计算机系统结构系列课程-肖侬v1[1].0
计算机系统结构课程介绍
3. 等效指令速度： 吉普森（Gibson）法：加减法50％，乘法15％，
除法5％，程序控制15％，其他15％ 静态指令使用频度：在程序中直接统计 动态指令使用频度：在程序执行过程中统计
n
等效指令执行时间 T (Time i Weight i) 运算速度 1.2.2 存储器系统 1.2.3 其他性能 1.2.4 价格标准
1.2.1 运算速度
运算速度是表示处理机性能的主要指标。 有多种表示处理机运算速度的方法。 哪一种表示方法合理？ 1. 时钟频率（处理机主频） 只能用于同一公司、同一类型、同一配置的处理机 如：Pentium4 2.0G比Pentium4 1.6G快25%?
主存储器
主存控制器
ＣＰＵ
打印机 卡片机 终端
ＩＯＰ
ＩＯＰ
磁盘机
磁带机
功能特性 指令系统及其执行模式
• 数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型； • 寻址技术：编址方式、寻址方式和定位方式等； • 寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存
器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等； • 指令系统：操作类型、格式，指令间的排序控制等； • 中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等； • 存储系统：寻址空间、虚拟存储器、Cache存储器等； • 处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目态等； • 输入输出系统：数据交换方式、交换过程的控制等； • 信息保护：信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。
MIPS
指令条数 执行时间 106
Fz CPI
IPC
Fz
其中: Fz为处理机的工作主频
CPI(Cycles Per Instruction)为
周立计算机系统结构 第1章课件
第1章 计算机系统结构导论
计算机需求的功能
计算机需求的功能:实际上就是用户需求的功能。 计算机需求的功能 实际上就是用户需求的功能。这些功能需 实际上就是用户需求的功能 求来自计算机应用的各个领域，它们之中有些功能是一致的， 求来自计算机应用的各个领域，它们之中有些功能是一致的， 而有的功能是根本不同的。 而有的功能是根本不同的。 计算机应具有的性能:满足计算机的用户需求是体系结构设计 计算机应具有的性能 满足计算机的用户需求是体系结构设计 者努力追求的目标。从表所知， 者努力追求的目标。从表所知，并不是所有需求的功能都能轻 而易举地实现，因此对这些需求，我们要进行筛选。 而易举地实现，因此对这些需求，我们要进行筛选。筛选的依 据是性价比 这是计算机体系结构设计的最基本原则。 性价比， 据是性价比，这是计算机体系结构设计的最基本原则。对于那 些基本功能要求，一般总是给予满足，但对于实现成本高， 些基本功能要求，一般总是给予满足，但对于实现成本高，或 现代技术还难以实现的功能，就不直接给予满足， 现代技术还难以实现的功能，就不直接给予满足，而是将其分 间接实现，也就是说部分实现，部分给予间接实现。 解，间接实现，也就是说部分实现，部分给予间接实现。直接 实现一般指用硬件实现， 间接实现是指用软件实现。 一般指用硬件实现 是指用软件实现 实现一般指用硬件实现，而间接实现是指用软件实现。区分的 界限就是成本性能比和用户的承受能力。 界限就是成本性能比和用户的承受能力。 7
部分解释（操作系统） 部分解释（操作系统）
软硬件交界面 硬件 物 理 机
传统机器级 L1虚拟机 －机器语言 解释
固 件 微程序机器级 L 物理机器－微程序语言 0物理机器－ 硬联逻辑电路
图1.1 计算机系统层次结构 直接由硬件执行
《计算机系统结构》教学大纲
