計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程大綱

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）學(xué)分?jǐn)?shù)3周學(xué)時3+0課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課預(yù)修課程：計(jì)算機(jī)原理教學(xué)目的：通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理、關(guān)鍵技術(shù)以及這一領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和發(fā)展趨勢有所了解，并掌握基本的對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析的方法，構(gòu)筑起了解、學(xué)習(xí)、研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的必備基礎(chǔ)知識?；緝?nèi)容：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)、指令集結(jié)構(gòu)、流水線技術(shù)、指令級并行、存儲層次、輸入輸出系統(tǒng)、多處理機(jī)技術(shù)?；疽螅簩W(xué)生應(yīng)按本大綱具體要求，通過對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理、關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展趨勢的學(xué)習(xí)，掌握計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的基本概念、基本原理，具備對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能進(jìn)行基本分析的方法和手段，為在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的進(jìn)一步深入研究打下必備的知識基礎(chǔ)。教學(xué)用書：張晨曦主編《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》，高等教育出版社，2001年1月教學(xué)內(nèi)容、要求和課時安排：、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念（學(xué)時數(shù)：9）教學(xué)內(nèi)容計(jì)算機(jī)性能的高速增長的原因及體系結(jié)構(gòu)技術(shù)對計(jì)算機(jī)性能發(fā)展的影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念經(jīng)典計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)定義體系結(jié)構(gòu)與組成、實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系廣義計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)定義系列機(jī)、兼容機(jī)概念及軟件兼容概念計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及其中的并行性發(fā)展并行性概念；并行性等級。定量分析技術(shù)響應(yīng)時間；流量；CPU時間；系統(tǒng)加速比；可改進(jìn)比例；部件加速比；CPU的性能（如何衡量、CPU時間、CPI、時鐘頻率之間關(guān)系）教學(xué)要求理解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念，以及與組成、實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系；理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次概念；了解系列機(jī)、兼容機(jī)概念及軟件兼容概念；了解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及其中的并行性發(fā)展，理解并行性及并行性等級概念；掌握基本的定量分析技術(shù)；二、計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（學(xué)時數(shù)：9）教學(xué)內(nèi)容指令集結(jié)構(gòu)分類指令集結(jié)構(gòu)最主要的分類方法：CPU中操作數(shù)的存儲方法通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的分類、優(yōu)缺點(diǎn)尋址技術(shù):各種尋址方式、使用情況統(tǒng)計(jì)指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)：操作的分類CISC與RISC控制指令:表示分支條件的技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)操作數(shù)的類型、表示和大小指令集格式的設(shè)計(jì)編譯技術(shù)與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)編譯技術(shù)及優