计算机系统结构课程教学大纲Word文件下载.docx

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要求了解基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法。

使学生对计算机系统结构、组成和实现有一个整体掌握。

四、教学内容及要求

第一章计算机系统结构的基本概念

（一）目的与要求

1.掌握计算机系统的多级层次结构，掌握计算机系统结构、计算机组成与计算机实现的定义及三者之间的关系。

理解透明性、虚拟机的概念。

2.理解系列机和软件兼容的基本思想。

3.了解计算机的分代和分型，了解应用需求和计算机实现技术的发展对系

统结构的影响。

4.掌握存储程序计算机在系统结构上的主要特点。

了解对这种系统结构所

作的改进。

5.了解计算机性能的若干定义。

知道评估计算机性能的测试程序。

6.掌握计算机系统结构设计的三个基本原则，并能熟练应用Amdahl定律

和CPU性能公式求解问题。

（二）教学内容

1.主要内容

计算机系统结构层次、计算机系统结构定义、计算机组成与实现、计算机系统结构的分类、计算机系统设计的定量原理、计算机系统设计者的主要任务、计算机系统设计的主要方法、计算机系统结构的评价标准。

2.基本概念和知识点

计算机系统层次结构、系统结构和组成以及实现三者之间的关系、透明性、Amdahl定律、CPU性能公式、局部性原理、MIPS定义、MFLOPS定义、系统结构分类、冯·

诺依曼计算机特征、计算机系统结构的发展、VLSI和算法对系统结构的影响。

3.问题与应用（能力要求）

要求学生掌握计算机系统层次结构，系统结构、组成与实现的定义，系统结构、组成与实现三者的关系，计算机系统结构的分类，计算机系统设计的定量原理，计算机系统结构的评价标准，为进一步深入学习后继各章打下基础。

（三）实践环节与课后练习

实践环节：

实验一：

Linux基本命令练习；

实验二：

Linux基本命令及C语言编程环境练习；

实验三：

CPU性能测试实验；

实验四：

编译器对系统性能的影响实验。

课后练习：

1.如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。

每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。

若执行第一级的一条指令需Kns时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需用多少时间？

2.什么是透明性概念？

从机器（汇编）语言程序员看，以下哪些是透明的？

指令地址寄存器；

指令缓冲器；

时标发生器；

条件码寄存器；

乘法器；

主存地址寄存器；

磁盘外设；

先行进位链；

移位器；

通用寄存器；

中断字寄存器。

3.实现软件移植的主要途径有哪些？

它们存在什么问题？

适用于什么场合？

4.假设高速缓存Cache工作速度为主存的5倍，且Cache被访问命中的概率为90%，则采用Cache后，能使整个存储系统获得多高的加速比？

（四）教学方法与手段

理论讲授与课堂讨论相结合

第二章指令系统

1.了解数据类型和数据表示。

2.掌握浮点数的表数范围、表数精度、表数效率。

3.掌握指令集结构的各种分类方法。

了解堆栈型指令集结构、累加器型指

令集结构和通用寄存器型指令集结构的优缺点以及三种通用寄存器型指令集结构的优缺点。

4.了解当前指令集结构中所使用的一些操作数寻址方式。

通过对基准程序进行测试统计，了解各种寻址方式的使用情况。

5.掌握指令集结构功能设计上的两种不同方向。

掌握CISC计算机指令集功能设计的目标、CISC结构存在的缺点。

掌握RISC计算机指令集结构的功能设计的目标与原则。

6.了解各种控制指令的定义。

7.掌握操作数类型与操作数表示的定义及表示方法，了解各种操作数类型、操作数类型大小。

8.掌握指令中两种表示寻址方式的方法。

数据表示与数据类型、浮点数据表示、自定义数据表示、编址方式、编织单位、零地址空间个数、输入输出设备的非线性编址、并行存储器的编址技术、逻辑地址与物理地址、直接定位方式、静态定位方式、动态定位方式、指令的组成、操作码的优化表示、地址码的优化表示、基本指令系统、复杂指令系统、精简指令系统。

数据表示、寻址技术、指令格式的优化设计、CISC指令系统和RISC指令系统、RISC的定义与特点、减少指令平均执行周期数方法、指令流调整技术、延时转移技术、指令取消技术、重叠寄存器窗口技术。

