南方医科大学本科专业教学大纲
计算机体系结构
Computer Architecture
适用专业：计算机科学与技术专业本科
执笔人：陈浩 陈露晨
审定人：吕庆文
学院负责人：陈武凡
南方医科大学教务处
二○○六年十二月
课程编码：B030037
一、课程简介
本课程为计算机专业本科高年级的一门重要的选修课程。本课程共分6章54学时。
通过本课程的学习，要求学生从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统，掌握计算机体系结构的基本概念、理论，熟悉CPU对程序性能影响的主要因素及解决方法，了解当代高性能微处理器设计的发展方向、设计方法、最新进展以及成功实例，培养学生系统地、自上而下地分析和解决问题的能力以及培养抽象思维能力以及对复杂系统设计的认识。
本课程以课堂理论教学为主，在教学过程中注重能力的培养，以实际系统为例，提高理论教学实用性，提高学生的分析和解决实际问题的能力。
本课程的先修课程为：计算机组成原理，操作系统，编译原理。
Computer Architecture is an important elective course for senior undergraduates. There are 6 chapters with 54 class hours for the curriculum.
Through studying this curriculum, students should study computer system from the angles of total structure and systemic analysis, and then grasp the basic concept and theory of computer architecture. Students should also be familiar with the main factors which impair the program characteristics by CPU. Students should know about the orientation of development, design method and successful case of modern microprocessor. The curriculum can foster student’s ability to analyze and solve problem from upper to down, help students forming abstract thinking ability, and improve student’s recognizing ability on complex system analysis.
The curriculum emphasize on theory lecture and the ability train. The curriculum use many case to enhance the practical of teaching and the ability of analyzing and solving problem for students.
The prerequisites are computer principle, operation system and compiling principle.
二、教学内容与要求
第一章 计算机体系结构的基本概念
（一）课程内容
本章论述计算机体系结构的概念以及体系结构和并行性的发展。
1、计算机体系结构的概念
2、计算机体系结构的发展
3、计算机体系结构中并行性的发展
4、定量分析技术基础
（二）学习要求
1、掌握计算机系统的多级层次结构，掌握计算机体系结构、计算机组成与计算机实现的定义及三者之间的关系。理解透明性、虚拟机的概念。
2、理解系列机和软件兼容的基本思想。
3、了解计算机的分代和分型；了解应用需求和计算机实现技术的发展对体系结构的影响。
4、掌握并行性的概念。了解从执行程序的角度和处理数据的角度来看，并行性等级的划分。
5．掌握计算机系统中提高并行性的三种技术途径。了解单机系统和多机系统中并行性的发展。
6．掌握同构型（对称型）多处理机、异构型（非对称型）多处理机和分布处理系统的定义和异同点。
7．了解多机系统的耦合度。
8．了解计算机性能的若干定义。知道估评计算机性能的测试程序。
9．掌握计算机体系结构设计的三个基本原则，并能熟练应用Amdahl定律和CPU性能公式求解问题。
第二章 计算机指令集结构设计
（一）课程内容
本章论述计算机指令集结构设计中的一些问题。
1、指令集结构分类
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
6、DLX指令集结构
（二）学习要求
1、掌握指令集结构的各种分类方法。了解堆栈型指令集结构、累加器型指令集结构和通用寄存器型指令集结构的优缺点以及三种通用寄存器型指令集结构的优缺点。
2、了解当前指令集结构中所使用的一些操作数寻址方式。通过对基准程序进行测试统计，了解各种寻址方式的使用情况。
3、掌握指令集结构功能设计上的两种不同方向。掌握CISC计算机指令集功能设计的目标、CISC结构存在的缺点。掌握RISC计算机指令集结构的功能设计的目标与原则。
4、了解各种控制指令的定义、四种改变控制流程的操作及三种表示分支条件的技术。
5、掌握操作数类型与操作数表示的定义及表示方法，了解各种操作数类型、操作数类型大小。
6、掌握指令中两种表示寻址方式的方法。
7、掌握三种指令集编码格式及其适用范围。
8、了解DLX中的寄存器、数据类型、寻址方式和数据传送、指令格式及DLX中的操作。
第三章 流水线技术
（一）课程内容
本章论述流水线技术的基本概念、分类以及性能计算方法，并对流水线中的相关问题以及向量计算机进行讨论。
1、流水线的基本概念
2、DLX的基本流水线
3、流水线的相关
4、流水线计算机实例分析(MIPS R4000)
5、向量处理机
（二）学习要求
1、掌握流水线的基本思想、分类及相关概念，掌握流水线时空图的概念与画法，掌握流水技术的特点。
2、掌握实现DLX的简单数据通路（非流水）及处理指令时各时钟周期的操作。
3、掌握DLX流水线的数据通路；掌握流水线寄存器的作用、命名及其构成；了解DLX流水线的每个流水段的操作。
4、掌握吞吐率（最大吞吐率、实际吞吐率）、加速比、效率的定义和计算方法；掌握含瓶颈段流水线时空图的画法；掌握解决流水线瓶颈问题的方法；熟练地对各种流水线进行性能分析。
5、理解流水线中相关的分类及定义；掌握结构相关的解决方法。
6、掌握数据相关的三种类型；掌握定向技术的主要思想及应用；掌握指令调度技术。
7、理解分支指令如何给流水线带来暂停；理解为降低分支损失，如何改进基本的DLX流水线；掌握改进后DLX流水线的数据通路及分支操作；
8、掌握降低流水线分支损失的各种方法；掌握调度分支延迟指令的三种方法的思想及特点；
9、理解向量的三种处理方式及其特点；掌握CRAY-I的向量处理；掌握链接技术的基本思想、链接流水线示意图的画法及性能计算。
第四章 存储层次
（一）课程内容
本章论述Cache的基本知识、降低Cache失效率的方法（7种）、减少Cache失效开销的方法（5种）以及减少命中时间的方法（3种），并对主存和虚拟存储器进行讨论。
1、存储层的层次结构
2、Cache的基本知识
3、降低Cache失效率的方法
4、减少Cache失效开销
5、减少命中时间
6、主存
7、虚拟存储器
（二）学习要求
1、理解多级存储层次的思想及其作用；掌握存储层次的三个性能参数的定义及计算方法；
掌握“Cache－主存”层次、“主存－辅存”层次及其区别；理解存储层次的四个问题。
2、掌握全相联映象、直接映象以及组相联映象的思想和特点；理解路数和组数的概念及其关系。
3、掌握在各种映象规则的情况下Cache的查找方法。
4、掌握随机法、先进先出、LRU 等替换算法。
5、理解Cache对“写”操作的处理方法。
6、理解Alpha AXP21064的数据Cache的组成及工作原理；掌握混合Cache和分离Cache的定义及性能比较。
7、掌握CPU时间的计算方法，并能灵活运用于实例进行分析计算。
8、理解改进Cache性能的三个方面。
9、理解失效的三种类型（3C）；掌握降低失效率的七种方法及其基本思想。
