计算机系统基础二教学大纲

计算机系统基础二教学大纲IntroductiontoComputerSystemsII适用专业：计算机类各专业 课程编号：0809313030前修课程：程序设计入门、程序设计进阶、电路与电子技术 学分：2.5总学时：40一、课程的性质、目的与要求课程性质：专业基础课程教学目的：通过本课程的学习，建立“从程序设计视角出发、强调软硬件关联与协同、以程序的生成和执行过程为核心、以提高系统性能为目标”的思路组织教学内容，使学生理解计算机系统的层次化结构概念，弄清硬件与软件之间的接口界面，建立计算机系统整机概念，为后续课程（如计算机组成原理与系统结构、操作系统、体系结构等）打下坚实基础。教学要求：通过培养学生的动手能力，提升学生在程序调试、性能优化、程序移植和健壮性等方面的能力，提高他们分析问题、解决问题的能力，为他们日后从事与计算机相关的软硬件设计工作奠定基础。二、教学内容 理论总学时：40学时第四章程序的链接 10学时基本要求：使学生了解链接器是如何工作的，从而能够养成良好的程序设计习惯，并增加程序调试能力。通过了解可执行文件的存储器映像来进一步深入理解进程的虚拟地址空间的概念。重点：静态链接器的概念、动态链接的概念、目标文件格式、符号解析和重定位难点：符号解析和重定位过程第五章程序的执行 6学时基本要求：1.理解CPU的控制执行流，理解CPU的主要功能和内部结构，了解一条指令的执行过程及内部异常和外部中断的基本概念。2.理解指令执行时数据通路中信息的流动过程，理解数据通路的基本结构、时序控制和工作原理（*）。3.理解指令流水线的基本原理、适合流水线的指令集特征及CISC和RISC风格指令集特点。4.了解指令流水线的实现，了解流水线的冲突/冒险(hazard)情况及其解决办法，了解高级流水线技术：超流水、静态多发射（VLIW）、超标量、动态调度等（Δ）。重点：CPU的控制执行流、指令执行时数据通路、指令流水线的基本原理、指令流水线的实现。难点：理解指令流水线。第六章层次结构存储系统 16学时基本要求：1．存储器的分类及其分层结构（4学时）(1)了解各类存储器特点，掌握内存与外存的关系及层次化存储器系统的由来和构成。(2)了解主存的结构和主要技术指标。(3)理解访存操作的完整过程及所涉及到的部件之间的关联，了解CPU与主存储器之间的连接及读写操作。2．磁盘存储器（4学时）(1)了解磁盘存储器的结构，掌握盘面、盘片、柱面、磁道、扇区的概念。(2)理解磁盘存储器的读写原理，熟悉磁盘存储器的性能指标并能熟练计算。(3)了解固态硬盘工作原理。3．支持高速缓冲存储器（Cache）的CPU的基本访存过程（8学时）(1)熟练掌握程序访问的局部性原理对编程的影响及Cache-friendly的程序（*）。(2)掌握Cache和主存之间的映射方式，熟悉Cache替换算法和Cache写策略，掌握Cache大小、Block大小和缺失率的关系（*）。(3)了解支持Cache的存储器系统实例（Δ）。(4)掌握Cache和程序性能的关系及指标。4．虚拟存储器（6学时）(1)掌握虚拟存储器、虚拟地址空间的基本概念（*）。(2)掌握分页式（*）、分段式和段页式三种虚拟存储器的实现方案。(3)熟悉缺页处理以及快表TLB的工作原理（*），了解存储保护；掌握地址转换（查TLB、查页表）、理解访存过程中硬件和操作系统之间的协调关系。(4)掌握IA-32/Linux中的逻辑地址到线性地址再到物理地址的转换过程，熟悉其中的存储保护机制。重点：存储器体系结构、Cache的实现机制及其对程序性能的影响；数据的宽度、虚拟存储器的工作方式。难点：Cache的实现机制、虚拟存储器的工作原理第七章异常控制流和I/O操作的实现 8学时基本要求：1．异常和中断(1)理解CPU控制流、异常控制流、进程、进程上下文切换等概念。(2)掌握异常和中断的基本概念，了解异常和中断的处理机制，理解在较低层次上如何实现异常控制流（*），初步理解硬件如何和操作系统协调工作，为将来理解和掌握操作系统核心内容打下良好基础。2.I/O操作的实现(1)掌握I/O子系统的组成和层次结构，理解OS在I/O系统中的职责；了解用户空间的I/O函数；掌握软中断指令int$0x80的执行过程。(2)掌握I/O硬件与软件的接口（I/O控制器）的结构、职能、I/O端口及其编址；掌握I/O的三种控制方式：轮询方式（程序直接控制/程序查询方式）、程序中断方式（中断驱动方式）、直接存储器访问方式（DMA方式）；能够计算中断、DMA方式下CPU的开销。(3)掌握在内核态中执行的内核空间I/O软件的三个层次：与设备无关的操作系统软件、设备驱动程序、中断服务程序；了解通过设备驱动程序和中断服务程序控制I/O硬件来实现I/O操作的过程。难点：异常和中断、掌握在内核态中执行的内核空间I/O软件的三个层次。

三、实践环节或相关课程 实践总学时：8学时序号实验项目名称实验类型实验要求实验内容简介应达到的基本要求学时分配1缓冲区溢出攻击-基础篇综合必做对一个可执行程序“bufbomb”实施Candle、Sparkler和Firecracker三个难度级别的缓冲区溢出攻击初步了解IA-32函数调用规则和栈结构；基本掌握gcc、gdb以及objdump等工具的运用。22缓冲区溢出攻击-提高篇综合必做对一个可执行程序“bufbomb”实施Dynamite和Nitroglycerin两个难度级别较高的缓冲区溢出攻击深入且具体理解IA-32函数调用规则和栈结构；熟练掌握gcc、gdb以及objdump等工具的运用。43存储保护综合必做执行指定程序，通过gdb调试找到发生异常的指令以及发生访问违例的存储单元地址通过实际程序的执行结果，了解程序执行时访问违例的检测和处理过程2注：1、实验类型：演示、验证、操作、综合、设计、研究。2、实验要求：指必做、选做。3、8学时以上（不含8学时）实践环节需单独设置大纲。

四、课时分配序号章节内容理论环节时数实验时数其他环节1四程序的链接102五程序的执行623六层次结构存储系统 1644七异常控制流和I/O操作的实现82合计=SUM(ABOVE)408总学分3总学时48五、建议教材与教学参考书序号书名编者出版社版本1计算机系统基础袁春风机械工业出版社20142深入理解计算机系统RandalE.Bryant机械工业出版社20113计算机系统概论（第2版）YaleN.Patt机械工业出版社20074世界是数字的柯林汉人民邮电出版社2013六、教学形式与考核