《计算机系统结构》教学大纲课程名称：计算机系统结构课程学时：72学时课程类型：专业必修课课程学分：3学分课程考核方式：考试一、课程目标本课程旨在使学生了解计算机系统的基本结构和原理，掌握计算机系统的层次结构、指令系统和中央处理器、主存储器和输入输出系统等方面的知识，培养学生分析和设计计算机系统的能力。
二、课程内容1.计算机系统概论1.1计算机系统的发展历程1.2计算机系统的基本组成部分1.3计算机系统的层次结构2.指令系统2.1指令的分类与特点2.2指令的寻址方式2.3指令的执行过程2.4简单指令系统的设计与实现3.中央处理器3.1数据通路和控制器3.2指令的执行过程3.3中央处理器的设计与实现3.4流水线技术4.主存储器4.1存储器的基本概念4.2存储器的层次结构4.3存储器的组织与管理4.4高速缓存存储器的设计与实现4.5虚拟存储器5.输入输出系统5.1输入输出系统的功能与分类5.2输入输出设备的接口技术5.3中断处理和DMA技术5.4输入输出系统的设计与实现三、教学方法本课程采用理论课和实验相结合的教学方法。
理论课主要讲授计算机系统的基本原理和概念，通过示例和案例分析加深学生的理解。
实验课将对部分计算机系统组成部分进行仿真和实践操作，提高学生的实际操作能力。
四、教材与参考书主教材：《计算机组成与设计》（第5版）- David A. Patterson, John L. Hennessy，机械工业出版社参考书：1. 《计算机系统结构教程》- M. Morris Mano, 赵洁，高等教育出版社2.《计算机体系结构》-王肇国，机械工业出版社五、考核方式与评分标准本课程采取考试的方式进行综合评估。
考试主要包括选择题、填空题、简答题和综合性问题。
评分标准包括学生对计算机系统原理的掌握程度、对计算机系统设计的理解程度以及实验操作能力的表现等。
六、实验内容1.设计一个简单的指令系统，包括指令集、寻址方式和控制流程。
《计算机系统结构》课程教学大纲
《计算机系统结构》课程教学大纲课程英文名称：Computer Architecture课程代码：G学时数：40学分数：2.5课程类型：专业核心课程适用学科专业：计算机科学与技术先修课程：《计算机组成原理》、《汇编语言程序设计》执笔者：徐洁编写日期：2013-11审核人：一、课程性质和目标（一）课程性质“计算机系统结构”课程作为计算机科学与技术专业的必修课，是研究实用计算机系统结构设计技术的重要主干课程。
主要介绍计算机系统结构原理、分析设计和性能评价方法，重点是流水线和指令级并行（ILP）技术，也介绍多核、多处理器，其内容是现代主流计算机系统的设计精髓，并非针对某一特定系统产品，同时介绍计算机系统结构发展的趋势与新的实现技术。
它的先修课程是计算机组成原理、汇编语言程序设计、高级语言程序设计等课程，本课程可以在“操作系统”、“编译原理”课程之后或与它们同时开设。
（二）课程目标本课程的教学目标是：（1）掌握计算机系统结构的基本概念、性能量化分析与设计的基本方法；掌握现代单CPU微处理器设计采用的流水线技术，指令级并行技术：转移预测、多发射、动态调度、推测执行等。
（2）了解多核、多处理器和线程级并行。
（3）通过综合实验课程，扩展实现具有相关处理的基于MIPS指令子集的5级流水线CPU。
本课程着重培养学生掌握单核微处理器内部采用的主要设计技术和多处理器相关技术，具有对计算机系统性能进行计算分析的能力，具有实现简单RISC 流水线CPU的能力。
二、课程内容安排和要求（一）教学内容、要求及教学方法第一章计算机设计基础（6学时）教学内容：1、简介，计算机的分类2、计算机系统结构的定义3、实现技术的发展趋势，集成电路功耗的发展趋势，成本的发展趋势4、可靠性5、计算机的性能评测6、计算机设计的量化原则7、性能和性价比教学要求：掌握（重点）：计算机系统结构定义，计算机的分类，计算机设计的量化原则、性能评测、系统结构的典型分类。
计算机系统结构 第一章 计算机系统结构的基础知识PPT课件
总结说明：
➢各个层之间通过翻译或解释实现的，翻译是指通过编译 器把高一级的语言程序转换成低一级的等效的语言程序， 并运行。
➢物理机
➢虚拟机是用软件实现的，但不一定完全用软件，也可以 用硬件加固件来实现。固件是指具有软件功能的硬件。
1.1.2计算机系统结构定义
1.计算机系统结构定义一：
