《计算机系统结构》教学大纲

一、课程的性质、目的与任务

本课程是计算机专业的一门专业基础课。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，并对计算机系统结构的发展历史和现状有所了解。

通过本课程的学习，要求学生达到:

1.掌握计算机系统结构的基本概念、组成部分及设计原则。

2.掌握计算机系统结构各组成部分的分析、设计原则和方法。

3.掌握现代微机所采用的流水技术工作原理和实现方法。

4.掌握计算机并行处理技术和并行程序设计方法。

5．了解计算机系统结构的发展历史和现状。

二、课程教学基本内容与要求

第一章 计算机系统结构概论

（一）基本教学内容

1.1 计算机系统的多级层次结构

1.2计算机系统结构、组成与实现

1.3计算机系统的软硬取舍、性能评测及定量设计原理

1.4软件、应用、器件对系统结构的影响

1.5系统结构中的并行性发展和计算机系统的分类

（二）基本要求

教学目的：掌握计算机体系结构的基本概念，以及与组成、实现之间的关系；计算机系统的层次概念；软件和硬件的功能分配原则；软件可移植性的途径、方法、适应场合、存在的问题和对策；并行性概念系统中开发并行性的途径等。计算机操作系统的基本知识。

教学重点：计算机体系结构的基本概念，奖学金系统层次结构，透明性及其判断

教学难点：透明性的判断与分析

第二章 数据表示、寻址方式与指令系统

（一）基本教学内容

2.1 数据表示

2.2寻址方式

2.3指令系统的设计和优化

2.4指令系统的发展和改进

（二）基本要求

教学目的：掌握定义数据表示；浮点数尾数的基值选择；数的下溢处理方法；寻址方式中的再定位技术；信息在存贮器中按整数边界存贮的概念；操作码和指令字格式的优化设计；CISC指令系统的改进途径综述；RISC概念及所采用的基本技术。

教学重点：自定义数据的表示，寻址方式中的再定位技术，：浮点数尾数基值的选择；操作码和指令字格式的优化设计

教学难点：浮点数尾数基值的选择；操作码和指令字格式的优化设计

第三章 存储、中断、总线与I/O系统

（一）基本教学内容

3.1存储系统的基本要示和并行主存系统

3.2中断系统

3.3总线系统

3.4输入/输出系统

（二）基本要求

教学目的：掌握非专用总线的总线控制方式；数据宽度及其分类；中断分类分级的原因；中断处理次序的安排和实现；通道流量的分析和设计。

教学重点：总线控制方式，中断实现，通道流量分析。

教学难点：按中断处理优先的次序设置中断屏蔽位；通道流量的设计；字节多路通道响应和处理外部设备请求的时空图

第四章 存储体系

（一）基本教学内容

4.1存储体系的概念

4.2虚拟存储器

4.3高速缓冲存储器

4.4 Cache－主存－辅存三级层次

4.5主存保护

（二）基本要求

教学目的：掌握段页式和页式虚拟存贮器的原理；页式虚拟存贮器的地址映像；LUR、FIFO、OPT替换算法的模拟；LUR替换算法模拟及性能分析；LUR替换算法的硬件实现；Cache存贮器的直接和组相联地址映像；Cache存贮器的性能分析。

教学重点：各种替换算法的原理与性能分析，Cache存储器性能分析

教学难点：段页式和页式虚拟存贮器中虚、实地址的计算；各种页面替换算法的模拟和页命中率

第五章 流水和指令级高度并行的超级机

（一）基本教学内容

5.1 重叠方式

5.2流水方式

5.3向量的流水处理与向量流水处理机

5.4指令级高度并行的超级处理机

（二）基本要求

教学目的：掌握“一次重叠”方式中各种相关的处理；流水线的时空图和性能分析；流水的局部性相关的处理，全局性相关的处理和对中断的处理；单功能非线性流水线的调度；向量处理方式；向量流水机中，向量指令之间并行和链接执行的特点。

教学重点：相关的处理，画流水线的时空图，计算吞吐率、效率和加速比；优化单功能非线性流水线的调度方

教学难点：画流水线的时空图，计算吞吐率、效率和加速比；优化单功能非线性流水线的调度方

第六章 阵列处理机

（一）基本教学内容

6.1 陈列处理机原理

6.2 SIMD计算机的互联网络

6.3 共享主存构形阵列处理机中并行存储器的无冲突访问

6.4 脉动阵列处理机

（二）基本要求

教学目的：掌握处理单元之间的互连函数、多级互连网络及全排列网络；并行存贮器的无冲突访问；相联检索算法；多处理机的结构特点、程序的并行性

教学重点：阵列处理机的互联结构分析，存储器的无冲突访问

教学难点：阵列处理机的互联结构分析

第七章 多处理机

（一）基本教学内容

7.1 多处理机的概念、问题与硬件结构

7.2 紧耦合多处理机多Cache的一致性问题

7.3 多处理机的并行性和性能

7.4 多处理机的操作系统

7.5 多处理机的发展

（二）基本要求

教学目的：了解多处理机的概念、问题和硬件结构；紧耦合多处理机多Cache的一致性问题；多处理机的并行性、性能和发展。

教学重点：多处理机的概念、问题和硬件结构；紧耦合多处理机多Cache的一致性问题；多处理机的并行性、性能和发展

教学难点：紧耦合多处理机多Cache的一致性问题

三、课程各章节学时分配

四、本课程课外学习与修学指导

由于该课程涉及计算机系统软、硬件功能的合理分配，内容复杂，难度较大，且具有较强的实践性，所以要学好本课程，必须做到理论与实践紧密结合，才能达到较好的学习效果。要求学生多参阅相关书籍，多做练习，多上机实验，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。

五、本课程考核方式及成绩评定标准

考核方式：闭卷方式

成绩评定方法：本课程的考核是平时成绩、实验成绩和期终考试成绩相结合。具体比例为：上课出勤、作业占20%，实验占20%，期末考试成绩占60%。

其中期未考试总分100分，基础题占50%，中等难度题占40%，较难题占10%。考试题型主要有：选择题、填空题、判断题、简答题、计算题、画图题、分析题等。

六、教材及参考书

教材：李学干主编.《计算机系统结构》（第四版）.西安：西安电子科技大学出版社，2006.

主要参考书：

[1]郑纬民，汤志忠.《计算机体系结构》（第二版）.北京：清华大学出版社，1998.

[2]李学干主编.《计算机系统结构》学习指导与题解.西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[3]白中英主编，《计算机组成与体系结构》，北京：科学出版社，2006.

大纲撰写人： 李芝成

大纲审阅人： 刘伟群

教学副主任： 易叶青

编写日期：2012.6