《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；
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