2022年2022年计算机体系结构课程大纲 .pdf

计算机体系结构( Computer Architecture ) 学分数 3 周学时 3+0 课程性质： 专业基础课预修课程： 计算机原理教学目的： 通过本课程的学习，使学生对计算机系统的概念性结构、设计原理、关键技术以及这一领域的先进技术和发展趋势有所了解，并掌握基本的对计算机系统进行性能分析的方法， 构筑起了解、学习、研究计算机系统的必备基础知识。基本内容： 计算机系统的概念结构、指令集结构、流水线技术、指令级并行、存储层次、输入输出系统、多处理机技术。基本要求： 学生应按本大纲具体要求， 通过对计算机系统的概念性结构、设计原理、关键技术以及发展趋势的学习，掌握计算机体系结构领域的基本概念、基本原理，具备对计算机系统的性能进行基本分析的方法和手段，为在计算机领域的进一步深入研究打下必备的知识基础。教学用书： 张晨曦主编计算机体系结构 ，高等教育出版社， 2001年 1 月教学内容、要求和课时安排：一、计算机体系结构的基本概念（学时数：9）教学内容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发展的影响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. 计算机体系结构的发展以及其中的并行性发展并行性概念；并行性等级。8. 定量分析技术响应时间；流量； CPU时间；系统加速比；可改进比例；部件加速比；CPU 的性能 ( 如何衡量、 CPU 时间、 CPI、时钟频率之间关系 ) 教学要求1.理解计算机体系结构的基本概念，以及与组成、实现之间的关系；2.理解计算机系统的层次概念；3.了解系列机、兼容机概念及软件兼容概念；4.了解计算机体系结构的发展以及其中的并行性发展，理解并行性及并行性等级概念；5.掌握基本的定量分析技术；二、计算机指令集结构设计（学时数：9）教学内容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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 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编译技术及优化技术的关系、编译技术对体系结构的影响、体系结构对编译技术的影响11. DLX 指令集教学要求1.理解指令集结构的各种分类方法以及最主要的分类方法；2.理解通用寄存器型指令集结构的分类、特点；3.了解各种寻址方式及基本使用情况；4.了解指令集结构中常用的操作类型；5.了解 CISC 、RISC技术的思想及特点；6.理解各种表示分支条件的技术及其优缺点；7.了解操作数的类型、 表示、大小、使用频率以及指令集格式的设计思想；8.了解编译技术与计算机体系结构设计之间的关系；三、流水线技术（学时数： 9）教学内容1. 流水线的基本概念、特点、分类、时空图2. DLX基本流水线3. 流水线性能分析：吞吐率、效率、加速比4. 流水线中的相关结构相关、数据相关、控制相关、解决方法、时空图情况、数据相关的进一步分类5. 流水线计算机实例MIPS R4000 6. 向量计算机中的流水线教学要求1.理解并掌握流水线的基本概念、特点、分类及时空图分析方法；2.理解 DLX基本流水线的实现思想及分析方法；3.掌握基本的流水线性能分析方法；4.掌握基本的流水线相关性的分析方法；5.了解 MIPS R4000和向量计算机中的流水线技术；四、指令级并行（学时数： 9）教学内容1. 指令级并行的概念2. 提高指令级并行的基本技术：循环展开、重命名3. 程序代码中的相关性：数据相关、名相关、控制相关4. 指令的动态调度：记分牌、保留站名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 5. 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6. 多指令流出技术：基本思想教学要求1.理解指令级并行的概念；2.掌握循环展开、重命名等提高指令级并行的基本技术；3.具备对程序代码中的相关性进行分析的能力；4.了解指令动态调度技术和控制相关动态解决技术的基本思想、解决的问题；5.了解多指令流出技术思想；五、存储器的层次结构（学时数：9）教学内容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4. Cache基本知识：映象规则、查找算法、替换算法、写策略5. Cache的结构、性能分析7. Cache的失效分类及解决方法8. Victim Cache 、伪相联 Cache、预取9. 减少命中时间、失效率、失效开销的技术10. 主存：提高主存性能的一些结构11. 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12. 进程保护与虚存实例教学要求1.掌握多级存储器的基本思想和性能分析方法；2.掌握 Cache基本知识、结构、性能分析以及提高性能的技术；3.了解主存、虚存的原理、结构、分类以及提高性能的技术；4.了解进程保护的原理及虚存实例；六、输入输出系统（学时数：9）教学内容1. I/O 设备2. I/O 设备与处理机的连接方式3. 存储设备4. 总线：分类、原理、实例5. 通道处理机的分类、作用、工作过程、流量分析6. I/O 与操作系统： I/O 与 Cache数据一致性、 DMA 与虚存7. I/O 系统设计教学要求1.了解常用的 I/O 设备及 I/O 设备与处理机的连接方式；2.了解常用的存储设备；3.了解总线的分类、原理以及一些实例；4.了解通道处理机的分类、作用、工作过程，掌握流量分析方法；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 5.了解 I/O 与 Cache数据一致性、 DMA 与虚存之间的关系以及I/O 系统设计中考虑的问题；七、多处理机（学时数： 6）教学内容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.同步技术教学要求1.了解并行计算机体系结构及其分类；2.了解集中式共享存储器结构和分布式存储器结构；3.了解通信模型以及与存储器结构模型之间的关系；4.了解并行计算机性能面临的问题；5.了解 Cache一致性问题及解决方法；6.了解静态、动态互连网络及同步技术；编写者：吴百锋（教授）编写时间： 2003年 6 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -