《计算机系统》课程教学大纲.doc

计算机系统结构教学大纲 （ 参考学时：约48学时 ） 1. 课程的性质、目的和意义 计算机系统结构是计算机科学与技术专业（本科）必修的一门专业技术课。计算机系统结构是计算学科的重要分支之一。计算机的发展历史说明，计算机性能的不断提高主要依靠器件的变革和系统结构的改进。今天，在器件潜力几乎达到极限的情况下，计算机系统结构的改进尤为重要。 本课程是从外部来研究计算机系统, 即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;软硬件功能分配及分界面的确定。 通过本课程的学习，使学生建立计算机系统的完整概念;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方法，为学生熟悉现代计算机系统特别是微型计算机系统的开发、应用和发展打下良好的基础。本课程应该注重培养学生对系统结构的分析能力，掌握系统结构设计的基本原则。即如何最合理地利用新器件，最大限度地发挥其潜力，设计并构成综合性能指标最佳的计算机系统。 本课程为计算机专业（本科）高年级课程，需要综合几乎所有计算机专业基础和相关的前继专业课程知识。主要有：计算机组成原理、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、数据结构、操作系统、编译原理等课程。本课程的新内容为超标量处理机、超流水线处理机、向量处理机、并行处理机、线程级并行、多核处理器、多处理器系统及其并行计算等。 1. 教学内容 本课程知识结构图如图1所示。第一部分 计算机系统结构的基础 1. 教学内容 2. 计算机的发展及其分类； 3. 计算机系统多级层次结构和计算机系统结构的基本概念； 4. 计算机系统设计的评价标准和定量原理； 5. 软件、器件、应用对计算机系统结构的影响； 6. 计算机系统的分类。 2教学基本要求 1. 熟练掌握内容: 计算机系统层次结构，计算机系统结构定义，计算机组成定义，计算机实现定义，系统结构、组成与实现的三者关系，透明性，计算机系统设计的定量分析原理（Amdahl定律，CPU性能公式，并行性原理，局部性原理），MIPS定义，MFLOPS定义。 2. 掌握内容: 弗林分类法，冯诺依曼计算机特征，计算机系统结构的演变，软件、器件、应用对计算机系统结构的影响，模拟与仿真。 3. 了解内容: 计算机系统结构的发展，计算机的分类，计算机系统设计的主要方法。 3重点和难点 重点： 1. 计算机系统结构，计算机组成和计算机实现是三个不同的概念；2. 计算机系统设计的定量分析原理（Amdahl定律，CPU性能公式，并行性原理，局部性原理）；3. 系统结构的评价标准；4. 计算机系统结构的分类。 难点： 1. 计算机系统设计的定量分析原理。 第二部分 计算机指令系统 1. 教学内容 1. 数据类型；2. 寻址技术；3. 指令系统的设计；4. 指令系统的改进。2教学基本要求 1. 熟练掌握内容：数据表示和数据结构，自定义数据表示，大端存储和小端存储，寻址方式，指令格式的优化（Huffman编码法、扩展编码法），RISC的定义与特点,减少指令平均执行周期数方法。 2. 掌握内容：引入数据表示的原则，编址方式，程序装入与定位方式，指令功能的设计，CISC指令系统。 3. 了解内容：浮点数据表示，其它数据表示，指令系统的优化发展方向。 3重点和难点 重点： 1. 指令系统是计算机系统中软件与硬件的接口； 2. 数据表示； 3. 寻址方式； 4. 指令格式的优化设计； 5. 指令系统的功能设计； 6. 复杂指令系统计算机； 7. 精简指令系统计算机； 8. CPI。 难点： 1. 指令格式的优化； 2. 程序装入与定位方式。 第三部分 存储系统 1. 教学内容 1. 存储系统及原理； 2. 虚拟存储器； 3. 高速缓冲存储器（Cache）； 4. 三级存储系统； 5. 并行存储器； 6. RAID系统； 7. 存储域网络（SAN）。 2教学基本要求 1. 熟练掌握内容: 存储系统的定义,存储系统的性能参数, 存储器访问局部性的概念；存储层次结构中的命中率概念及计算。Cache 存储器工作原理,虚拟存储器工作原理，地址映象与变换方法, 替换算法。 2. 