掌握指令集设计的原则，了解指令的分类、选择原则、指令的结构、操作数的寻址方式、指令长度对计算机系统的影响，掌握RISC计算机的设计思想。

熟悉WinDLX的使用；

1.数据类型、数据表示和数据结构之间的关系是什么？

在设计一个计算机系统时，确定数据表示的原则主要有哪几个？

2.请证明：

在浮点数的字长和表数精度一定时，尾数基值rm取2或4，浮点数具有最大的表数范围。

3.一个处理机共有10条指令，各指令在程序中出现的概率为：

0.25、0.20、0.15、0.10、0.08、0.08、0.05、0.04、0.03、0.02

（1）采用最优Huffman编码法计算这10条指令的操作码最短平均长度。

（2）采用Huffman编码法编写这10条指令的操作码，并计算操作码的平均长度，计算与最优Huffman编码法相比的操作码信息冗余量。

（3）采用2/8扩展编码法编写这10条指令的操作码，并计算操作码的平均长度，计算与最优Huffman编码法相比的操作码信息冗余量。

（4）采用3/7扩展编码法编写这10条指令的操作码，并计算操作码的平均长度，计算与最优Huffman编码法相比的操作码信息冗余量。

4.分别用变址寻址方式和间址寻址方式编写一个程序，求C=A+B，其中，A与B都是由n个元素组成的一维数组。

比较两个程序，并回答下列问题：

（1）从程序的复杂程度看，哪一种寻址方式更好？

（2）从硬件实现的代价看，哪一种寻址方式比较容易实现？

（3）从对向量运算的支持看，哪一种寻址方式更好？

以理论讲授为主结合习题课。

第三章存储系统

1.理解多级存储层次的思想及其作用；

掌握存储层次的三个性能参数的定义及计算方法。

2.掌握“Cache－主存”层次、“主存－辅存”层次及其区别。

3.掌握全相联映象、直接映象以及组相联映象的思想和特点。

4.掌握在各种映象规则的情况下Cache的查找方法。

掌握随机法、先进先出、LRU等替换算法。

5.理解Cache对“写”操作的处理方法。

6.掌握CPU时间的计算方法，并能灵活运用于实例进行分析计算。

7.理解改进Cache性能的三个方面。

8.掌握减少命中时间的三种方法及其基本思想。

9.掌握提高主存性能的四种方法（增加存储器宽度、多体交叉存储器技术、独立存储体技术、避免存储体冲突）。

10.理解虚拟存储器的特点及有关虚拟存储器的４个问题；

掌握快表的概念；

了解页面大小的选择。

存储系统的定义、存储器的层次结构、并行存储器、虚拟存储器与高速缓冲存储器的基本工作原理、虚拟存储器与高速缓冲存储器地址的映象与变换方法、虚拟存储器的页面替换算法及其实现、提高Cache命中率的方法、Cache替换算法及其实现、Cache的性能分析。

虚拟地址Cache、全Cache技术

存储子系统的定义、原理和性能参数分析和设计，并行存储器原理和性能分析，高速缓冲存储器工作原理、地址映像和地址变换方法原理及其实现、数据块替换算法及其实现、数据一致性保持及其实现，虚拟存储器工作原理、地址映像和地址变换原理及其实现、页面替换算法及其实现，虚拟存储器和Cache存储器性能分析和设计方法、页面或数据块替换的进程足迹，三级存储系统工作原理。