➢ 系统结构：程序设计者所看到的一个计算机系统的属性, 即概念性结构和功能特性。Amdahl（阿姆达尔）等人于 1964年提出的。
第 6级：应用程序 第 5级：高级语言 第 4级：汇编语言 第 3级：操作系统 第 2级：机器语言 第 1级：微程序 第 0级：硬联逻辑
应用软件 系统软件 软硬件分界 硬件
第0级机器由硬件实现是 机器的硬件内核 第1级机器由微程序（固 件）实现，它根据各种指 令操作所需要的控制时序 吗，配备一套微指令，编 写出微程序，控制信息在 各寄存器之间的传送。
1.1.4.1弗林(Flynn)分类法 1.1.4.2冯氏分类法 1.1.4.3汉德勒(Händler)分类法
1.1.4.1 弗林(Flynn)分类法
弗林(Flynn)分类法按照指令流(Instruction stream,IS) 和数 据流(Data stream，DS)的多倍性进行分类。
指令流：计算机执行的指令序列。 数据流：由指令流调用的数据系列。 多倍性：在系统最受限的部件上，同n)分类法把计算机系统结构分为以下四类： 1.单指令流单数据流SISD(Single IS Single DS) 2.单指令流多数据流SIMD(Single IS Multiple DS) 3.多指令流单数据流MISD(Multiple IS Single DS) 4.多指令流多数据流MIMD(Multiple IS Multiple DS)
计算机系统结构与并行计算技术导论课程
计算机系统结构与并行计算技术导论课程计算机系统结构与并行计算技术导论课程是计算机科学与技术领域的一门重要课程。
本课程旨在介绍计算机系统的组成结构及其原理，并探讨并行计算技术在计算机系统中的应用。
通过学习本课程，学生将对计算机系统的运行机制、硬件组成和性能优化有深入的理解。
一、计算机系统结构概述计算机系统结构是指计算机硬件和软件组成的总体结构，是计算机系统中各个组件之间的联系和相互作用关系。
计算机系统结构包括计算机的层次结构、指令系统和存储系统等方面的内容。
在本课程中，我们将深入探讨这些内容，以便学生能够全面了解计算机系统的组成和工作原理。
1. 计算机层次结构计算机层次结构是一种层次化的设计思想，将计算机系统划分为不同的层次，每个层次都有各自的功能和特点。
常见的计算机层次结构包括冯·诺依曼结构和哈佛结构。
冯·诺依曼结构将存储器和处理器放在同一个空间中，而哈佛结构将存储器和处理器分开。
学生需要了解这些不同的计算机层次结构，并理解它们的优缺点。
2. 指令系统指令系统是计算机的操作指令和数据在计算机内部流动的规则。
指令系统包括指令的格式、编码方式和执行过程等方面的内容。
在本课程中，学生将学习不同类型的指令系统，如CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）等，以及它们在计算机性能方面的影响。
3. 存储系统存储系统是计算机系统中负责存储程序和数据的组件，包括主存储器、缓存和辅助存储器等。
学生需要了解不同类型存储器的特点，如RAM（随机访问存储器）和ROM（只读存储器）等，以及存储器的层次结构和访问方式等。
二、并行计算技术概述并行计算技术是指在计算过程中使用多个处理器或计算机系统同时工作，以提高计算速度和处理能力。
并行计算技术广泛应用于科学计算、数据分析和人工智能等领域。
在本课程中，我们将介绍并行计算的基本原理和应用技术，以及常见的并行计算模型和算法。
1. 并行计算的基本原理并行计算的基本原理是将计算任务划分成多个子任务，并同时在多个处理器上执行，最后将子任务的结果合并得到最终结果。
系统结构课程简介
课程内容提纲
课程简介
计算机系统结构》 《计算机系统结构》是计算机专业的基础性专业课 程之一，在整个计算机专业课程体系中处于图1 程之一，在整个计算机专业课程体系中处于图1所示 的位置； 的位置； 计算机系统结构课程主要研究计算机硬件和软件之 间的接口和界面，例如： 间的接口和界面，例如：计算机是怎样有效地表示 数据的？计算机指令设计的方法？ 数据的？计算机指令设计的方法？计算机的存储体 系怎样设计和考虑？输入/输出系统怎样设计？ 系怎样设计和考虑？输入/输出系统怎样设计？怎样 实现指令的流水或并行执行？ 实现指令的流水或并行执行？…….。 .
计算机硬、软件专业的课程体系： 计算机硬、软件专业的课程体系：
MIS＆OA， MIS＆OA，其它应用课程
软件工程理论
数据结构
各种程序设计语言
计算机软件
数据库原理
编译原理
操作系统
离散数学
计算机系统结构
计算机组成原理及其实现
计算机硬件
数字逻辑
数字电路
微电子技术LSI、 微电子口问题： 关于本课程内容和其它课程之间的接口问题： 和研究生《系统结构》课程之间的基本接口：总体上， 本课程主要学习单机系统结构部分，到标量流水处理 为止，研究生从多机开始。因此研究生将主要学习610章的内容。 和计算机组成原理之间的关系：计算机组成原理介绍 计算机各部分的具体实现或逻辑设计，而系统结构则 从软硬件整体性能的最优化目标出发，设计系统的整 体结构，定义软件和硬件之间的接口和界面。
第六章 标量处理机
前言 先行控制技术 数据相关问题 标量流水机系统结构 标量处理机的实现方式 小结
第一章 概
计算机系统结构的概念 计算机层次结构
述
计算机系统结构课后习题答案
计算机系统结构课后习题答案第一章计算机系统结构的基本概念1.有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。
现若需第i级的N条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？答：第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。
第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。
第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。
note:由题意可知：第i级的一条指令能完成第i-1级的M 条指令的计算量。
而现在第i级有N条指令解释第i+1级的一条指令，那么，我们就可以用N/M来表示N/M 表示第i+1级需(N/M)条指令来完成第i级的计算量。
所以，当有一段第1级的程序需要运行Ks时，在第2级就需要(N/M)Ks，以此类推2.硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。
答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。
但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。
在DOS操作系统时代，汉字系统是一个重要问题，早期的汉字系统的字库和处理程序都固化在汉卡（硬件）上，而随着CPU、硬盘、内存技术的不断发展，UCDOS把汉字系统的所有组成部份做成一个软件。
3.试以实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系与影响。
答：计算机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。
（1）计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成。
如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。
从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。
其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。
《计算机系统结构》课程简介
《计算机系统结构》课程介绍“计算机系统结构”是计算机及相关学科的专业技术基础课程。
它主要研究软件、硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定，即确定哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件实现。
计算机系统结构是从外部来研究计算机系统。
它是使用者所看到的物理计算机的抽象，编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的计算机的属性。
本课程的学习目的是建立计算机系统的完整概念，学习计算机系统的分析方法和设计方法，掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理。
本课程将深入浅出地全面介绍计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法。
内容包括计算机系统结构的基本概念、指令系统、存储系统、输入输出系统、标量处理机、向量处理机互连网络、并行处理机和多处理机等。
本课程是计算机及应用专业的主干课程和核心课程。
