計算機體系結(jié)構(gòu)課程大綱

計算機體系結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）學分數(shù)3周學時3+0課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課預修課程：計算機原理教學目的：通過本課程的學習，使學生對計算機系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)、設(shè)計原理、關(guān)鍵技術(shù)以及這一領(lǐng)域的先進技術(shù)和發(fā)展趨勢有所了解，并掌握基本的對計算機系統(tǒng)進行性能分析的方法，構(gòu)筑起了解、學習、研究計算機系統(tǒng)的必備基礎(chǔ)知識?；緝?nèi)容：計算機系統(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)、多處理機技術(shù)?；疽螅簩W生應按本大綱具體要求，通過對計算機系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)、設(shè)計原理、關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展趨勢的學習，掌握計算機體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的基本概念、基本原理，具備對計算機系統(tǒng)的性能進行基本分析的方法和手段，為在計算機領(lǐng)域的進一步深入研究打下必備的知識基礎(chǔ)。教學用書：張晨曦主編《計算機體系結(jié)構(gòu)》，高等教育出版社，2001年1月教學內(nèi)容、要求和課時安排：、計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念（學時數(shù)：9）教學內(nèi)容計算機性能的高速增長的原因及體系結(jié)構(gòu)技術(shù)對計算機性能發(fā)展的影響計算機系統(tǒng)中的層次概念經(jīng)典計算機體系結(jié)構(gòu)定義體系結(jié)構(gòu)與組成、實現(xiàn)之間的關(guān)系廣義計算機體系結(jié)構(gòu)定義系列機、兼容機概念及軟件兼容概念計算機體系結(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)響應時間；流量；CPU時間；系統(tǒng)加速比；可改進比例；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）教學要求理解計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念，以及與組成、實現(xiàn)之間的關(guān)系；理解計算機系統(tǒng)的層次概念；了解系列機、兼容機概念及軟件兼容概念；了解計算機體系結(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、計算機指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計（學時數(shù)：9）教學內(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)缺點尋址技術(shù):各種尋址方式、使用情況統(tǒng)計指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計：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)缺點操作數(shù)的類型、表示和大小指令集格式的設(shè)計編譯技術(shù)與計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計編譯技術(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；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；理解各種表示分支條件的技術(shù)及其優(yōu)缺點；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)計思想;了解編譯技術(shù)與計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計之間的關(guān)系；三、流水線技術(shù)（學時數(shù)：9）教學內(nèi)容流水線的基本概念、特點、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)的進一步分類流水線計算機實例MIPSR4000向量計算機中的流水線教學要求理解并掌握流水線的基本概念、特點、分類及時一空圖分析方法；理解DLX基本流水線的實現(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和向量計算機中的流水線技術(shù);四、指令級并行（學時數(shù)：9）教學內(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)：分支預測緩沖技術(shù)、分支目標緩沖技術(shù)、推斷執(zhí)行多指令流出技術(shù)：基本思想教學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)（學時數(shù)：9）教學內(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、實現(xiàn)原理及技術(shù)、設(shè)計思想、快表、頁面大小問題進程保護與虛存實例教學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)；了解進程保護的原理及虛存實例；六、輸入輸出系統(tǒng)（學時數(shù)：9）教學內(nèi)容I/O設(shè)備I/O設(shè)備與處理機的連接方式存儲設(shè)備總線：分類、原理、實例通道處理機的分類、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)計教學要求了解常用的I/O設(shè)備及I/O設(shè)備與處理機的連接方式；了解常用的存儲設(shè)備；了解總線的分類、原理以及一些實例；了解通道處理機的分類、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)計中考慮的問題；七、多處理機（學時數(shù)：6）教學內(nèi)容并行計算機體系結(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)系并行計算機性能面臨的問題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)教學要求了解并行計算機體系結(jié)構(gòu)及其分