《计算机体系结构》课程教学大纲

《计算机体系结构》教学大纲课程英文名ComputerArchitecture课程代码C0806Z35学分2.5总学时40理论学时32实验/实践学时8课程类别专业课课程性质任选先修课程计算机组成原理，计算机操作系统适用专业计算机科学与技术开课学院信息工程学院一、课程地位与课程目标（一）课程地位本课程是计算机专业一门重要的专业基础课。主要内容包括计算机系统结构基本概念、指令系统设计、流水线及其性能分析、指令级并行性开发、存储系统、输入输出系统和多处理机等。其目的是提高学生从总体结构、系统分析这一层次来研究和分析计算机系统的能力，帮助学生建立整机的概念；使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计和分析方法，特别是量化方法，并对计算机系统结构的发展现状有所了解。通过本课程专业知识的学习，培养学生从系统这一级来研究计算机系统，强调从整体、系统的角度来看问题，培养学生的抽象思维能力和自顶向下的思维方式，拓展学生的思维空间，有效地提高学生系统级抽象思维的能力和系统设计的能力。从总体、系统的角度培养学生分析和解决问题的能力以及自主创新能力，该课程的学习使得学生能够从事研究、开发与测试计算机软硬件的相关工作，为毕业后的发展和未来奠定基础。（二）课程目标课程目标毕业要求目标分类1.掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计方法，掌握基本的性能分析量化方法，从系统结构角度理解系统性能工程知识1-3，1-4问题分析2-1理解分析2.把所学的软、硬件知识有机地结合起来，建立起计算机系统的完整概念，培养学生的抽象思维能力。问题分析2-2，2-4设计/开发解决方法3-1分析应用3.培养学生从系统的角度来研究计算机以及从总体的角度来分析问题和解决问题的能力，具备设计开发计算机系统的能力和自主创新能力。具有不断学习的精神和较强的适应发展能力以及对终身学习的正确认识。设计/开发解决方法3-2设计/开发解决方法3-3设计/开发解决方法3-4分析应用设计二、课程目标达成的途径与方法课程目标教学环节对应内容课程目标1讲授第1、2、7章及作业计算机系统结构的基本概念计算机指令集结构设计多处理机课程目标2讲授第4、6章及作业实验二指令级并行输入输出系统课程目标3讲授第3、5章及作业、小组课堂讨论实验一、实验三流水线技术存储器层次结构三、课程目标与相关毕业要求的对应关系课程目标课程目标对毕业要求的支撑程度（H、M、L）毕业要求1毕业要求2毕业要求3课程目标1M课程目标2M课程目标3H四、课程主要内容与基本要求1．计算机系统结构的基本概念

理解计算机系统结构的概念（计算机系统的层次结构，计算机系统结构，计算机组成，计算机实现，系列机），了解计算机系统结构的发展，了解影响计算机系统结构的成本和价格因素，掌握定量分析技术基础（计算机性能评测的基本概念，测试程序，性能设计和评测的基本原则，Amdahl定律，CPU的性能），理解计算机系统结构中并行性的发展（并行性概念，提高并行性的技术途径）。这部分从总体的角度看问题，全面提高学生的综合素质。2．计算机指令集结构设计

熟练掌握指令集结构的分类，理解寻址技术，理解指令集结构的功能设计，掌握操作数的类型、表示和大小，了解指令集格式的设计（寻址方式的表示方法，指令集格式的选择），掌握MIPS指令集结构。3．流水线技术

掌握流水线的基本概念及分类，理解MIPS的基本流水线，了解流水线性能分析（时空图，吞吐率，加速比，效率，消除流水线瓶颈段的方法），理解流水线中的相关及解决方法（结构相关，数据相关，控制相关，定向技术，指令调度，分支预测，延迟分支等），了解MIPSR4000流水线计算机，了解向量处理机（向量处理方式，向量处理机的概念，提高向量处理机性能的主要技术，向量处理机的性能评价）4．指令级并行