是在‘计算机组成原理’课程的基础上，从系统分析和设计的角度，使学生建立起计算机系统的完整概念。
“计算机系统结构”是从计算机用户（包括应用程序员和系统程序员）角度所看到的、或必须掌握的计算机系统的属性。
其中某些内容和先修课程中有重叠之处，例如数据表示、指令系统、存储系统、和输入输出系统等，但本课程是从系统分析和设计的角度来阐述这些内容的，主要目的不再是简单地让学生掌握其硬件原理，而更重要的是分析方法和设计方法。
通过本课程的学习让学生比较全面地掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析设计方法，建立起计算机系统的完整概念。
计算机科学是一门发展非常迅速的学科，在组织课程内容时要有较高的起点。
对于计算机系统结构的新进展，例如超标量、超流水线、SIMD、互连网络、多处理机等部分内容应该酌情分配足够的学时，力图使学生了解计算机系统结构的新进展。
通过本课程的学习，使学生了解和掌握计算机系统结构基本原理和方法，掌握计算机系统的基本设计思路,与C语言、计算机组成原理、数据结构等先修课程的内容呼应，加深理解，提升层次，与编译原理、操作系统等后续课程相辅相成，相互促进，进一步形成计算机专业知识架构。
纲-《计算机系统结构》课程教学大纲
《计算机系统结构》课程教学大纲Computer Architecture适用专业：计算机科学与技术、网络工程学分数：2 总学时数：32一、本课程教学目的和任务本课程是计算机科学与技术及网络工程专业一门重要的专业课，对于培养学生的抽象思维能力和自顶向下、系统分析和解决问题的能力有非常重要的作用。
其目标是使学生掌握计算机系统结构的基本概念、原理、设计和分析方法。
通过学习本课程，能把在“计算机组成原理”、“操作系统”等课程中所学的软、硬件知识有机结合起来，从而建立起计算机系统的完整概念二、本课程性质与教学目的主要介绍计算机系统结构的概念、技术，主要是软硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现软硬件功能分配。
要求了解基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法。
三、本课程与其他课程的关系学习本课程之前，应很好地掌握计算机组成原理、操作系统、程序设计等相关课程。
四、课程内容1. 计算机系统结构概述计算机系统基本概念、计算机系统的发展、计算机系统的功能和结构、计算机系统的设计方法2. 计算机系统结构的合成中央处理器、总线结构、存储系统、输入输出系统3. 存储系统结构地址映像与变换、替换算法及其实现、高速缓冲存储器、虚拟存储器、主存保护与控制4. 动态冗余技术动态冗余的概念、实现动态冗余的关键技术（故障检测与诊断、故障屏蔽、重组、恢复）、重组过程、主要恢复算法。
5. 流水线结构流水线结构原理、线性流水线、非线性流水线、流水线相关处理、向量处理机、超级流水处理机6. RISC结构基本概念、流水线结构、指令调度、Cache结构六、主要参考书[1] 计算机系统结构，徐炜民等，电子工业出版社，2010[2] 计算机系统结构，郑纬民等，清华大学出版社，2004[3] 计算机系统结构教程，张晨曦等. 清华大学出版社，2009[4] 计算机系统结构，李学干，西安电子科技大学出版社，2006六、学时分配课程内容 讲课 实验 上机 大作业 小计 概述 2计算机系统结构合成 6存储系统结构8流水线结构10RISC结构 6合 计 32 32。
《计算机系统结构》教学大纲
精品文档教学大纲课程名称计算机系统结构课程负责人任国林学时48学分3开课院系计算机科学与工程系制订日期1999年精品文档东南大学课程基本情况课程名称课程编号先修要求授课对象讲课学时实验学时上机学时计算机系统结构09406计算机组成原理、接口与通信、操作系统、编译原理计算机专业本科48学时8学时（课程设计）教材名称及主编姓名教学参考书计算机系统结构（张晨曦主编）计算机系统结构（陆鑫达等编）计算机系统结构（郑纬民等编）精品文档课程的地位、作用及任务随着计算机硬件、软件技术的不断发展，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，达到最佳性能 / 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。
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。
教学内容和基本要求本课程主要教学内容有七章，分为计算机系统结构设计、并行处理技术两大部分。
第一章系统结构设计基础1.计算机系统结构基本概念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。