掌握内容: Cache的一致性及性能分析，存储器的频带平衡，提高主存命中率的方法，替换算法实现，低位交叉访问存储器，高位交叉访问存储器。 了解内容: 11种先进的Cache性能优化方法，三级存储系统，RAID系统，存储域网络（SAN）。 3重点和难点 重点： 1. 提高存储器性能的主要方法有层次存储器、并行存储器； 2. 存储系统的主要性能参数； 3. 块/页的定位问题，替换问题，一致性问题。 难点： 1. 块/页的定位问题，替换问题，一致性问题。 第四部分 输入输出系统 1. 教学内容 1. 输入输出系统的特点； 2. 基本的输入输出方式； 3. 输入输出总线； 4. I/O处理机。 2教学基本要求 1. 熟练掌握内容：基本的输入输出方式，通道处理机原理。 2. 掌握内容：输入输出系统的特点，I/O性能评价。 3. 了解内容：输入输出总线的设计，通道流量的计算，外围处理机。 3重点和难点 重点： 1. 输入输出系统,输入输出系统的异步性、实时性和设备无关性； 2. 程序控制输入输出方式、直接存储器访问方式（DMA）和中断输入输出方式； 3. 字节多路通道、选择通道和数组多路通道； 4. 外围处理机。 难点： 1. 通道流量的计算 第五部分 流水线技术与向量处理技术 1. 教学内容 1. 流水线基础； 2. 流水线技术； 3. 流水线的相关性分析及处理； 4. 向量的流水处理与向量流水处理机。 2教学基本要求 1. 熟练掌握内容：流水线工作原理，时空图，线性流水线，输入任务连续情况下单功能线性流水线的吞吐率、加速比和效率。向量处理的基本概念。 2. 掌握内容：指令的重叠执行，RISC对流水线技术的支持，先行控制技术，输入任务不连续情况下单功能、线性流水线的性能分析，向量流水处理机的链接技术。 3. 了解内容：非线性流水线的调度，流水线的相关性分析及处理，流水线的分类，提高向量流水处理机性能的其他技术。 3重点和难点 重点： 1. 先行控制技术（look-ahead）； 2. 流水线的原理、特点及其分类； 3. 流水线的性能分析。 难点： 1. 流水线的性能分析第六部分 并行处理机 1. 教学内容 1. 阵列处理机； 2. 阵列机中并行存储器的无冲突访问； 3. 相联处理机； 4. 脉动阵列机； 5. 互连网络； 6. 超标量流水线和超流水线； 7. 超长指令字处理机。 2教学基本要求 1. 熟练掌握内容：SIMD计算机的基本概念和模型，阵列处理机基本结构, 阵列处理机的特点；互连网络的概念，超标量、超流水线、超长指令字处理的基本原理。 2. 掌握内容: 超标量处理机性能分析，超流水线处理机性能分析，超流水线超标量处理机性能分析。静态互联网络的特性和拓扑结构, 动态互联网络的置换函数。 3. 了解内容：阵列机中并行存储器的无冲突访问，脉动阵列机，相联处理机，多级互联网络，互联网络的通信问题。 3重点和难点 重点 1. SIMD计算机模型； 2. 阵列处理机基本结构； 3. 互连网络的特性:结点度，距离，网络直径，网络规模，带宽总和，对分宽度；静态互联网络的拓扑结构； 4. 动态互连网络的置换函数，网络的传输性能特性； 5. 超标量处理机性能分析，超流水线处理机性能分析，超流水线超标量处理机性能分析。难点1. 动态互连网络的置换函数，网络的传输性能特性； 第七部分 PC计算机的系统结构 1. 教学内容 1. PC计算机的发展回顾； 2. Intel Core微架构； 3. AMD 64处理器架构； 4. 主板芯片组； 5. 未来PC处理器的发展方向。 2教学基本要求 1. 熟练掌握内容：影响PC处理器发展的两个重大事件，Intel Core微架构的特点，AMD 64处理器架构的特点，主板芯片组的概念。 2. 掌握内容：PC计算机的四代发展，未来PC处理器的发展方向。 3. 了解内容：前端总线FSB。 3重点和难点 重点 1. 影响PC处理器发展的两个重大事件分析； 2. Intel Core微架构的分析； 3. AMD 64处理器架构的分析； 4. 主板芯片组的功能； 5. 未来PC处理器的发展方向。 难点 1. Intel Core微架构的分析； 第八部分 多处理机系统 1. 教学内容 1. 指令级并行性的限制和超线程技术； 2. 多处理器构成的系统结构； 3. 多处理器的Cache一致性； 4. 多处理器系统的同步机制； 5. 集群系统； 6. 多处理器系统的程序并行性； 7. 