線性流水線的吞吐率、加速比

9、和效率。向量處理的基本概念。 2. 掌握內(nèi)容：指令的重疊執(zhí)行，RISC對流水線技術的支持，先行控制技術，輸入任務不連續(xù)情況下單功能、線性流水線的性能分析，向量流水處理機的鏈接技術。 3. 了解內(nèi)容：非線性流水線的調度，流水線的相關性分析及處理，流水線的分類，提高向量流水處理機性能的其他技術。 3重點和難點 重點： 1. 先行控制技術（look-ahead）； 2. 流水線的原理、特點及其分類； 3. 流水線的性能分析。 難點： 1. 流水線的性能分析第六部分 并行處理機 1. 教學內(nèi)容 1. 陣列處理機； 2. 陣列機中并行存儲器的無沖突訪問； 3. 相聯(lián)處理機； 4. 脈動陣列機； 5. 互

10、連網(wǎng)絡； 6. 超標量流水線和超流水線； 7. 超長指令字處理機。 2教學基本要求 1. 熟練掌握內(nèi)容：SIMD計算機的基本概念和模型，陣列處理機基本結構, 陣列處理機的特點；互連網(wǎng)絡的概念，超標量、超流水線、超長指令字處理的基本原理。 2. 掌握內(nèi)容: 超標量處理機性能分析，超流水線處理機性能分析，超流水線超標量處理機性能分析。靜態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡的特性和拓撲結構, 動態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡的置換函數(shù)。 3. 了解內(nèi)容：陣列機中并行存儲器的無沖突訪問，脈動陣列機，相聯(lián)處理機，多級互聯(lián)網(wǎng)絡，互聯(lián)網(wǎng)絡的通信問題。 3重點和難點 重點 1. SIMD計算機模型； 2. 陣列處理機基本結構； 3. 互連網(wǎng)絡的特性:結點

11、度，距離，網(wǎng)絡直徑，網(wǎng)絡規(guī)模，帶寬總和，對分寬度；靜態(tài)互聯(lián)網(wǎng)絡的拓撲結構； 4. 動態(tài)互連網(wǎng)絡的置換函數(shù)，網(wǎng)絡的傳輸性能特性； 5. 超標量處理機性能分析，超流水線處理機性能分析，超流水線超標量處理機性能分析。難點1. 動態(tài)互連網(wǎng)絡的置換函數(shù)，網(wǎng)絡的傳輸性能特性； 第七部分 PC計算機的系統(tǒng)結構 1. 教學內(nèi)容 1. PC計算機的發(fā)展回顧； 2. Intel Core微架構； 3. AMD 64處理器架構； 4. 主板芯片組； 5. 未來PC處理器的發(fā)展方向。 2教學基本要求 1. 熟練掌握內(nèi)容：影響PC處理器發(fā)展的兩個重大事件，Intel Core微架構的特點，AMD 64處理器架構的特點，

12、主板芯片組的概念。 2. 掌握內(nèi)容：PC計算機的四代發(fā)展，未來PC處理器的發(fā)展方向。 3. 了解內(nèi)容：前端總線FSB。 3重點和難點 重點 1. 影響PC處理器發(fā)展的兩個重大事件分析； 2. Intel Core微架構的分析； 3. AMD 64處理器架構的分析； 4. 主板芯片組的功能； 5. 未來PC處理器的發(fā)展方向。 難點 1. Intel Core微架構的分析； 第八部分 多處理機系統(tǒng) 1. 教學內(nèi)容 1. 指令級并行性的限制和超線程技術； 2. 多處理器構成的系統(tǒng)結構； 3. 多處理器的Cache一致性； 4. 多處理器系統(tǒng)的同步機制； 5. 集群系統(tǒng)； 6. 多處理器系統(tǒng)的程序并行

13、性； 7. 曙光5000超級計算機。 2教學基本要求 1. 熟練掌握內(nèi)容： MIMD計算機的基本結構（共享存儲多處理機, 分布存儲多處理機）, Cache一致性，集群系統(tǒng)及其特點。 2. 掌握內(nèi)容：指令級并行性的限制，限制單處理器發(fā)展的其它主要因素，超線程技術，多核處理器結構，對稱式共享存儲器系統(tǒng)和多處理器的Cache一致性，分布式共享存儲器系統(tǒng)和基于目錄的Cache一致性，多處理器系統(tǒng)的同步機制概念，集群系統(tǒng)的關鍵技術，多處理器系統(tǒng)的程序并行性挖掘。 3. 了解內(nèi)容：多處理器并行處理定量分析和所遇到的問題，多處理器系統(tǒng)的同步機制處理，支持并行程序的軟件工具，曙光5000超級計算機。 3重點和