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•概念、各部件、•体系结构基础 概念、各部件、 体系结构基础 概念 存储程序思想 •计算机运行原 •指令系统设计 计算机运行原 指令系统设计 计算机 理 •流水线和指令 流水线和指令 •运算器和控制 运算器和控制 级并行技术 器工作原理 •存储器件的工 •存储层次设计 存储器件的工 存储层次设计 存储器件的 作原理和存储 作原理和存储 层次 •输入输出系统 输入输出系统 •常见 设备和 常见IO设备和 常见 •向量处理机 向量处理机 接口控制原理 接口控制原理
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 计算机系统概述 指令系统 存储器 总线 输入输出系统
1. 课程体系
2 10 12 6 10
中央处理器（运算器和控制器） 中央处理器（运算器和控制器） 10+10
计算机原理课程设计
计算机系统结构系列
16
1.2 教学内容（续） 教学内容（ 计算机体系结构
计算机系统结构系列
全面锻炼了学生流水线分析和应用的能力
1.5 实验教学 实验教学——课程设计实验 课程设计实验
实例：流水线和存储系统硬件结构设计 实例： 课时： 学时； 课时：4学时；2-4人/组 环境：自研综合实验平台和FPGA开发平台 环境：自研综合实验平台和FPGA开发平台 FPGA 任务：采用Verilog语言设计具有简单Cache、 任务：采用Verilog语言设计具有简单Cache、存控接口 Verilog语言设计具有简单Cache 等的多级流水线结构，支持基本指令集的运行，得出性 等的多级流水线结构，支持基本指令集的运行， 能和代价分析
处理器 内存和存储 高速互联 各种主板器件
配置
14,336Intel CPUs +7,168 nVIDIA GPUs + 国产处理器飞腾： 国产处理器飞腾：2,048个 个 262TB 和2PB 自主设计实现的新型高速互联
THTH-1
自主设计实现
计算机系统结构系列
THTH-1
20112011-111
计算机系统结构系列
计算机硬件系列课程
主要课程：16名老师参与 主要课程：16名老师参与
数字电子技术、 数字电子技术、数字逻辑 计算机原理、 计算机原理、计算机原理课程设计 数字系统设计工程，数字系统课程设计 数字系统设计工程， 计算机体系结构 汇编语言、 汇编语言、并行计算机体系结构 嵌入式系统， 嵌入式系统，嵌入式课程设计 VLSI、 VLSI、信息存储技术等
© 国防科技大学
计算机系统结构系列
17
1.2 教学内容
嵌入式系统 第一章 嵌入式系统概论 第二章 嵌入式处理器 第三章 存储、接口与编程 存储、
1. 课程体系
2 4 10 6 6 10 16
第四章 嵌入式操作系统及其软件设计 第五章 嵌入式系统高级技术 课程实验 综合课程设计
计算机系统结构系列
1.4 嵌入式系统课程 ——萌芽阶段（2000-2003年） 萌芽阶段（ 年 萌芽阶段
统一规划， 统一规划，合理划分教学内容
目标明确、衔接有序、 目标明确、衔接有序、兼顾考研
以三门国家级精品课程建设为核心
计算机体系结构、计算机原理、 计算机体系结构、计算机原理、嵌入式系统
注重与研究生教学的衔接
本硕博打通
强化实践教学
独立的综合教学实践课
建立和依托高水平教学科研队伍
计算机系统结构系列
1.2 教学内容 计算机原理
计算机系统结构系列
“天河”研制过程中 天河”
学生装机，工作虽不复杂、 学生装机，工作虽不复杂、体会很深
中国第一台千万亿次超级计算机 天河” “天河” TH-1A在天津安装运行 在天津安装运行
峰值性能： 峰值性能：4.7Petaflops/s linpack测试 测试： linpack测试：2.5Petaflops/s 中国TOP100 TOP100： 中国TOP100：第一名 预计世界领先（Top500第一 第一？） 预计世界领先（Top500第一？） 项目
计算机系统结构系列
1. 课程体系
计算机系统结构系列
计算机硬件系列课程特点
三门国家精品课程
计算机系统结构-王志英教授负责 计算机系统结构-王志英教授负责 计算机原理-唐玉华教授负责 计算机原理-唐玉华教授负责 嵌入式系统-肖侬、陆洪毅负责 嵌入式系统-肖侬、陆洪毅负责
教学和科研紧密结合
教学实验实例来源于科研实践 教学内容和教材反映银河成果 教师工程背景的熏陶 教学和基础研究为大型工程贡献 为军服务
小结： 小结：
必修课 选修课 实验课 教学方案 本硕博打通、 本硕博打通、经典深入 6门，宽广、前沿、深 宽广、前沿、 入 独立- 基于统一平台、 独立-》基于统一平台、 课程衔接 自编教材+ 自编教材+经典英文教 材 描述 并行体系结构、 并行体系结构、存储 等课程 更强调综合、 更强调综合、 强调“系统优化” 强调“系统优化” 加强工程能力培养 更多的采用国际顶级 英文教材
