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《计算机体系结构》课程教学大纲
一、课程基本信息课程代码：05140102课程名称：计算机体系结构
课程英文名称 Computer Architecture课程所属单位：计算机与信息工程系计算机科学与技术教研室
课程面向专业：计算机科学与技术本科课程类型：必修课
先修课程：计算机组成原理、接口与通信、操作系统、编译原理学分：3
总学时：48（其中理论学时：36实验学时：12）二、课程性质与目的
随着计算机硬件、软件技术的不断开展，怎样合理地分配计算机软、硬件功能，最大限度地开发计 算机的并行性，到达最正确性能/价格，是计算机系统设计人员最关心的课题。对计算机专业本科生而言, 不仅要掌握计算机的软、硬件系统组成及工作原理，具有开发与应用技能；而且必须进•步掌握计算机 系统设计的基本原理和方法。《计算机系统结构》正是这样一门面向计算机系统分析与设计的课程。
《计算机体系结构》是计算机专业本科生的一门系统分析与设计综合课程。目的之一是从计算机系 统的层次结构观点出发，掌握如何分析和设计计算机系统，并对计算机系统软、硬件功能进行合理分配, 以及如何最正确地实现分配给硬件的功能，到达最正确性能/价格；目的之二是从并行处理角度出发，研究 流水技术和并行处理技术在计算机系统中的应用和实现方法，以实现计算机系统性能/价格的优化。
本课程的任务是立足于系统设计者角度，分析和评价影响系统性能/价格的因素；研究计算机系统 结构的分析和设计方法；掌握并行处理技术在现代计算机系统中的应用和实现方法。
通过本课程的学习，要求学生能够掌握计算机系统结构的分析和设计方法，同时掌握最新的计算机 流水技术和并行处理技术。
三、课程教学内容与要求（一）计算机设计基本原理
1、基本要求：
（1）基本概念
（2）计算机系统的性能评价
（3）计算机设计的定量原理
（4）计算机系统结构的开展2、本章重难点内容：
（1）理解计算机性能评价的方法及其优缺点。
（2）学会使用Amdahl定律和CPU性能公式。
（3）掌握冯•诺依曼结构的特点。
（二）指令系统1、基本要求：
（1）数据表示
（2）寻址技术
（3）指令格式的优化设计
（4）指令系统的功能设计
（5）精简指令系统2、本章重难点内容：
（1）对于一种给定的浮点数格式，写出这种浮点数能够表示数的范围（例如：能够表示的最大正数、 最大负数）、表示数的精度和表示数的效率。
（2）根据浮点数的精度、表示数的范围和字长等要求，设计出性能最好的浮点数格式。
（3）面向主存储器的寻址方式。
（4）操作码及指令格式的优化表示。
（5） RISC的关键技术。
（三）存储系统1、基本要求：
（1）存储系统原理
（2）虚拟存储器
（3）高速缓冲存储器（Cache）
（4）三级存储系统2、本章重难点内容：
（1）存储系统的性能计算。
（2）交叉访问储存器和无冲突访问储存器的工作原理。
（3）加快虚拟储存器内部地址变换的方法。
（4）虚拟储存器的页面替换算法。
（5） Cache的组相联映象及地址变换方法。
（四）输入输出系统1、基本要求：
（1）输入输出原理
（2）中断系统
（3）通道处理机
（4）输入输出处理机2、本章重难点内容：
（1）中断优先级和中断屏蔽的原理和方法。
（2）通道中的数据传送过程及流量分析计算。
（3）三种基本输入输出方式特点及使用场合，能够使用程序控制输入输出方式和直接存储器访问 方式（DMA方式）编写基本的输入输出程序（要求能够画出程序框图）。
（4）中断系统的软硬件功能分配。
（五）标量处理机1、基本要求：
（1）先行控制技术
（2）流水线处理机
（3）超标量处理机
（4）超流水线处理机
（5）超流水线超标量处理机2、本章重难点内容：
（1）流水线的性能分析及主要参数计算方法。
（2）非线性流水线的调度方法。
（3）数据相关的种类、发生的情况及解决的方法。
（4）控制相关的解决方法，包括静态和动态分支预测技术。
（5）超标量处理机和超流水线处理机的特点和指令执行时序。
（6）单发射、多发射及多流水线调度技术。
（六）向量处理机1、基本要求：
（1）向量处理的基本概念
（2）向量处理机的结构
（3）向量处理机的存取模式和数据结构
（4）提高向量处理机性能的方法
（5）向量处理机的性能评价2、本章重难点内容：
（1）向量处理机的两种结构：存储器一存储器结构和寄存器一寄存器结构。
（2）提高向量处理机的常用技术：链接技术、向量循环或分段开采技术、向量递归技术和稀疏矩 阵的处理技术。
（3）向量处理机的性能评价。
（七）互连网络1、基本要求：
（1）互连网络的基本概念
（2）互连网络的种类
（3）消息传递机制
（4）互连网络实例2、本章重难点内容：
（1）互连函数
（2）寻径方式
（3）多级互连网络（八）并行处理机
1、基本要求：
（1）并行处理机模型
（2）并行处理机的基本结构
（3）并行处理机实例
（4）并行处理机算法举例2、本章重难点内容：
（1）并行处理机的基本结构和优缺点。
（2）并行处理机的实例。
（3）并行算法。
（九）多处理机1、基本要求：
（1）多处理机结构
（2）多处理机性能模型
（3）多处理机的Cache一致性
（4）多处理机实例2、本章重难点内容：
（1）多处理机性能模型。
（2）多处理机的Cache一致性问题。
（3）机群系统的关键技术。
四、学时分配理论学时分配表
序 号
教学内容（按章填写）
学时
课堂讲授
实验课
习题课
讨论课
其它
1
计算机设计基本原理
4

2
指令系统
8

3
存储系统
6

4
输入输出系统
4

5
标最处理机
8

6
向量处理机
2

7
互连网络
2

8
并行处理机
1

9
多处理机
1

小计
36

比例
100%

合计
36
实验学时分配表
序 号
实验工程（或内容）名称
实 验 学 时
实验类型
每组 实验 人数
说明
验 证 性
设
计
性
综 合 性
其
它
1
结构相关
3

V

2
数据相关
3

V

3
指令调度
3

V

4
多处理机并行计算
3

V

小计
12

五、教学环节与教学要求:
通过本课程的学习，要求学生能够掌握计算机系统结构的分析和设计方法，同时掌握最新的计算机 流水技术和并行处理技术。
六、课程考核方法：
本课程采用闭卷考试
1、案例作业/实验：20%
2、课堂参与：10%
3、考试：70%七、教材与主要参考书：
教材：
计算机系统结构（郑纬民等编）
主要参考书：
计算机体系结构：量化研究方法（英文版.第3版）
计算机系统结构（陆鑫达主编）
计算机系统结构（张晨曦等编）