课程学习进度

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

东南大学

课程基本情况

课程名称计算机系统结构课程编号09406先修要求计算机组成原理,接口与通信,操作系统,编译原理授课对象计算机专业本科讲课学时48学时实验学时8学时(课程设计)上机学时教材名称

及主编姓名计算机系统结构(张晨曦主编)教学参考书计算机系统结构(陆鑫达等编)

计算机系统结构(郑纬民等编)

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/,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/,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/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/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.

2.计算机系统设计准则

理解与掌握计算机系统设计中常用的几个设计准则.

3.计算机系统结构分类

理解与掌握几种计算机系统结构的分类方法及特点.

4.计算机性能评价

理解与掌握计算机性能指标,评价方法.

5.计算机系统结构的发展

研究影响计算机系统结构发展的三大因素,以及计算机系统结构从冯·诺依曼机到现代微机结构的发展过程和并行性开发的发展.

第二章指令系统

1.数据表示

掌握数据表示含义,设计方法,以及新数据表示引入原则.

2.指令系统总体设计

掌握指令系统设计基本思想,设计原则,衡量指标,深刻领会指令系统的设计步骤和思想,掌握几种类型的指令系统集特点.

3.指令集功能设计

掌握CISC和RISC风格的指令功能集的设计思想,设计原则及优化方法.

4.寻址方式设计

研究操作访问的编址和寻址方式,掌握寻址方式的选择原则—频带分析法.

5.指令格式设计及优化

掌握操作码和指令字的设计方法和优化方法.

6.RISC使用的技术

分析RISC的设计原则,掌握其所采用的窗口重叠技术,优化延迟转移技术,优化编译技术.

第三章存储系统

1.存储系统设计基本原理

掌握存储系统的构成及其设计原则—访存局部性原理.

2.高速缓冲存储器(Cache)

掌握Cache基本结构和工作原理,研究地址映象与变换,替换策略和更新策略的工作原理和设计方法,分析影响Cache性能指标的因素及优化方法.

介绍先进的Cache结构和一致性处理方法(MESI).

3.虚拟存储器

以Pentium为例,掌握虚拟存储器的结构与实现技术.

第四章标量流水技术

1.标量流水工作原理

介绍重叠,先行控制到流水线的发展,掌握标量流水工作原理,分类原则,性能指标及其分析,评价方法.

2.流水操作中的主要障碍

掌握流水操作中的几种相关产生原因及其解决方法,介绍Pentium系列处理器全局相关的先进处理方法—动态预测转移技术.

3.流水线的实现与控制

掌握流水线的中断处理方法,非线性流水线调度方法和流水线控制器的设计与实现方法.

4.指令级并行技术

分析现代微机所采用的动态执行技术(动态预测转移,动态调度,基于硬件的推断执行),掌握流水线中指令级并行性开发(超标量,VLIW,超级流水等)的工作原理和实现方法.

第五章向量流水处理

1.向量流水处理

掌握几种向量处理方式,及向量长度控制,访问步长及向量处理方法.

2.向量处理机结构

掌握向量流水工作原理,根据不同向量处理机的系统结构,掌握其存储系统的设计方法及并行存储器无冲突访问技术.

3.增强向量处理性能方法

掌握向量指令级并行性开发方法,向量处理机性能指标及评价方法.

第六章互连网络

1.互连网络基本概念

掌握互连网络的功能,种类,互连网络基本工作原理及其性能指标.

2.互连网络与拓扑结构

掌握互连函数与拓扑结构关系,静态与动态网络,SIMD与MIMD网络的实现原理.

3.消息传递机制

掌握消息传递机制的性能,路由算法,死锁及流控问题的解决方法.

第七章并行处理技术

1.并行处理技术

掌握并行性开发策略的原理及其应用范围.

2.SIMD并行处理机

掌握并行处理机结构及其工作原理,并行处理机常用并行算法及其不同结构的实现方法,以及Pentium中采用的SIMD技术(MMX技术).

3.并行存储器无冲突访问

根据并行存储器的访问需求,分析存在问题,找出解决方法.

4.多处理机系统结构

掌握多处理机与SIMD机的主要区别,及多处理机结构,机间互连方式,Cache的一致性处理方法,通过具体案例分析多处理机的体系结构及工作原理.

5.多处理机中并行性开发

掌握多处理机中并行开发语言,编译程序,并行算法方面并行性开发的基本原理.

6.多处理机操作系统

掌握多处理机操作系统的类型及其实现技术.

实验内容和基本要求

内容:在给定的检测设条件下,进行指令系统和存储系统的设计.

目的:掌握指令系统和存储系统设计的基本原理和方法.

要求:设计指令系统的同时,进行相关系统结构内容的设计.

对学生能力培养的要求

1.掌握计算机系统结构的基本概念,组成部分及设计原则.

2.掌握计算机系统结构各组成部分的分析,设计原则和方法.

3.掌握现代微机所采用的流水技术工作原理和实现方法.

4.掌握计算机并行处理技术和并行程序设计方法.

课程学时分配表

教学内容讲课

学时实验

学时上机

学时习题课其他计算机系统结构含义,组成,分类,设计准则3计算机性能及其评价,影响系统结构发展因素,并行性发展3数据表示设计方法及引入原则,指令系统总体设计3功能设计,寻址方式设计,指令格式设计及优化,RISC采用技术3指令系统课程设计指令系统设计(3学时)存储体系设计原理,高速缓存原理及其设计3虚拟存储器原理及其设计3存储系统课程设计3存储系统设计(3学时)标量流水工作原理,数据相关处理3流水线控制与实现,动态调度3指令级流水技术3向量流水处理3互连网络3并行处理技术,SIMD并行处理机结构,并行算法3多处理机系统及并行性开发技术3合计396课内外学时比:1:2.5