10、掌握减少失效开销的五种方法及其基本思想。
11、掌握减少命中时间的三种方法及其基本思想。
12、掌握提高主存性能的四种方法（增加存储器宽度、多体交叉存储器技术、独立存储体技术、避免存储体冲突）；了解DRAM专用交叉结构。
13、理解虚拟存储器的特点及有关虚拟存储器的４个问题；掌握快表的概念；了解Alpha AXP21064的地址转换过程；了解页面大小的选择。
第五章 输入输出系统
（一）课程内容
本章论述存储设备、总线和通道。重点介绍通道的分类和工作原理。
1、存储设备
2、总线
3、通道处理机
（二）学习要求
1、掌握输入/输出系统的基本概念；了解与I/O有关的问题、设计I/O的三个标准。
2、了解磁盘的基本结构与性能公式；了解半导体盘、盘阵列RAID、磁带、光盘等各种存储设备。
3、掌握总线的基本工作原理及其分类。了解总线的三个常用的参数、总线标准和实例。
4、掌握通道处理机的定义。掌握通道的作用和功能、通道的工作过程、通道的种类以及通道的流量计算。
第六章 多处理机
（一）课程内容
本章论述多处理机的存储器体系结构和互连网络。
1、多处理机的存储器体系结构
2、互连网络
（二）学习要求
1、掌握根据计算机中指令和数据的并行状况把计算机进行分类的Flynn分类法。
2.、掌握两类多处理机系统的结构特点；掌握两种通信模型和两种通信机制的特点。了解并行处理面临的两个重要的挑战。
3、掌握Cache的一致性概念与Cache一致性协议的定义。了解一致的存储系统应满足的条件。
4、掌握写作废协议和写更新协议及其差别。掌握实现Cache一致性的两种方法（目录表法和监听方法）。
5、掌握互连网络的定义、性能参数。掌握互连函数的概念。
6、掌握几种数据路由功能的含义和特点。
(循环、置换、均匀混洗 、超立方体路由功能、广播、选播)
7、掌握静态网络的拓扑结构及特点。
(线性阵列、环和带弦环、全连接网络、循环移数网络、树形和星形、胖树形、网格形和环网、超立方体、k元n-立方体网络)
8、掌握动态网络的分类方法和动态网络的拓扑结构。 (总线系统、交叉开关网络 、多端口存储器、多级网络)
三、教材与教学资源
参考书
[1] 张晨曦等，《计算机体系结构》，高等教育出版社，2000年。
[2] Patterson D. A. and Hennessy J. L., Computer Architecture: A Quantitative Approach, 2nd ed., Morgan Kaufmann Publish, 1996.
四、考核
考核种类，考核命题，考试时间、计分方法以及课程成绩组成等等（包括理论和实验考试成绩关系，平时、期中和期终成绩的关系）。
附：考核命题计划双向细目表
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章节
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题 型
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合 计
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客观型（固定应答型）试题
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主观型（自由应答型）试题
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题型一
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题型二
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题型三
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题型一
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题型二
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题型三
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五、教学时数分配
（一）理论课学时分配
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章节
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理论课内容（中英文对照）
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学时
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第一章
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计算机体系结构的基本概念
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2
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第二章
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计算机指令集结构设计
|
8
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第三章
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流水线技术
|
4
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第四章
|
存储层次
|
6
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第五章
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输入输出系统
|
6
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第六章
|
多处理机
|
6
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|
复习
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|
2
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|
考试
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2
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理论课总学时数
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36
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（二）实验课学时分配 （五号宋体）
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序号
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实验课内容（中英文对照）
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实验类型
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学时
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实验课总学时数
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（注：“实验类型”分为：演示性实验、验证性实验、综合性实验、设计性实验）
六、课程实施要求及相关说明
对教学组织、教学方法的要求；对教学多媒体信息技术的要求，对学习方法的要求等。
