計算機體系結構課程大綱

計算機體系結構（ComputerArchitecture）學分數3周學時3+0課程性質：專業(yè)基礎課預修課程：計算機原理教學目的：通過本課程的學習，使學生對計算機系統(tǒng)的概念性結構、設計原理、關鍵技術以及這一領域的先進技術和發(fā)展趨勢有所了解，并掌握基本的對計算機系統(tǒng)進行性能分析的方法，構筑起了解、學習、研究計算機系統(tǒng)的必備基礎知識?；緝热荩河嬎銠C系統(tǒng)的概念結構、指令集結構、流水線技術、指令級并行、存儲層次、輸入輸出系統(tǒng)、多處理機技術?；疽螅簩W生應按本大綱具體要求，通過對計算機系統(tǒng)的概念性結構、設計原理、關鍵技術以及發(fā)展趨勢的學習，掌握計算機體系結構領域的基本概念、基本原理，具備對計算機系統(tǒng)的性能進行基本分析的方法和手段，為在計算機領域的進一步深入研究打下必備的知識基礎。教學用書：張晨曦主編《計算機體系結構》，高等教育出版社，2001年1月教學內容、要求和課時安排：、計算機體系結構的基本概念（學時數：9）教學內容計算機性能的高速增長的原因及體系結構技術對計算機性能發(fā)展的影響計算機系統(tǒng)中的層次概念經典計算機體系結構定義體系結構與組成、實現之間的關系廣義計算機體系結構定義系列機、兼容機概念及軟件兼容概念計算機體系結構的發(fā)展以及其中的并行性發(fā)展并行性概念；并行性等級。定量分析技術響應時間；流量；CPU時間；系統(tǒng)加速比；可改進比例；部件加速比；CPU的性能（如何衡量、CPU時間、CPI、時鐘頻率之間關系）教學要求理解計算機體系結構的基本概念，以及與組成、實現之間的關系；理解計算機系統(tǒng)的層次概念；了解系列機、兼容機概念及軟件兼容概念；了解計算機體系結構的發(fā)展以及其中的并行性發(fā)展，理解并行性及并行性等級概念；掌握基本的定量分析技術；二、計算機指令集結構設計（學時數：9）教學內容指令集結構分類指令集結構最主要的分類方法：CPU中操作數的存儲方法通用寄存器型指令集結構的分類、優(yōu)缺點尋址技術:各種尋址方式、使用情況統(tǒng)計指令集結構的功能設計：操作的分類CISC與RISC控制指令:表示分支條件的技術及其優(yōu)缺點操作數的類型、表示和大小指令集格式的設計編譯技術與計算機體系結構設計編譯技術及優(yōu)化技術的關系、編譯技術對體系結構的影響、體系結構對編譯技術的影響DLX指令集教學要求理解指令集結構的各種分類方法以及最主要的分類方法；理解通用寄存器型指令集結構的分類、特點；了解各種尋址方式及基本使用情況；了解指令集結構中常用的操作類型；了解CISC、RISC技術的思想及特點；理解各種表示分支條件的技術及其優(yōu)缺點；了解操作數的類型、表示、大小、使用頻率以及指令集格式的設計思想;了解編譯技術與計算機體系結構設計之間的關系；三、流水線技術（學時數：9）教學內容流水線的基本概念、特點、分類、時一空圖DLX基本流水線流水線性能分析：吞吐率、效率、加速比流水線中的相關結構相關、數據相關、控制相關、解決方法、時一空圖情況、數據相關的進一步分類流水線計算機實例MIPSR4000向量計算機中的流水線教學要求理解并掌握流水線的基本概念、特點、分類及時一空圖分析方法；理解DLX基本流水線的實現思想及分析方法；掌握基本的流水線性能分析方法；掌握基本的流水線相關性的分析方法；了解MIPSR4000和向量計算機中的流水線技術;四、指令級并行（學時數：9）教學內容指令級并行的概念提高指令級并行的基本技術：循環(huán)展開、重命名程序代碼中的相關性：數據相關、名相關、控制相關指令的動態(tài)調度：記分牌、保留站控制相關的動態(tài)解決技術：分支預測緩沖技術、分支目標緩沖技術、推斷執(zhí)行多指令流出技術：基本思想教學要求理解指令級并行的概念；掌握循環(huán)展開、重命名等提高指令級并行的基本技術；具備對程序代碼中的相關性進行分析的能力；了解指令動態(tài)調度技術和控制相關動態(tài)解決技術的基本思想、解決的問題；了解多指令流出技術思想；五、存儲器的層次結構（學時數：9）教學內容多級存儲器的基本思想多級存儲器的性能分析方法設計存儲層次要考慮的問題Cache基本知識：映象規(guī)則、查找算法、替換算法、寫策略Cache的結構、性能分析Cache的失效分類及解決方法VictimCache、偽相聯Cache、預取減少命中時間、失效率、失效開銷的技術主存：提高主存性能的一些結構虛存：基本原理、實現原理及技術、設計思想、快表、頁面大小問題進程保護與虛存實例教學要求掌握多級存儲器的基本思想和性能分析方法；掌握Cache基本知識、結構、性能分析以及提高性能的技術；了解主存、虛存的原理、結構、分類以及提高性能的技術；了解進程保護的原理及虛存實例；六、輸入輸出系統(tǒng)（學時數：9）教學內容I/O設備I/O設備與處理機的連接方式存儲設備總線：分類、原理、實例通道處理機的分類、作用、工作過程、流量分析I/O與操作系統(tǒng)：I/O與Cache數據一致性、DMA與虛存I/O系統(tǒng)設計教學要求了解常用的I/O設備及I/O設備與處理機的連接方式；了解常用的存儲設備；了解總線的分類、原理以及一些實例；了解通道處理機的分類、作用、工作過程，掌握流量分析方法；了解I/O與Cache數據一致性、DMA與虛存之間的關系以及I/O系統(tǒng)設計中考慮的問題；七、多處理機（學時數：6）教學內容并行計算機體系結構的分類存儲器的結構和分類：集中式共享存儲器結構、分布式存儲器結構通信模型與存儲器的結構模型之間的關系并行計算機性能面臨的問題Cache一致性問題：兩種協(xié)議（目錄、監(jiān)聽）互連網絡（靜態(tài)、動態(tài)）同步技術教學要求了解并行計算機體系結構及其分