《计算机体系结构(双语)》课程教学大纲.docx

《计算机体系结构（双语）》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：56（其中理论学时：48实验学时：8）
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；而且必须进一步掌握计算机 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「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
（—*） Fundamental of Computer Design
1、基本要求：
（1）计算机性能的高速增长的原因及体系结构技术对计算机性能开展的影响（2）计算机系统中的层次概念
（3）经典计算机体系结构定义（4）体系结构与组成、实现之间的关系
（5）广义计算机体系结构定义（6）系列机、兼容机概念及软件兼容概念
（7）计算机体系结构的开展以及其中的并行性开展（8）定量分析技术
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）Instruction Set Principles and Example
1、基本要求：
（1）指令集结构分类（2）指令集结构最主要的分类方法:CPU中操作数的存储方法
（3）通用寄存器型指令集结构的分类、优缺点（4）寻址技术:各种寻址方式、使用情况统计
（5）指令集结构的功能设计：操作的分类（6） CISC 与 RISC
（7）控制指令:表示分支条件的技术及其优缺点（8）操作数的类型、表示和大小
（9）指令集格式的设计（10）编译技术与计算机体系结构设计
（11）DLX指令集
2、章重难点内容：
（1）面向主存储器的寻址方式。
（2）操作码及指令格式的优化表示。
（3） RISC的关键技术。
（三）the Exploitation of Instruction-level Parallelism in High-performance Processors
1、基本要求：
（1）流水线的基本概念、特点、分类、时一空图DLX基本流水线
（3）流水线性能分析：吞吐率、效率、加速比（4）流水线中的相关
（5）流水线计算机实例MIPS R4000（6）向量计算机中的流水线
（7）指令级并行的概念（8）提高指令级并行的基本技术：循环展开、重命名
（9）程序代码中的相关性：数据相关、名相关、控制相关（10）指令的动态调度：记分牌、保存站
（11）控制相关的动态解决技术：分支预测缓冲技术、分支目标缓冲技术、推断执行（12）多指令流出技术：基本思想
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。
（四）Memory Hierary Design
1、基本要求：
（1）多级存储器的基本思想（2）多级存储器的性能分析方法
（3）设计存储层次要考虑的问题Cache基本知识：映象规那么、查找算法、替换算法、写策略
（4） Cache的结构、性能分析Cache的失效分类及解决方法
（5） Victim Caches 伪相联 Cache、预取（8）减少命中时间、失效率、失效开销的技术
（9）主存：提高主存性能的一些结构（10）虚存：基本原理、实现原理及技术、设计思想、快表、页面大小问题
（11）进程保护与虚存实例
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。
（2） Cache的组相联映象及地址变换方法。
（五）Multiprocessors and Thread-Level Paralleliam
1、基本要求：
（1）并行计算机体系结构的分类（2）存储器的结构和分类：集中式共享存储器结构、分布式存储器结构
（3）通信模型与存储器的结构模型之间的关系（4）并行计算机性能面临的问题
（5） Cache一致性问题：两种协议（目录、监听）（6）互连网络（静态、动态）
（7）同步技术
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
Fundamental of Computer Design
6

2
Instruction Set Principles and Example
14

3
the Exploitation of Instruction-level Parallelism in High-performance Processors
10

4
Memory Hierary Design
10

5
Multiprocessors and Thread-Level Paralleliam
8

小计
48

比例
100%

合计
48
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
2

V

2
数据相关
2

V

3
指令调度
2

V

4
多处理机并行计算
2

V

小计
8

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，考试成绩占70%,平时成绩（包括实验）占30%。
七、教材与主要参考书：
教材：
计算机体系结构：量化研究方法（英文版.第3版）机械工业出版社主要参考书：
1 .计算机系统结构（郑纬民等编）清华大学出版社
2 .计算机系统结构（陆鑫达主编）高等教育出版社
3 .计算机系统结构（张晨曦等编）高等教育出版社