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 实验： 实验： 计算机体系结构基础 计算机指令集结构设计 流水线技术及指令级并行高级技术 存储层次 输入输出系统 向量处理机 多处理机系统 流水线、 流水线、存储层次等
计算机系统结构系列
6 8 12 12 4 4 8 6
1.3 教学内容划分与衔接
计算机系统结构系列
1.4 嵌入式系统课程 ——课程建设深化阶段（2008年以来） 课程建设深化阶段（ 年以来） 课程建设深化阶段 年以来
计算机系统结构系列
1.5 实验教学
2.1 三个层次
验证 实验 课程设 计实验 创新 实验
计算机系统结构系列
1.5 实验教学 实验教学——验证实验 验证实验
课内实验：例如基于DLX模拟器的综合性 课内实验：例如基于DLX模拟器的综合性 DLX 课时： 学时； 课时：2学时； 环境：WinDLX模拟器 环境：WinDLX模拟器 任务：采用DLX汇编语言设计矩阵乘程序， 任务：采用DLX汇编语言设计矩阵乘程序，并进行流水 DLX汇编语言设计矩阵乘程序 线性能优化 步骤： 步骤： 实验1 实验1 实验2 实验2 实验3 实验3 实验4 实验4 3× 3×3矩阵乘法 矩阵乘法性能分析 矩阵乘法性能优化 M× M×N矩阵乘法规模扩展
2 9
计算机系统结构系列
1.6 教材建设
十多本教材
《计算机原理》、《计算机系统原 计算机原理》 计算机体系结构》 理》、《计算机体系结构》、《嵌入式 操作系统》 汇编语言》《数字电路》 》《数字电路 操作系统》、《汇编语言》《数字电路》 等等
计算机系统结构系列
1.5 实验教学 实验教学——创新实验 创新实验
发挥基础研究和工程的优势， 发挥基础研究和工程的优势，结合科研项目 例如： 例如：高性能嵌入式并行系统设计和应用 组织：创新实践小组， 组织：创新实践小组，3-5人 自研高性能嵌入式并行开发平台 熟悉高性能嵌入式CPU、存储器、IO 熟悉高性能嵌入式CPU、存储器、 CPU 接口部件等功能， 接口部件等功能， CPU内部寄存器功能及其控制作用分析 CPU内部寄存器功能及其控制作用分析 设计基于非易失存储器的系统启动方法 调试存储子系统模块时序， 调试存储子系统模块时序，评估性能 典型IO接口的驱动设计 典型IO接口的驱动设计 IO
计算机原理
系统概述 指令系统 中央处理器 存储器 输入输出
等等
目的
体系结构
目的
•计算机系统全局 计算机系统全局 计算机系统 概念和量化 量化方法 概念和量化方法 •指令系统特点及 指令系统特点及 设计准则， 设计准则，RISC •指令处理性能优 指令处理性能优 指令处理性能 化方法 •存储层次设计和 存储层次设计和 优化 •IO系统性能分析 系统性能分析 方法和RAID 方法和 •数据并行处理方 数据并行处理方 数据并行 法和性能评价 •并行处理概念、 并行处理概念 并行处理概念、 结构和方法
•多处理机技术等 多处理机技术等
1.3 教学内容划分与衔接（续） 教学内容划分与衔接（
计算机原理 计算机体系结构
•了解计算机基本构成和 •具备计算机系统硬件结 了解计算机基本构成和 具备计算机系统硬件结 基本运行原理 构设计和优化的能力
•培养基本计算机硬件硬 •整系统结构和性能评价 培养基本计算机硬件硬 整系统结构和性能评价 件设计方法和应用方法 的能力
上世纪末及本世纪初，国内外院 上世纪末及本世纪初，国内外院 校相继开设了嵌入式系统课程
计算机系统结构系列
1.4 嵌入式系统课程（续） 嵌入式系统课程（
我校嵌入式系统课程的发展历程 我校嵌入式系统课程的发展历程 课程的发展
• 萌芽阶段（2000-2003年） 萌芽阶段（2000-2003年 • 发展壮大阶段（2004-2007年） 发展壮大阶段（2004-2007年 • 课程建设深化阶段（2008年以来） 课程建设深化阶段（2008年以来） 年以来
计算机系统结构 硬件系列课程建设
肖侬 国防科大计算机学院 计算机系统结构教研室 2010年11月6日 年 月 日
主要内容
计算机系统结构系列
计算机工程方向人才培养目标
能够设计计算机系统的专业人才 能够设计计算机系统的专业人才 设计 应用计算机系统的专业人才 能系统应用 能系统应用计算机系统的专业人才 能全面评价计算机系统的专业人才 能全面评价计算机系统的专业人才 评价 能从系统结构角度管理计算机系统的专业人才 能从系统结构角度管理计算机系统的专业人才 管理 强调综合和系统能力 强调综合和系统能力 综合
• 2002教学计划：面向计算 教学计划： 教学计划 机科学与技术以及网络工程 专业本科生开设了两门课程 • 《嵌入式系统》 嵌入式系统》 • 《嵌入式系统课程设计》 嵌入式系统课程设计》 • 旨在使学生掌握 • 嵌入式系统的基本知识 嵌入式系统的基本知识 • 嵌入式系统的设计能力 嵌入式系统的设计能力 • 设计与实现