计算机系统课程教学大纲

《计算机系统结构》教学大纲

（参考学时：约48学时）

1.课程的性质、目的和意义

计算机系统结构是计算机科学与技术专业（本科）必修的一门专业技术课。计算机系统结构是计算学科的重要分支之一。计算机的发展历史说明，计算机性能的不断提高主要依靠器件的变革和系统结构的改进。今天，在器件潜力几乎达到极限的情况下，计算机系统结构的改进尤为重要。

本课程是从外部来研究计算机系统, 即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;软硬件功能分配及分界面的确定。

通过本课程的学习，使学生建立计算机系统的完整概念;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方法，为学生熟悉现代计算机系统特别是微型计算机系统的开发、应用和发展打下良好的基础。本课程应该注重培养学生对系统结构的分析能力，掌握系统结构设计的基本原则。即如何最合理地利用新器件，最大限度地发挥其潜力，设计并构成综合性能指标最佳的计算机系统。

本课程为计算机专业（本科）高年级课程，需要综合几乎所有计算机专业基础和相关的前继专业课程知识。主要有：计算机组成原理、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、数据结构、操作系统、编译原理等课程。本课程的新内容为超标量处理机、超流水线处理机、向量处理机、并行处理机、线程级并行、多核处理器、多处理器系统及其并行计算等。

1.教学内容

本课程知识结构图如图1所示。

第一部分计算机系统结构的基础

1.教学内容

2.计算机的发展及其分类；

3.计算机系统多级层次结构和计算机系统结构的基本概念；

4.计算机系统设计的评价标准和定量原理；

5.软件、器件、应用对计算机系统结构的影响；

6.计算机系统的分类。

2．教学基本要求

1.熟练掌握内容: 计算机系统层次结构，计算机系统结构定义，计算机组成定义，计算

机实现定义，系统结构、组成与实现的三者关系，透明性，计算机系统设计的定量分析原理（Amdahl定律，CPU性能公式，并行性原理，局部性原理），MIPS定义，MFLOPS 定义。

2.掌握内容: 弗林分类法，冯·诺依曼计算机特征，计算机系统结构的演变，软件、器

件、应用对计算机系统结构的影响，模拟与仿真。

3.了解内容: 计算机系统结构的发展，计算机的分类，计算机系统设计的主要方法。

3．重点和难点

重点：

1.计算机系统结构，计算机组成和计算机实现是三个不同的概念；

2.计算机系统设计的定量分析原理（Amdahl定律，CPU性能公式，并行性原理，局部性

原理）；

3.系统结构的评价标准；

4.计算机系统结构的分类。

难点：

1.计算机系统设计的定量分析原理。

第二部分计算机指令系统

1. 教学内容

1.数据类型；

2.寻址技术；

3.指令系统的设计；

4.指令系统的改进。

2．教学基本要求

1.熟练掌握内容：数据表示和数据结构，自定义数据表示，大端存储和小端存储，寻址

方式，指令格式的优化（Huffman编码法、扩展编码法），RISC的定义与特点,减少指令平均执行周期数方法。

2.掌握内容：引入数据表示的原则，编址方式，程序装入与定位方式，指令功能的设计，

CISC指令系统。

3.了解内容：浮点数据表示，其它数据表示，指令系统的优化发展方向。

3．重点和难点

重点：

1.指令系统是计算机系统中软件与硬件的接口；

2.数据表示；

3.寻址方式；

4.指令格式的优化设计；

5.指令系统的功能设计；

6.复杂指令系统计算机；

7.精简指令系统计算机；

8.CPI。

难点：

1.指令格式的优化；

2.程序装入与定位方式。

第三部分存储系统

1. 教学内容

1.存储系统及原理；

2.虚拟存储器；

3.高速缓冲存储器（Cache）；

4.三级存储系统；

5.并行存储器；

6.RAID系统；

7.存储域网络（SAN）。

2．教学基本要求

1.熟练掌握内容: 存储系统的定义,存储系统的性能参数, 存储器访问局部性的概念；存

储层次结构中的命中率概念及计算。Cache 存储器工作原理,虚拟存储器工作原理，地址映象与变换方法, 替换算法。

2.掌握内容: Cache的一致性及性能分析，存储器的频带平衡，提高主存命中率的方法，

替换算法实现，低位交叉访问存储器，高位交叉访问存储器。

了解内容: 11种先进的Cache性能优化方法，三级存储系统，RAID系统，存储域网络（SAN）。3．重点和难点

重点：

1.提高存储器性能的主要方法有层次存储器、并行存储器；

2.存储系统的主要性能参数；

3.块/页的定位问题，替换问题，一致性问题。

难点：

1.块/页的定位问题，替换问题，一致性问题。

第四部分输入输出系统

1. 教学内容

1.输入输出系统的特点；

2.基本的输入输出方式；

3.输入输出总线；

4.I/O处理机。

2．教学基本要求

1.熟练掌握内容：基本的输入输出方式，通道处理机原理。

2.掌握内容：输入输出系统的特点，I/O性能评价。

3.了解内容：输入输出总线的设计，通道流量的计算，外围处理机。

3．重点和难点

重点：

1.输入输出系统,输入输出系统的异步性、实时性和设备无关性；

2.程序控制输入输出方式、直接存储器访问方式（DMA）和中断输入输出方式；

3.字节多路通道、选择通道和数组多路通道；

4.外围处理机。

难点：

1.通道流量的计算

第五部分流水线技术与向量处理技术

1. 教学内容

1.流水线基础；

2.流水线技术；

3.流水线的相关性分析及处理；

4.向量的流水处理与向量流水处理机。

2．教学基本要求

1.熟练掌握内容：流水线工作原理，时空图，线性流水线，输入任务连续情况下单功能

线性流水线的吞吐率、加速比和效率。向量处理的基本概念。

2.掌握内容：指令的重叠执行，RISC对流水线技术的支持，先行控制技术，输入任务不

连续情况下单功能、线性流水线的性能分析，向量流水处理机的链接技术。

3.了解内容：非线性流水线的调度，流水线的相关性分析及处理，流水线的分类，提高

向量流水处理机性能的其他技术。