掌握存储器的层次结构，学会分析如何利用局部性原理提高Cache/主存储器、主存/虚拟存储器的性能。

不但掌握虚拟存储器和高速缓冲存储器的硬件原理，而且要掌握其分析方法和设计方法。

基于Cache的矩阵乘积算法性能改善实验；

1.在计算机系统中设置虚拟存储器和Cache的主要目的各是什么？

试列举出这两种存储系统在具体实现时至少4个方面的差别，并说明主要理由。

2.要求设计一个由Cache和主存构成的两级存储系统，已知Cache的容量有三种选择：

64K字节，128K字节和256K字节，它们的命中率分别为0.7、0.9和0.98。

主存的容量为4M字节。

并设两个存储器的访问时间分别t1和t2，每字节价的价格分别为c1和c2。

如果c1=20c2，t2=10t1。

（1）在t1=20ns的条件下，分别计算三种Cache的等效访问时间。

（2）如果c2=0.2美元/K字节，分别计算三种Cache每字节的平均价格。

（3）根据三种Cache的等效访问时间和每字节的平均价格排列次序。

（4）根据等效访问时间和平均价格的乘积，选择最优的设计。

3.一个页式虚拟存储器的虚存空间大小为4GB，页面大小为4KB，每个页表存储字要占用4个字节。

（1）计算这个页式虚拟存储器需要采用几级页表？

（2）如果要求页面所占总的主存页面数最小，分配每一级页面的实际存储容量各为多少字节？

（3）页表的哪些部分必须放在主存中？

那些可以放在辅存中？

4.在页式虚拟存储器中，一个程序由P1-P5共5个页面组成。

在程序执行过程中依次访问的页地址流如下：

P2，P3，P2，P1，P5，P2，P4，P5，P3，P2，P5，P2假设系统分配给这个程序的主存有3个页面，分别采用FIFO、LFU和OPT三种页面替换算法对这3页主存进行调度。

（1）画出主存页面调入、替换和命中的情况表。

（2）统计三种页面替换算法的页命中率。

以理论讲授为主结合动画及形象化教学。

第四章输入输出系统

1.掌握输入/输出系统的基本概念；

了解与I/O有关的问题、设计I/O的三个标准。

2.了解磁盘的基本结构与性能公式；

了解磁盘阵列RAID、磁带、光盘等各种存储设备。

3.掌握总线的基本工作原理及其分类。

了解总线的三个常用的参数、总线标准和实例。

4.掌握通道处理机的定义。

掌握通道的作用和功能、通道的工作过程、通道的种类以及通道的流量计算。

5.了解I/O与计算机的连接方式以及由此引起的数据的一致性问题。

6.了解设计I/O系统的步骤以及I/O对计算机性能的影响。

输入输出系统的特点、输入输出系统的组织方式、基本输入输出方式、中断源的组织、中断系统的软硬件功能分配、中断屏蔽、通道的作用和功能、通道的工作过程、通道种类、通道中的数据传送过程、通道的流量分析、输入输出处理机的作用、输入输出处理机的种类、输入输出处理机的特点。

异步性、实时性、与设备无关性、自制控制、层次结构、程序控制输入输

出方式、中断输入输出方式、直接存储器访问方式、中断源及其种类、中

断优先级、中断处理、中断响应、中断现场的保存和恢复、字节多路通道、

选择通道、数组多路通道、输入输出处理机。

要求学生掌握输入输出原理、中断系统、通道处理机和输入输出处理机的作用和工作过程。

（三）课后练习

1.与计算机系统的其它部分，如中央处理机、存储系统等相比，输入输出

系统有些什么特点？

2.常用的直接存储器访问（DMA）方式有哪几种？

它们的工作原理和主要优缺点各是什么？

3.从一个中断源发出中断服务请求，到这个中断服务请求全部处理完成，程序返回到中断点所经过的过程称为中断处理过程。

在一次完整的中断处理过程中，主要做哪些工作？

其中，哪些必须用硬件实现？

哪些必须用软件实现？

那些既可以用硬件实现也可以用软件实现？

4.某处理机共有四个中断源，分别为D1、D2、D3和D4。

要求处理机响应中断源的中断服务请求的次序从高到低分别为D1、D2、D3、D4，而处理机实际为各中断源服务的先后次序为D3、D2、D4、D1。

每个中断源有4位中断屏蔽码，其中，“0”表示该中断源被屏蔽，“1”表示该中断源开放。

（1）请设计个中断源的中断优先级和中断屏蔽码。

（2）如果处理机在运行主程序时，同时有D1和D2两个中断源请求中断服务，而在运行中断源D2的中断服务程序的过程中，终端源D3和D4又同时请求中断服务，请画出处理机响应各中断源的中断服务请求和实际运行中断服务程序过程的示意图。

