計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)大綱

《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)大綱一、課程基本狀況中文名稱：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)英文名稱：ComputerArchitecture課程號：0920072授課對象：計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生開課學(xué)期：秋學(xué)時數(shù)：40學(xué)分數(shù)：2.5課程性質(zhì)：必修專業(yè)課考核方式：考試先修課程：數(shù)字規(guī)律與設(shè)計、計算機組成原理后續(xù)課程：無開課教研室：計算機科學(xué)與技術(shù)教研室執(zhí)筆人：張沛露二、課程教學(xué)目標.任務(wù)和地位計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門必修的專業(yè)課，是重要硬件理論課。這門課程的主要任務(wù)是能使同學(xué)能系統(tǒng)地把握計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念、基本理論、基本結(jié)構(gòu)和分析方法，為同學(xué)今后從事計算機系統(tǒng)的理論討論及工程設(shè)計做好理論和技術(shù)上的預(yù)備。.學(xué)問要求耍求同學(xué)通過學(xué)習(xí)本課程能夠把握如下內(nèi)容：計算機體系結(jié)構(gòu)的概念和分類、計算機體系結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代計算機技術(shù)的關(guān)聯(lián)、計算機體系結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容及其設(shè)計方法、計算機體系結(jié)構(gòu)的評價標準、高性能計算機系統(tǒng)的進展趨勢。.力量要求使同學(xué)了解簡單計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和原理，到達對計算機的工作過程的原理特別清晰，能夠分析計算機的性能。三、教學(xué)內(nèi)容的基本要求和學(xué)時安排.教學(xué)內(nèi)容及要求（1）計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論把握計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)，理解計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)，理解軟硬取舍、計算機系統(tǒng)的設(shè)計方法，了解軟件、應(yīng)用、器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響，把握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的進展及計算機系統(tǒng)的分類。（2）數(shù)據(jù)表示、尋址方式與指令系統(tǒng)理解數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，了解指令系統(tǒng)中不同的尋址方式的優(yōu)缺點，嫻熟把握等長編碼、哈夫曼編碼和擴展操作碼的編碼方法，領(lǐng)悟并沿著增加指令功能的途徑，分別按三種不同的面對的優(yōu)化實現(xiàn)，了解CISC的問題和RISC的優(yōu)點，能概述出設(shè)計RISC機器的一般原那么。（3）存儲、中斷、總線與輸入輸出系統(tǒng)領(lǐng)悟存儲系統(tǒng)的基本要求，了解并行主存系統(tǒng)的各種組織形式；領(lǐng)悟在高性能多用戶的計算機系統(tǒng)中，I/O系統(tǒng)應(yīng)是面對操作系統(tǒng)來設(shè)計的概念。了解I/O系統(tǒng)的三種方式和I/O處理機的兩種形式，了解專用和非專用總線的定義、優(yōu)缺點及適用的場合；領(lǐng)悟非專用總線3種總線掌握方式的總線安排過程、優(yōu)缺點、輸出掌握總線線數(shù)；領(lǐng)悟總線分別采納同步和異步通信方式的通信過程、優(yōu)缺點及適用場合；領(lǐng)悟數(shù)據(jù)寬度的定義及它與數(shù)據(jù)通路寬度定義的區(qū)分，五種數(shù)據(jù)寬度的適用場合；了解在滿意性能和流量設(shè)計要求的前提下，可實行削減總線線數(shù)的方法，領(lǐng)悟為什么要將中斷源分成不同的類和級；分成幾類和幾級；了解設(shè)置中斷級屏蔽位的作用，能正確畫動身生多種中斷級懇求時，CPU執(zhí)行程序時的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程示意圖，了解通道處理機進行輸入輸出工作的全過程及通道處理機的工作原理；把握字節(jié)多路、數(shù)組多路和選擇三類通道各自采納的數(shù)據(jù)寬度是什么；能畫出通道處理機響應(yīng)和處理完各外設(shè)懇求的時間空間示意圖。（4）存儲體系領(lǐng)悟存儲體系及其分支；理解段式、頁式、頁段頁式三種不同的虛擬存儲管理方式的工作原理；把握其地址映象規(guī)章、映象表機構(gòu)、虛實地址變換過程及各自的優(yōu)點和問題，給出段式虛擬存儲器的虛實地址映象表內(nèi)容，能由程序虛地址推斷出是否發(fā)生段失效、頁失效或保護失效。假如沒有段、頁失效，能夠計算出主存的實地址；熟識頁式虛擬存儲器的虛實地址字段對應(yīng)關(guān)系和地址映象規(guī)章，會由虛地址查映象表推斷出是否發(fā)生頁失效，如無頁失效時，會計算出實主存地址，嫻熟把握在頁式虛擬存儲器中，通過給出安排程序的實頁數(shù)、程序頁地址流，分別采納FIFO、LRU、OPT法，模擬頁面替換時的程序頁面裝入和替換的過程,并能計算出頁命中率，把握LRU替換算法的堆棧模擬過程，領(lǐng)悟在虛擬存儲器中對頁面失效的處理及內(nèi)部地址映象表中的快慢表機構(gòu)，了解Cache存儲器的組成、工作原理，并能與虛擬存儲器進行對應(yīng)的比擬把握Cache存儲器中的全相聯(lián)、直接相聯(lián)、組相聯(lián)等三種地址映象規(guī)章，相應(yīng)的映象表機構(gòu)和虛、實地址變換過程,理解為解決Cache存儲器透亮性問題所提出的各種算法及為提高Cache塊命中率的各種預(yù)取算法。