14、難點 重點 1. MIMD計算機的基本結構； 2. 指令級并行性的限制； 3. 多核處理器結構； 4. Cache一致性； 5. 多處理器系統(tǒng)的同步機制概念； 6. 集群系統(tǒng)的關鍵技術； 7. 多處理器系統(tǒng)的程序并行性挖掘。 難點 1. Cache一致性； 2. 多處理器系統(tǒng)的程序并行性挖掘。 第九部分 DLX虛擬處理器及其實驗 1. 教學內(nèi)容 1. WinDLX虛擬處理器概述； 2. WinDLX虛擬處理器的指令系統(tǒng)； 3. WinDLX匯編； 4. WinDLX的流水線結構； 5. WinDLX虛擬處理器上機操作； 6. DLX虛擬處理器實驗。 2教學基本要求 1. 熟練掌握內(nèi)容：WinD

15、LX虛擬處理器，WinDLX的流水線結構，WinDLX虛擬處理器上機操作。 2. 掌握內(nèi)容：DLX虛擬處理器實驗。 3. 了解內(nèi)容：WinDLX虛擬處理器的指令系統(tǒng)；WinDLX匯編。 3重點和難點 重點 1. WinDLX的流水線結構； 2. WinDLX虛擬處理器上機操作； 3. DLX虛擬處理器優(yōu)化流水線處理的實驗。 難點 1. WinDLX的流水線結構； 教學方法 課堂講授采用多媒體教學和組織討論方式。結合理論進行實驗，自主分析實驗結果。1. 學時分配（共計48學時） 部分 教學內(nèi)容 講課課時 實驗內(nèi)容 實驗課時 一 計算機系統(tǒng)結構的基礎 6二 計算機指令系統(tǒng) 6三 存儲系統(tǒng) 4四 輸

16、入輸出系統(tǒng) 2五 流水線技術與向量處理技術8實驗一? 熟悉WinDLX的使用 1六 并行處理機 6實驗二? DLX流水線結構相關 1七 PC計算機的系統(tǒng)結構 4實驗三? DLX流水線數(shù)據(jù)相關 2*八 多處理器系統(tǒng) 6實驗四? DLX流水線指令調度 2*九 DLX虛擬處理器 自學 合計 4261. 教學中應注意的問題 1. 注意從系統(tǒng)分析和設計的角度，讓學生重點建立起完整的計算機系統(tǒng)的概念和基本分析方法。在討論各種系統(tǒng)結構時，緊緊圍繞系統(tǒng)可能出現(xiàn)的瓶頸和克服瓶頸的方法進行介紹。 2. 緊密結合學生計算機應用實際，突出現(xiàn)代高級微型計算機系統(tǒng)結構介紹和分析，為學生掌握主流微型計算機系統(tǒng)結構發(fā)展打下基

17、礎。 3. 利用PC平臺上的DLX虛擬處理器進行以流水線結構研究為主的實驗，要求寫出實驗報告。 4. 適當開展教學討論、作業(yè)難題分析和實驗結果分析。 2. 課程考核 論文寫作、實驗和平時作業(yè)、學習表現(xiàn)相結合構成成績總分，其中論文成績占70%，實驗及平時成績占30%。 1. 適用教材和參考教材及資源 適用教材 1蔡啟先. 計算機系統(tǒng)結構. 北京：電子工業(yè)出版社，2008參考教材及資源 1John L.Hennessy, David A.Patterson. 計算機系統(tǒng)結構量化研究方法（第四版） 白躍彬 譯. 北京： 電子工業(yè)出版社 ，20072John L.Hennessy, David A.P

18、atterson. 計算機系統(tǒng)結構：一種定量的方法（第二版）. 鄭緯民,湯志忠,汪東升等譯. 北京：清華大學出版社,2002 3鄭緯民，湯志忠.計算機系統(tǒng)結構（第二版）.北京：清華大學出版社，19984李學干. 計算機系統(tǒng)的體系結構. 北京：清華大學出版社，20065尹朝慶，唐建雄，陳莉. 計算機系統(tǒng)結構. 武漢：華中理工大學出版社，20006胡越明. 計算機系統(tǒng)結構. 北京：北京航空航天大學出版社，20077李學干. 計算機系統(tǒng)結構學習指導與題解. 西安：西安電子科技大學出版社，20018尹朝慶，盧葦，吳釗等. 計算機系統(tǒng)結構學習指導與題解. 武漢：華中理工大學出版社，20039高輝. 計算機系