计算机系统结构教学大纲（本科）

计算机系统结构课程教学大纲

适用专业：计算机 总学时：48

一、课程的性质及任务

《计算机系统结构》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，以及如何最佳地实现分配给硬件的功能，达到最佳性能/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。

二、教学基本要求

教学目的和要求：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。

三、理论教学内容

第一章 系统结构设计基础 第一节计算机系统结构基本概念 第二节 计算机系统设计准则 第三节 计算机系统结构分类 第四节 计算机性能评价 第五节 计算机系统结构的发展

理解计算机系统结构定义、含义与组成，掌握研究计算机系统结构的重要性，掌握系统结构的分类、评价方法，计算机系统设计中常用的几个设计准则，几种计算机系统结构的分类方法及特点，理解与掌握计算机性能指标、评价方法，研究影响计算机系统结构发展的三大因素，以及计算机系统结构从冯·诺依曼机到现代微机结构的发展过程和并行性开发的发展

第二章 指令系统 第一节数据表示 第二节 指令系统总体设计 第三节指令集功能设计 第四节 寻址方式设计 第五节指令格式设计及优化 第六节 RISC使用的技术

掌握数据表示含义、设计方法，以及新数据表示引入原则；掌握指令系统设计基本思想、设计原则、衡量指标，深刻领会指令系统的设计步骤和思想，掌握几种类型的指令系统集特点；掌握CISC和RISC风格的指令功能集的设计思想、设计原则及优化方法；研究操作访问的编址和寻址方式，掌握寻址方式的选择原则—频带分析法；掌握操作码和指令字的设计方法和优化方法； 分析RISC的设计原则，掌握其所采用的窗口重叠技术、优化延迟转移技术、优化编译技术。

第三章 存储系统 第一节 存储系统设计基本原理

第二节 高速缓冲存储器（Cache）

第三节 虚拟存储器

掌握存储系统的构成及其设计原则—访存局部性原理；掌握Cache基本结构和工作原理，研究地址映象与变换、替换策略和更新策略的工作原理和设计方法，分析影响Cache性能指标的因素及优化方法。介绍先进的Cache结构和一致性处理方法（MESI）；以Pentium为例，掌握虚拟存储器的结构与实现技术。

第四章 标量流水技术 第一节 标量流水工作原理 第二节 流水操作中的主要障碍 第三节 流水线的实现与控制 第四节 指令级并行技术

掌握标量流水工作原理、分类原则、 性能指标及其分析、评价方法；掌握流水操作中的几种相关产生原因及其解决方法， 介绍Pentium系列处理器全局相关的先进处理方法—动态预测转移技术；掌握流水线的中断处理方法、非线性流水线调度方法和流水线控制器的设计与实现方法；分析现代微机所采用的动态执行技术（动态预测转移、动态调度、基于硬件的推断执行），掌握流水线中指令级并行性开发（超标量、VLIW、超级流水等）的工作原理和实现方法。

第五章 向量流水处理 第一节 向量流水处理

第二节 向量处理机结构 第三节 增强向量处理性能方法

掌握向量指令级并行性开发方法、向量处理机性能指标及评价方法。 掌握几种向量处理方式，及向量长度控制、访问步长及向量处理方法；掌握向量流水工作原理，根据不同向量处理机的系统结构，掌握其存储系统的设计方法及并行存储器无冲突访问技术；掌握向量指令级并行性开发方法、向量处理机性能指标及评价方法。

第六章 互连网络 第一节 互连网络基本概念 第二节 互连网络与拓扑结构 第三节 消息传递机制

掌握互连网络的功能、种类、互连网络基本工作原理及其性能指标；掌握互连函数与拓扑结构关系，静态与动态网络、SIMD与MIMD网络的实现原理；掌握消息传递机制的性能、路由算法、死锁及流控问题的解决方法。

第七章 并行处理技术 第一节 并行处理技术 第二节 SIMD并行处理机 第三节 并行存储器无冲突访问 第四节 多处理机系统结构 第五节 多处理机中并行性开发 第六节 多处理机操作系统