曙光5000超级计算机。 2教学基本要求 1. 熟练掌握内容： MIMD计算机的基本结构（共享存储多处理机, 分布存储多处理机）, Cache一致性，集群系统及其特点。 2. 掌握内容：指令级并行性的限制，限制单处理器发展的其它主要因素，超线程技术，多核处理器结构，对称式共享存储器系统和多处理器的Cache一致性，分布式共享存储器系统和基于目录的Cache一致性，多处理器系统的同步机制概念，集群系统的关键技术，多处理器系统的程序并行性挖掘。 3. 了解内容：多处理器并行处理定量分析和所遇到的问题，多处理器系统的同步机制处理，支持并行程序的软件工具，曙光5000超级计算机。 3重点和难点 重点 1. MIMD计算机的基本结构； 2. 指令级并行性的限制； 3. 多核处理器结构； 4. Cache一致性； 5. 多处理器系统的同步机制概念； 6. 集群系统的关键技术； 7. 多处理器系统的程序并行性挖掘。 难点 1. Cache一致性； 2. 多处理器系统的程序并行性挖掘。 第九部分 DLX虚拟处理器及其实验 1. 教学内容 1. WinDLX虚拟处理器概述； 2. WinDLX虚拟处理器的指令系统； 3. WinDLX汇编； 4. WinDLX的流水线结构； 5. WinDLX虚拟处理器上机操作； 6. DLX虚拟处理器实验。 2教学基本要求 1. 熟练掌握内容：WinDLX虚拟处理器，WinDLX的流水线结构，WinDLX虚拟处理器上机操作。 2. 掌握内容：DLX虚拟处理器实验。 3. 了解内容：WinDLX虚拟处理器的指令系统；WinDLX汇编。 3重点和难点 重点 1. WinDLX的流水线结构； 2. WinDLX虚拟处理器上机操作； 3. DLX虚拟处理器优化流水线处理的实验。 难点 1. WinDLX的流水线结构； 教学方法 课堂讲授采用多媒体教学和组织讨论方式。结合理论进行实验，自主分析实验结果。1. 学时分配（共计48学时） 部分 教学内容 讲课课时 实验内容 实验课时 一 计算机系统结构的基础 6二 计算机指令系统 6三 存储系统 4四 输入输出系统 2五 流水线技术与向量处理技术8实验一? 熟悉WinDLX的使用 1六 并行处理机 6实验二? DLX流水线结构相关 1七 PC计算机的系统结构 4实验三? DLX流水线数据相关 2*八 多处理器系统 6实验四? DLX流水线指令调度 2*九 DLX虚拟处理器 自学 合计 4261. 教学中应注意的问题 1. 注意从系统分析和设计的角度，让学生重点建立起完整的计算机系统的概念和基本分析方法。在讨论各种系统结构时，紧紧围绕系统可能出现的瓶颈和克服瓶颈的方法进行介绍。 2. 紧密结合学生计算机应用实际，突出现代高级微型计算机系统结构介绍和分析，为学生掌握主流微型计算机系统结构发展打下基础。 3. 利用PC平台上的DLX虚拟处理器进行以流水线结构研究为主的实验，要求写出实验报告。 4. 适当开展教学讨论、作业难题分析和实验结果分析。 2. 课程考核 论文写作、实验和平时作业、学习表现相结合构成成绩总分，其中论文成绩占70%，实验及平时成绩占30%。 1. 适用教材和参考教材及资源 适用教材 1蔡启先. 计算机系统结构. 北京：电子工业出版社，2008参考教材及资源 1John L.Hennessy, David A.Patterson. 计算机系统结构量化研究方法（第四版） 白跃彬 译. 北京： 电子工业出版社 ，20072John L.Hennessy, David A.Patterson. 计算机系统结构：一种定量的方法（第二版）. 郑纬民,汤志忠,汪东升等译. 北京：清华大学出版社,2002 3郑纬民，汤志忠.计算机系统结构（第二版）.北京：清华大学出版社，19984李学干. 计算机系统的体系结构. 北京：清华大学出版社，20065尹朝庆，唐建雄，陈莉. 计算机系统结构. 武汉：华中理工大学出版社，20006胡越明. 计算机系统结构. 北京：北京航空航天大学出版社，20077李学干. 计算机系统结构学习指导与题解. 西安：西安电子科技大学出版社，20018尹朝庆，卢苇，吴钊等. 计算机系统结构学习指导与题解. 武汉：华中理工大学出版社，20039高辉. 计算机系统结构应试指导. 北京：清华大学出版社，200310孙方. 计算机系统结构习题与真题