教學(xué)大綱-東南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院

1、教學(xué)大綱課程名稱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程負(fù)責(zé)人任國(guó)林學(xué)時(shí)48學(xué)分3開課院系計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系制訂日期1999 年?yáng)|南大學(xué)課程基本情況課程名稱課程編號(hào)先修要求授課對(duì)象講課學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)上機(jī)學(xué)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)09406計(jì)算機(jī)組成原理、接口與通信、操作系統(tǒng)、編譯原理計(jì)算機(jī)專業(yè)本科48 學(xué)時(shí)8 學(xué)時(shí)（課程設(shè)計(jì)）教材名稱及主編姓名教學(xué)參考書計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（張晨曦主編）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（陸鑫達(dá)等編）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（鄭緯民等編）課程的地位、作用及任務(wù)隨著計(jì)算機(jī)硬件、 軟件技術(shù)的不斷發(fā)展， 怎樣合理地分配計(jì)算機(jī)軟、 硬件功能，最大限度地開發(fā)計(jì)算機(jī)的并行性，達(dá)到最佳性能 / 價(jià)格，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的課題。 對(duì)計(jì)

2、算機(jī)專業(yè)本科生而言， 不僅要掌握計(jì)算機(jī)的軟、 硬件系統(tǒng)組成及工作原理， 具有開發(fā)與應(yīng)用技能； 而且必須進(jìn)一步掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和方法。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正是這樣一門面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的課程。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的一門系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)綜合課程。目的之一是從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)出發(fā)，掌握如何分析和設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、 硬件功能進(jìn)行合理分配， 以及如何最佳地實(shí)現(xiàn)分配給硬件的功能，達(dá)到最佳性能 / 價(jià)格；目的之二是從并行處理角度出發(fā)，研究流水技術(shù)和并行處理技術(shù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)方法，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能 / 價(jià)格的優(yōu)化。本課程的任務(wù)是立足于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者角度

3、，分析和評(píng)價(jià)影響系統(tǒng)性能 / 價(jià)格的因素；研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)方法； 掌握并行處理技術(shù)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)方法，同時(shí)掌握最新的計(jì)算機(jī)流水技術(shù)和并行處理技術(shù)。教學(xué)內(nèi)容和基本要求本課程主要教學(xué)內(nèi)容有七章， 分為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 并行處理技術(shù)兩大部分。第一章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義、 含義與組成，掌握研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要性，掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類、評(píng)價(jià)方法。2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則理解與掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的幾個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。3. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類理解與掌握幾種計(jì)算機(jī)

4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類方法及特點(diǎn)。4. 計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)理解與掌握計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)、評(píng)價(jià)方法。5. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展研究影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的三大因素， 以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從馮· 諾依曼機(jī)到現(xiàn)代微機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程和并行性開發(fā)的發(fā)展。第二章指令系統(tǒng)1. 數(shù)據(jù)表示掌握數(shù)據(jù)表示含義、設(shè)計(jì)方法，以及新數(shù)據(jù)表示引入原則。2. 指令系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)掌握指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本思想、 設(shè)計(jì)原則、衡量指標(biāo)， 深刻領(lǐng)會(huì)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和思想，掌握幾種類型的指令系統(tǒng)集特點(diǎn)。3. 指令集功能設(shè)計(jì)掌握 CISC和 RISC風(fēng)格的指令功能集的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)原則及優(yōu)化方法。4. 尋址方式設(shè)計(jì)研究操作訪問(wèn)的編址和尋址方式，掌握尋

5、址方式的選擇原則頻帶分析法。5. 指令格式設(shè)計(jì)及優(yōu)化掌握操作碼和指令字的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化方法。6. RISC 使用的技術(shù)分析 RISC的設(shè)計(jì)原則，掌握其所采用的窗口重疊技術(shù)、優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)、優(yōu)化編譯技術(shù)。第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)1. 存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理掌握存儲(chǔ)系統(tǒng)的構(gòu)成及其設(shè)計(jì)原則訪存局部性原理。2. 高速緩沖存儲(chǔ)器（ Cache）掌握 Cache基本結(jié)構(gòu)和工作原理，研究地址映象與變換、替換策略和更新策略的工作原理和設(shè)計(jì)方法，分析影響 Cache性能指標(biāo)的因素及優(yōu)化方法。介紹先進(jìn)的 Cache結(jié)構(gòu)和一致性處理方法（MESI）。3. 虛擬存儲(chǔ)器以Pentium 為例，掌握虛擬存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。第四