(yōu)化技術(shù)的關(guān)系、編譯技術(shù)對體系結(jié)構(gòu)的影響、體系結(jié)構(gòu)對編譯技術(shù)的影響DLX指令集教學(xué)要求理解指令集結(jié)構(gòu)的各種分類方法以及最主要的分類方法；理解通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的分類、特點(diǎn)；了解各種尋址方式及基本使用情況；了解指令集結(jié)構(gòu)中常用的操作類型；了解CISC、RISC技術(shù)的思想及特點(diǎn)；理解各種表示分支條件的技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)；了解操作數(shù)的類型、表示、大小、使用頻率以及指令集格式的設(shè)計(jì)思想;了解編譯技術(shù)與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的關(guān)系；三、流水線技術(shù)（學(xué)時數(shù)：9）教學(xué)內(nèi)容流水線的基本概念、特點(diǎn)、分類、時一空圖DLX基本流水線流水線性能分析：吞吐率、效率、加速比流水線中的相關(guān)結(jié)構(gòu)相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)、解決方法、時一空圖情況、數(shù)據(jù)相關(guān)的進(jìn)一步分類流水線計(jì)算機(jī)實(shí)例MIPSR4000向量計(jì)算機(jī)中的流水線教學(xué)要求理解并掌握流水線的基本概念、特點(diǎn)、分類及時一空圖分析方法；理解DLX基本流水線的實(shí)現(xiàn)思想及分析方法；掌握基本的流水線性能分析方法；掌握基本的流水線相關(guān)性的分析方法；了解MIPSR4000和向量計(jì)算機(jī)中的流水線技術(shù);四、指令級并行（學(xué)時數(shù)：9）教學(xué)內(nèi)容指令級并行的概念提高指令級并行的基本技術(shù)：循環(huán)展開、重命名程序代碼中的相關(guān)性：數(shù)據(jù)相關(guān)、名相關(guān)、控制相關(guān)指令的動態(tài)調(diào)度：記分牌、保留站控制相關(guān)的動態(tài)解決技術(shù)：分支預(yù)測緩沖技術(shù)、分支目標(biāo)緩沖技術(shù)、推斷執(zhí)行多指令流出技術(shù)：基本思想教學(xué)要求理解指令級并行的概念；掌握循環(huán)展開、重命名等提高指令級并行的基本技術(shù)；具備對程序代碼中的相關(guān)性進(jìn)行分析的能力；了解指令動態(tài)調(diào)度技術(shù)和控制相關(guān)動態(tài)解決技術(shù)的基本思想、解決的問題；了解多指令流出技術(shù)思想；五、存儲器的層次結(jié)構(gòu)（學(xué)時數(shù)：9）教學(xué)內(nèi)容多級存儲器的基本思想多級存儲器的性能分析方法設(shè)計(jì)存儲層次要考慮的問題Cache基本知識：映象規(guī)則、查找算法、替換算法、寫策略Cache的結(jié)構(gòu)、性能分析Cache的失效分類及解決方法VictimCache、偽相聯(lián)Cache、預(yù)取減少命中時間、失效率、失效開銷的技術(shù)主存：提高主存性能的一些結(jié)構(gòu)虛存：基本原理、實(shí)現(xiàn)原理及技術(shù)、設(shè)計(jì)思想、快表、頁面大小問題進(jìn)程保護(hù)與虛存實(shí)例教學(xué)要求掌握多級存儲器的基本思想和性能分析方法；掌握Cache基本知識、結(jié)構(gòu)、性能分析以及提高性能的技術(shù)；了解主存、虛存的原理、結(jié)構(gòu)、分類以及提高性能的技術(shù)；了解進(jìn)程保護(hù)的原理及虛存實(shí)例；六、輸入輸出系統(tǒng)（學(xué)時數(shù)：9）教學(xué)內(nèi)容I/O設(shè)備I/O設(shè)備與處理機(jī)的連接方式存儲設(shè)備總線：分類、原理、實(shí)例通道處理機(jī)的分類、作用、工作過程、流量分析I/O與操作系統(tǒng)：I/O與Cache數(shù)據(jù)一致性、DMA與虛存I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)要求了解常用的I/O設(shè)備及I/O設(shè)備與處理機(jī)的連接方式；了解常用的存儲設(shè)備；了解總線的分類、原理以及一些實(shí)例；了解通道處理機(jī)的分類、作用、工作過程，掌握流量分析方法；了解I/O與Cache數(shù)據(jù)一致性、DMA與虛存之間的關(guān)系以及I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮的問題；七、多處理機(jī)（學(xué)時數(shù)：6）教學(xué)內(nèi)容并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的分類存儲器的結(jié)構(gòu)和分類：集中式共享存儲器結(jié)構(gòu)、分布式存儲器結(jié)構(gòu)通信模型與存儲器的結(jié)構(gòu)模型之間的關(guān)系并行計(jì)算機(jī)性能面臨的問題Cache一致性問題：兩種協(xié)議（目錄、監(jiān)聽）互連網(wǎng)絡(luò)（靜態(tài)、動態(tài)）同步技術(shù)教學(xué)要求了解并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及其分