理解指令级并行的概念（循环展开，相关），掌握理解指令的动态调度（动态调度的原理，Tomasulo算法），理解控制相关的动态解决技术（分支预测缓冲，分支目标缓冲，基于硬件的前瞻执行），了解多指令流出技术（静态超标量，动态多指令流出，超长指令字）5．存储器层次结构

熟练掌握存储器的层次结构（存储层次的性能参数，“Cache—主存”层次，“主存—辅存”层次），熟练掌握Cache基本知识（映象规则，查找方法，替换算法，写策略，Cache的结构），理解Cache性能分析，理解降低Cache失效率的方法（增加Cache块大小，提高相联度，VictimCache，伪相联Cache，硬件预取技术，由编译器控制的预取，编译器优化），理解减少Cache失效开销的方法（让读失效优先于写，子块放置技术，请求字处理技术，非阻塞Cache技术，采用两级Cache），了解减少命中时间（小而简单的Cache，虚拟Cache，写操作流水化），掌握提高主存带宽的组织结构，掌握虚拟存储器（基本原理，TLB），了解AlphaAXP21064存储层次6．输入输出系统

熟练掌握I/O系统与外部存储设备，理解其可靠性、可用性和可信性，理解廉价磁盘冗余阵列RAID（RAID0～RAID7），掌握I/O设备与CPU/存储器的连接（总线，通道），理解I/O系统性能分析（I/O性能与系统响应时间，Little定律，M/M/1排队系统，M/M/m排队系统），理解I/O与操作系统（DMA和虚拟存储器，I/O和Cache数据一致性，异步I/O）7．多处理机

熟练掌握并行计算机系统结构的分类，掌握通信模型和存储器的结构模型，理解对称式共享存储器系统结构（多处理机Cache一致性，实现一致性的基本方案，监听协议及其实现），了解分布式共享存储器系统结构（基于目录的Cache一致性，目录协议及其实现），了解互连网络（互连网络的性能参数，静态连接网络，动态连接网络），理解同步的概念（基本硬件原语，用一致性实现锁，同步性能问题，大规模机器的同步）五、课程学时安排章节号教学内容学时数学生任务对应课程目标1计算机系统结构的基本概念4完成作业1题课程目标12计算机指令集结构设计4完成作业1题课程目标13流水线技术6+2完成作业2题课程目标34指令级并行6+2完成作业1题课程目标25存储器层次结构6+4完成作业1题课程目标2课程目标36输入输出系统4完成作业1题课程目标27多处理机2完成作业1题课程目标1六、实践环节及基本要求序号实验项目名称学时基本要求学生任务实验性质实验类别1流水线中的相关2加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能的影响观察程序在流水线中的执行情况，掌握如何应用定向技术来减少数据冲突引起的停顿。验证性必做2Tomasulo算法2理解Tomasulo算法的基本思想，掌握它的基本结构、运行过程给定被执行代码片段，对于具体某个时钟周期，能够写出保留站、指令状态表以及浮点寄存器状态表内容的变化情况。验证性必做3Cache性能分析4掌握降低Cache失效率的各种方法，以及这些方法对Cache性能提高的好处Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响；设计降低Cache失效率的各种方法以及分析这些方法对提高Cache性能的好处。设计性必做注：1.实验性质指演示性、验证性、设计性、综合性等；2.实验类别指必做、选做等。七、考核方式、成绩评定考核内容考核方式评定标准（依据）占总成绩比例过程考核含到课率、课堂讨论发言、平时作业等点名记录讨论发言记录作业批改成绩20%实验考核操作及实验报告操作成绩报告批改成绩20%期末考核开卷或闭卷卷面成绩60%考核类别考试成绩登记方式百分制八、推荐教材与主要参考书（一）推荐教材：1、《计算机系统结构》（第二版），张晨曦，高等教育出版社，2014年8