6、章標(biāo)量流水技術(shù)1. 標(biāo)量流水工作原理介紹重疊、先行控制到流水線的發(fā)展，掌握標(biāo)量流水工作原理、分類原則、性能指標(biāo)及其分析、評(píng)價(jià)方法。2. 流水操作中的主要障礙掌握流水操作中的幾種相關(guān)產(chǎn)生原因及其解決方法， 介紹 Pentium系列處理器全局相關(guān)的先進(jìn)處理方法 動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移技術(shù)。3. 流水線的實(shí)現(xiàn)與控制掌握流水線的中斷處理方法、 非線性流水線調(diào)度方法和流水線控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。4. 指令級(jí)并行技術(shù)分析現(xiàn)代微機(jī)所采用的動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù) （動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移、 動(dòng)態(tài)調(diào)度、基于硬件的推斷執(zhí)行），掌握流水線中指令級(jí)并行性開發(fā)（超標(biāo)量、 VLIW、超級(jí)流水等）的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法。第五章向量流水處理1. 向量流水

7、處理掌握幾種向量處理方式，及向量長(zhǎng)度控制、訪問(wèn)步長(zhǎng)及向量處理方法。2. 向量處理機(jī)結(jié)構(gòu)掌握向量流水工作原理， 根據(jù)不同向量處理機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 掌握其存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及并行存儲(chǔ)器無(wú)沖突訪問(wèn)技術(shù)。3. 增強(qiáng)向量處理性能方法掌握向量指令級(jí)并行性開發(fā)方法、向量處理機(jī)性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法。第六章互連網(wǎng)絡(luò)1. 互連網(wǎng)絡(luò)基本概念掌握互連網(wǎng)絡(luò)的功能、種類、互連網(wǎng)絡(luò)基本工作原理及其性能指標(biāo)。2. 互連網(wǎng)絡(luò)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)掌握互連函數(shù)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，靜態(tài)與動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)、 SIMD與MIMD網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)原理。3. 消息傳遞機(jī)制掌握消息傳遞機(jī)制的性能、路由算法、死鎖及流控問(wèn)題的解決方法。第七章并行處理技術(shù)1. 并行處理技術(shù)掌握并

8、行性開發(fā)策略的原理及其應(yīng)用范圍。2. SIMD 并行處理機(jī)掌握并行處理機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理， 并行處理機(jī)常用并行算法及其不同結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，以及 Pentium中采用的 SIMD技術(shù) (MMX技術(shù) ) 。3. 并行存儲(chǔ)器無(wú)沖突訪問(wèn)根據(jù)并行存儲(chǔ)器的訪問(wèn)需求，分析存在問(wèn)題、找出解決方法。4. 多處理機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)掌握多處理機(jī)與 SIMD機(jī)的主要區(qū)別，及多處理機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)間互連方式、Cache的一致性處理方法，通過(guò)具體案例分析多處理機(jī)的體系結(jié)構(gòu)及工作原理。5. 多處理機(jī)中并行性開發(fā)掌握多處理機(jī)中并行開發(fā)語(yǔ)言、 編譯程序、并行算法方面并行性開發(fā)的基本原理。6. 多處理機(jī)操作系統(tǒng)掌握多處理機(jī)操作系統(tǒng)的類型及其實(shí)

9、現(xiàn)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和基本要求內(nèi)容：在給定的假設(shè)條件下，進(jìn)行指令系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目的：掌握指令系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和方法。要求：設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)的同時(shí)，進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的要求1. 掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、組成部分及設(shè)計(jì)原則。2. 掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各組成部分的分析、設(shè)計(jì)原則和方法。3. 掌握現(xiàn)代微機(jī)所采用的流水技術(shù)工作原理和實(shí)現(xiàn)方法。4. 掌握計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)和并行程序設(shè)計(jì)方法。課程學(xué)時(shí)分配表教學(xué)內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)含義、 組成、分類、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則計(jì)算機(jī)性能及其評(píng)價(jià)，影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展因素，并行性發(fā)展數(shù)據(jù)表示設(shè)計(jì)方法及引入原則，指令系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)、尋址方式設(shè)計(jì)、指令格式設(shè)計(jì)及優(yōu)化、 RISC 采用技術(shù)指令系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)存儲(chǔ)體系設(shè)計(jì)原理，高速緩存原理及其設(shè)計(jì)虛擬存儲(chǔ)器原理及其設(shè)計(jì)存儲(chǔ)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)標(biāo)量流水工作原理、數(shù)據(jù)相關(guān)