计算机体系结构(系统结构)教学大纲

学时数：48学时

学分：3

授课对象：计算机科学与技术及相关专业本科学生

先修课程：计算机组成原理，数字逻辑，操作系统，编译原理

一、课程的性质和目的

本课程是计算机专业一门重要的专业基础课。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。

二、教学内容及要求

第一章计算机系统结构的基本概念

1. 计算机系统结构的概念（计算机系统的层次结构，计算机系统结构，计算机组成，计算机实现，系列机）

2. 计算机系统结构的发展

3. 影响计算机系统结构的成本和价格因素

4. 定量分析技术基础（计算机性能评测的基本概念，测试程序，性能设计和评测的基本原则，Amdahl定律，CPU的性能）

5. 计算机系统结构中并行性的发展（并行性概念，提高并行性的技术途径）

第二章计算机指令集结构设计

1. 指令集结构的分类

2. 寻址技术

3. 指令集结构的功能设计

4. 操作数的类型、表示和大小

5. 指令集格式的设计（寻址方式的表示方法，指令集格式的选择）

6. DLX指令集结构

第三章流水线技术

1. 流水线的基本概念及分类

2. DLX的基本流水线

3. 流水线性能分析（时空图，吞吐率，加速比，效率，消除流水线瓶颈段的方法）

4. 流水线中的相关及解决方法（结构相关，数据相关，控制相关，定向技术，指令调度，分支预测，延迟分支等）

5. MIPS R4000流水线计算机简介

6. 向量处理机（向量处理方式，向量处理机的概念，提高向量处理机性能的主要技术，向量处理机的性能评价）

第四章指令级并行

1. 指令级并行的概念（循环展开，相关）

2. 指令的动态调度（动态调度的原理，记分牌技术，Tomasulo算法）

3. 控制相关的动态解决技术（分支预测缓冲，分支目标缓冲，基于硬件的前瞻执行）

4. 多指令流出技术（静态超标量，动态多指令流出，超长指令字）

第五章存储器层次结构

1. 存储器的层次结构（存储层次的性能参数，“Cache —主存”层次，“主存—辅存”层次）

2. Cache基本知识（映象规则，查找方法，替换算法，写策略，Cache的结构）

3. Cache性能分析

4. 降低Cache失效率的方法（增加Cache块大小，提高相联度，Victim Cache，伪相联 Cache，硬件预取技术，由编译器控制的预取，编译器优化）

5. 减少Cache失效开销的方法（让读失效优先于写，子块放置技术，请求字处理技术，非阻塞Cache技术，采用两级Cache）

6. 减少命中时间（小而简单的Cache，虚拟Cache，写操作流水化）

7. 提高主存带宽的组织结构

8. 虚拟存储器（基本原理，TLB）

9. 进程保护和虚存实例

10. Alpha AXP 21064存储层次

第六章输入输出系统

1. I/O系统与外部存储设备

2. 可靠性、可用性和可信性

3. 廉价磁盘冗余阵列RAID（RAID0～RAID7）

4. I/O设备与CPU/存储器的连接（总线，通道）

5. I/O系统性能分析（I/O性能与系统响应时间，Little定律，M/M/1排队系统，M/M/m 排队系统）

6. I/O与操作系统（DMA和虚拟存储器，I/O和Cache数据一致性，异步I/O）

第七章多处理机

1. 并行计算机系统结构的分类

2. 通信模型和存储器的结构模型

3. 对称式共享存储器系统结构（多处理机Cache一致性，实现一致性的基本方案，监听协议及其实现）

4. 分布式共享存储器系统结构（基于目录的Cache一致性，目录协议及其实现）

5. 互连网络（互连网络的性能参数，静态连接网络，动态连接网络）

6. 同步（基本硬件原语，用一致性实现锁，同步性能问题，大规模机器的同步）

7. 多处理机实例

三、教材及参考书

1. 教材

张晨曦等，《计算机体系结构》（第二版），高等教育出版社，2005年。

2. 参考书

[1] Patterson D. A. and Hennessy J. L.,Computer Architecture: A Quantitative Approach, 3rd edition, Morgan Kaufmann, 2002 （机械工业出版社, 2002）。

[2] 尹朝庆，《计算机系统结构教程》，清华大学出版社，2005年。

四、课时安排