《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。

3．重点和难点重点：1.先行控制技术（look-ahead）；2.流水线的原理、特点及其分类；3.流水线的性能分析。

难点：1.流水线的性能分析第六部分并行处理机1.教学内容1.阵列处理机；2.阵列机中并行存储器的无冲突访问；3.相联处理机；4.脉动阵列机；5.互连网络；6.超标量流水线和超流水线；7.超长指令字处理机。

2．教学基本要求1.熟练掌握内容：SIMD计算机的基本概念和模型，阵列处理机基本结构,阵列处理机的特点；互连网络的概念，超标量、超流水线、超长指令字处理的基本原理。

2.掌握内容:超标量处理机性能分析，超流水线处理机性能分析，超流水线超标量处理机性能分析。

静态互联网络的特性和拓扑结构,动态互联网络的置换函数。

3.了解内容：阵列机中并行存储器的无冲突访问，脉动阵列机，相联处理机，多级互联网络，互联网络的通信问题。

3．重点和难点重点1.SIMD计算机模型；2.阵列处理机基本结构；3.互连网络的特性:结点度，距离，网络直径，网络规模，带宽总和，对分宽度；静态互联网络的拓扑结构；4.动态互连网络的置换函数，网络的传输性能特性；5.超标量处理机性能分析，超流水线处理机性能分析，超流水线超标量处理机性能分析。

难点1.动态互连网络的置换函数，网络的传输性能特性；第七部分PC计算机的系统结构1.教学内容1.PC计算机的发展回顾；2.Intel Core微架构；3.AMD64处理器架构；4.主板芯片组；5.未来PC处理器的发展方向。

2．教学基本要求1.熟练掌握内容：影响PC处理器发展的两个重大事件，Intel Core微架构的特点，AMD64处理器架构的特点，主板芯片组的概念。

2.掌握内容：PC计算机的四代发展，未来PC处理器的发展方向。

3.了解内容：前端总线FSB。

3．重点和难点重点1.影响PC处理器发展的两个重大事件分析；2.Intel Core微架构的分析；3.AMD64处理器架构的分析；4.主板芯片组的功能；5.未来PC处理器的发展方向。

难点1.Intel Core微架构的分析；第八部分多处理机系统1.教学内容1.指令级并行性的限制和超线程技术；2.多处理器构成的系统结构；3.多处理器的Cache一致性；4.多处理器系统的同步机制；5.集群系统；6.多处理器系统的程序并行性；7.曙光5000超级计算机。

2．教学基本要求1.熟练掌握内容：MIMD计算机的基本结构（共享存储多处理机,分布存储多处理机）,Cache一致性，集群系统及其特点。

2.掌握内容：指令级并行性的限制，限制单处理器发展的其它主要因素，超线程技术，多核处理器结构，对称式共享存储器系统和多处理器的Cache一致性，分布式共享存储器系统和基于目录的Cache一致性，多处理器系统的同步机制概念，集群系统的关键技术，多处理器系统的程序并行性挖掘。

3.了解内容：多处理器并行处理定量分析和所遇到的问题，多处理器系统的同步机制处理，支持并行程序的软件工具，曙光5000超级计算机。

3．重点和难点重点1.MIMD计算机的基本结构；2.指令级并行性的限制；3.多核处理器结构；4.Cache一致性；5.多处理器系统的同步机制概念；6.集群系统的关键技术；7.多处理器系统的程序并行性挖掘。

难点1.Cache一致性；2.多处理器系统的程序并行性挖掘。

第九部分DLX虚拟处理器及其实验1.教学内容1.WinDLX虚拟处理器概述；2.WinDLX虚拟处理器的指令系统；3.WinDLX汇编；4.WinDLX的流水线结构；5.WinDLX虚拟处理器上机操作；6.DLX虚拟处理器实验。

2．教学基本要求1.熟练掌握内容：WinDLX虚拟处理器，WinDLX的流水线结构，WinDLX虚拟处理器上机操作。

2.掌握内容：DLX虚拟处理器实验。

3.了解内容：WinDLX虚拟处理器的指令系统；WinDLX汇编。

3．重点和难点重点1.WinDLX的流水线结构；2.WinDLX虚拟处理器上机操作；3.DLX虚拟处理器优化流水线处理的实验。

难点1.WinDLX的流水线结构；教学方法课堂讲授采用多媒体教学和组织讨论方式。

结合理论进行实验，自主分析实验结果。

1.学时分配（共计48学时）1.教学中应注意的问题1.注意从系统分析和设计的角度，让学生重点建立起完整的计算机系统的概念和基本分析方法。

在讨论各种系统结构时，紧紧围绕系统可能出现的瓶颈和克服瓶颈的方法进行介绍。

2.紧密结合学生计算机应用实际，突出现代高级微型计算机系统结构介绍和分析，为学生掌握主流微型计算机系统结构发展打下基础。

3.利用PC平台上的DLX虚拟处理器进行以流水线结构研究为主的实验，要求写出实验报告。

4.适当开展教学讨论、作业难题分析和实验结果分析。

2.课程考核论文写作、实验和平时作业、学习表现相结合构成成绩总分，其中论文成绩占70%，实验及平时成绩占30%。

1.适用教材和参考教材及资源适用教材1．蔡启先.计算机系统结构.北京：电子工业出版社，2008参考教材及资源1．John L.Hennessy,David A.Patterson.计算机系统结构——量化研究方法（第四版）白跃彬译.北京：电子工业出版社，20072．John L.Hennessy,David A.Patterson.计算机系统结构：一种定量的方法（第二版）.郑纬民,汤志忠,汪东升等译.北京：清华大学出版社,20023．郑纬民，汤志忠.计算机系统结构（第二版）.北京：清华大学出版社，19984．李学干.计算机系统的体系结构.北京：清华大学出版社，20065．尹朝庆，唐建雄，陈莉.计算机系统结构.武汉：华中理工大学出版社，20006．胡越明.计算机系统结构.北京：北京航空航天大学出版社，20077．李学干.《计算机系统结构》学习指导与题解.西安：西安电子科技大学出版社，2001 8．尹朝庆，卢苇，吴钊等.计算机系统结构学习指导与题解.武汉：华中理工大学出版社，20039．高辉.计算机系统结构应试指导.北京：清华大学出版社，200310．孙方.计算机系统结构习题与真题解析.北京：中国水利水电出版社，200411．Kai Wang.高等计算机系统结构并行性可扩展性.王鼎兴等译.北京：清华大学出版社，南宁：广西科学技术出版社，199512．Buyya R.高性能集群计算：结构与系统(第一卷).郑纬民等译.北京：电子工业出版社，200113．王鼎兴，陈国良等.互联网络结构分析.北京：科学出版社，199014．WinDLX模拟器/sxxy/zikao/wxn/chapter2.pdf15．白中英，杨旭东.并行计算机系统结构.北京：科学出版社，20022008年10月（执笔蔡启先）。