（5）流水和指令級高級并行的超級機領(lǐng)悟重疊方式的工作原理，采納重疊方式工作時，對計算機在組成設(shè)計上的要求，“一次重疊”方式的定義及好處；把握在“一次重疊”方式工作的機器上，對有關(guān)條件轉(zhuǎn)移指令與其后續(xù)指令之間的相關(guān)、指令相關(guān)、主存操作數(shù)相關(guān)、通用寄存器組的數(shù)相關(guān)、通用寄存器組的變（基）址值相關(guān)等的定義與各自的處理方法；領(lǐng)悟設(shè)置相關(guān)專用通路的目的及其適用的場合；在給出了指令之間各種微操作時間重疊關(guān)系的要求之后，能夠嫻熟地計算出連續(xù)執(zhí)行完N條指令所需要花費的全部時間，領(lǐng)悟流水方式的工作原理。了解從不同角度上對流水線的分類和定義；嫻熟把握有關(guān)流水線時空圖的畫法；在給出的流水線上，能夠計算出流水的最大吞吐率，及解詳細題目所到達的實際吞吐率、效率和加速比；把握為消退流水線速度性能瓶頸可采納兩種不同途徑的時空圖畫法，吞吐率和效率的計算；在雙功能靜態(tài)流水線上，依據(jù)給出的詳細計算式，能調(diào)整其操作的流入挨次；在滿意盡可能高的性能條件下，畫出執(zhí)行此計算式相應(yīng)的流水時空圖；計算出此時的實際吞吐、效率和加速比，把握流水機器對局部性相關(guān)的處理方法；熟識流水線在異步流淌時，指令之間發(fā)生先寫后讀、先讀后寫、寫一寫相關(guān)的定義；能綜述出在標量流水機上，處理局部性相關(guān)和全局性相關(guān)時，為提高其吞吐率和效率可采納的各種方法。.時間安排和進度（1）計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念4學(xué)時(2)數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)10學(xué)時(3)總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)6學(xué)時(4)存貯體系10學(xué)時(5)重疊、流水和向量處理機10學(xué)時.教學(xué)內(nèi)容的重點、難點重點：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成、計算機實現(xiàn)三者的定義及所包含的內(nèi)容；有關(guān)透亮性問題的推斷；軟件和硬件的功能安排原那么；軟件可移植的途徑、方法、適用場合、存在問題和對策；有關(guān)并行性的概念；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中開發(fā)并行性的途徑；自定義數(shù)據(jù)表示；浮點數(shù)尾數(shù)的基值選擇；數(shù)的下溢處理方法；尋址方式中的再定位技術(shù)；信息在存儲器中按整數(shù)邊界存儲的概念；操作碼和指令字格式的優(yōu)化；CISC指令系統(tǒng)的改進途徑；RISC概念及所采納的基本技術(shù)；非專用總路線的總路線掌握方式；數(shù)據(jù)寬度及其分類；中斷為什么要分類和分級；中斷處理次序的支配和實現(xiàn)；通道流量的分析和設(shè)計；如何按中斷處理優(yōu)先次序的要求，設(shè)置各中斷處理程序中中斷級屏蔽位的狀態(tài)，正確畫出中斷處理過程的示意圖；通道的流量設(shè)計；畫出字節(jié)多路通道響應(yīng)和處理完各外部設(shè)施懇求的時空圖；段頁式和頁式虛擬存儲器工作原理；頁式虛擬存儲器的地址映象；LRU、FIFO、OPT替換算法；用LRU替換算法對頁地址流的堆棧處理模擬及性能分析；Cache存儲器的性能分析；一次重疊中的各種相關(guān)關(guān)系的處理；流水線的時空圖和性能分析；流水的局部性相關(guān)處理、全局性相關(guān)的處理和對中斷的處理；單功能非線性流水線的調(diào)度。難點：透亮性的推斷與分析；浮點數(shù)尾數(shù)基值的選擇；操作碼和指令字格式的優(yōu)化設(shè)計；頁式和段式虛擬存儲器中，虛、實地址的計算；各種頁面替換算法和命中率的計算；Cache組相聯(lián)映象和快速替換算法的模擬；了解指令間微操作的時間重疊關(guān)系要求，算出全部指令完成所需要的時間，給出數(shù)學(xué)計算式；在雙功能流水線上，如何操作其流入的挨次，畫出此時的流水線時空圖，并計算出吞吐率、效率和加速比；為消退流水線速度性能瓶頸所實行的措施及相應(yīng)的流水線時空圖的畫法。.本課程與其它課程的聯(lián)系與分工本課程與《計算機組成原理》聯(lián)系較大，在組成原理學(xué)問基礎(chǔ)之上講解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計及分析方法，講解時要留意在對原有學(xué)問復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，講解新的內(nèi)容。.建議使用教材和參考書目使用教材：《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》李學(xué)干編西安電子科技高校出版社參考書目：《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》鄭偉民、湯士忠編著清華高校出版社《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與題解》李學(xué)干編著西安電子科技高校出版社四、大綱說明.本課程應(yīng)在“數(shù)字規(guī)律與設(shè)計”、“計算機組成原理”、“程序設(shè)計語言”等課程之后開設(shè)。同學(xué)最好有“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”方面的學(xué)問，可在“操作系統(tǒng)”、“編譯原埋”