第五单元标量处理机

1.掌握多条指令在处理机中的重叠执行方式。

2.掌握先行控制方式的原理和结构。

3.掌握各种数据相关的解决办法。

4.了解控制相关的解决办法。

5.领会流水方式的工作原理。

6.了解从不同角度对流水线的分类和定义。

7.掌握有关流水线时空图的画法。

8.能够计算出流水线的最大吞吐率。

9.领会非线性流水线的调度技术。

10.领会局部相关和全局相关。

指令的重叠执行方式、先行控制方式的原理和结构、数据相关、控制相关、流水线工作原理、流水线的分类、线性流水线的性能分析、非线性流水线的调度技术、局部相关、全局相关、超标量处理机、超流水线处理机、超标量超流水线处理机。

指令重叠执行、先行控制方式的原理、结构和性能分析，先行控制技术中数据相关和控制相关等各种相关性的分析和处理，流水线的工作原理、性能分析，时空图在线性流水线和非线性流水线性能分析中的应用，非线性流水线中的各种调度技术的分析和原理，非线性流水线中局部相关和全局相关的分析和处理。

各种情况下流水线性能及其时空图分析，超标量和超流水线处理机性能分析及其中资源冲突分析处理，超标量和超流水线中存储器结构和存储方式的设计，各种流水线处理机性能的优化设计。

要求学生掌握流水线技术，如：

先行控制技术、流水线原理、流水线性能分析、非线性流水线的调度方法、局部数据相关和全局数据相关的处理方法。

DLX流水线结构相关；

DLX流水线数据相关；

DLX流水线指令调度；

1.指令执行过程采用顺序方式、一次重叠方式和流水线方式，它们的主要差别是什么？

各有什么优缺点？

2.什么是相关？

什么是数据相关？

在采用先行控制方式的处理机中，可能有哪几种数据相关？

分别是如何解决的？

3.在流水线处理机中，可能有几种操作数相关？

这几种相关分别发生在什么情况下？

解决操作数相关的基本方法有哪几种?

4.一条线性流水线有4个功能段组成，每个功能段的延迟时间都相等，都为△t。

开始5个△t，每隔一个△t向流水线输入一个任务，然后停顿2个△t，如此重复。

求流水线的实际吞吐率、加速比和效率。

以理论讲授为主结合分组讨论及习题课、动画及形象化教学。

第六章向量处理机

1.了解向量处理的基本概念、一般的向量处理机。

2.掌握提高向量处理机性能的常用技术、向量处理机的性能评价。

向量处理的基本概念、向量处理机的结构、向量处理机的存取模式和数据结构、提高向量处理机性能的方法、向量处理机的性能评价。

向量处理的基本概念、三种向量处理方式、向量计算机中的存储器结构、存储器-存储器结构、寄存器-寄存器结构、向量处理机的存取模式和数据结构、向量处理机中的新技术、稀疏矩阵处理技术、链接技术、向量循环和分段开采技术、向量递归技术，若干向量处理机实例结构分析，向量处理机的性能评价和优化设计。

要求学生了解向量处理机的一般结构并初步具备分析算法和结构如何配合才能高效的处理多类计算机的问题的能力。

1.叙述向量流水处理的主要特点，它与标量流水处理有何区别？

2.向量流水机的工作方式可分为哪两大类？

它们的主要特点是什么？

3.向量的加工方法有哪几种？

各有什么特点？

试从加速度、需用中间变量等方面加以比较。

以理论讲授为主。

五、各教学环节学时分配

教学环节

教学时数

课程内容

讲

课

习

题

讨

论

实验

其他教学环节

小

计

第一章

4

8

12

第二章

10

1

2

13

第三章。

8

第四章。

第五章

6

18

第六章。

9

合计

48

3

72

六、推荐教材和教学参考资源

1.郑纬民，汤志忠.计算机系统结构（第二版）.清华大学出版社，2003.9

2.陆鑫达.计算机体系结构.高等教育出版社，1996.3

3.李学干.计算机体系结构.西安电子科技大学出版社，2000.6

4．JohnL.Hennessy,DavidA.Patterson.计算机体系结构-定量方法.第3版

5.PattersonD.A.,HennessyJ.L.ComputerArchitecture:

AQuantitativeApproach,3nded.机械工业出版社,2002

七、其他说明

大纲修订人：

王潇修订日期：

2004年4月15日

大纲审定人：

闫大顺、李晟审定日期：

2007年9月15日