《计算机体系结构》教学大纲
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《计算机体系结构》教学大纲
英文名称：Computer Architecture
预修课程：计算机原理、数据结构、操作系统、编译原理、高级语言
总学时数：45学时，其中讲授36学时，课内实验4学时。
学 分：2.5
教学对象：计算机科学与技术专业本科学员
开课学期：第6学期
一、课程的性质、地位和任务
该课程是计算机专业一门非常重要的专业基础课。课程系统介绍进行计算机系统设计所必须了解与掌握的专业知识，重点介绍计算机体系结构的基本思想、基本概念、设计原理、设计方法与评价分析方法。本课程内容广、概念多、系统性强、实例多，涉及计算机体系结构技术领域前沿。本课程的任务是要使学生能够系统全面正确理解和掌握计算机体系结构技术的基本思想，并培养学生按照定量分析的方法初步设计和评价计算机系统的能力。
二、教学内容和要求
（一）计算机体系结构基础
内容和要求：了解计算机系统设计的基本任务；了解计算机技术发展的趋势；了解计算机性能与成本的影响因素，以及性能的评价方法，掌握计算机体系结构基本概念和定量分析方法的基本原理。
重点：计算机设计的基本任务，计算机体系结构基本概念，定量分析方法基本原理
（二）计算机指令集结构设计
内容和要求：从计算机系统指令集结构设计出发了解典型指令集结构的技术特点及其发展，掌握计算机系统指令集结构的设计方法以及各种设计方案的优缺点；掌握一种RISC指令集结构实例。
重点：计算机系统指令集结构设计，RISC指令集结构实例
（三）流水线技术
内容和要求：掌握流水线技术的基本原理及其性能评价方法；掌握RISC指令集结构流水线的基本设计方法，并能够从数据相关与控制相关两个方面分析流水线性能，掌握提高流水线性能的软硬件方法。掌握向量处理机原理；了解基本的向量处理机结构；掌握向量处理机性能改善和评价的基本方法。
重点：流水线的基本原理与设计、分析评价方法、向量处理机原理
（四）指令级并行
内容和要求：掌握指令级并行的基本概念、指令的动态调度技术，理解控制相关的动态解决技术，掌握多指令流出技术的基本原理。
重点：记分牌算法、Tomasulo算法、控制相关的动态解决技术
（五）存储层次
内容和要求：掌握存储层次设计的目标和工作原理；掌握Cache设计的基本方法；理解改进Cache性能的主要方法；理解主存和虚拟存储器的工作原理；掌握存储层次的定量性能评价方法。
重点：存储层次设计的目标和工作原理、Cache设计方法与定量性能评价方法
（六）输入输出系统
内容和要求：了解外部设备的基本工作原理与种类；掌握冗余磁盘阵列（RAID）的结构与工作原理；掌握输入输出系统设计的基本方法，总线与通道的基本概念，以及基本的性能评价方法。
重点：外部设备的基本工作原理与输入输出系统设计的基本方法与评价方法
（七）多处理机系统
内容和要求：了解多处理机技术的发展及方向，了解典型的多处理机系统结构和基本工作原理。了解计算机互连网络的作用与类型，掌握典型的互联网络基本工作原理。
重点：多处理机系统的结构和基本工作原理，典型互连网络的工作原理
（八）机群计算机
内容和要求：了解机群的基本概念与结构，机群的特点和分类，了解典型的机群系统结构。
重点：机群的基本概念与结构
三、教学组织与实施
（一）课时分配
程学时数为45学时，其中，讲授36学时，课内实验4学时（4个课内实验，选作实验2个），课堂研讨与自主学习3课时，考试2课时。各部分内容及学时分配如下：
计算机体系结构基础（4学时）
计算机指令集结构设计（3学时） 流水线技术（6学时）
指令级并行（5学时）
存储层次（8学时）
输入输出系统（4学时）
多处理机系统（5学时）
机群计算机（1学时）
课堂研讨（3课时）
课内实验4学时
考试2学时
（二）上机内容与要求
1. 学时数：4
2. 设备：586以上微机，连接内部教学网
3. 内容和要求：通过WinDLX流水线、WinDLX综合实验、SSE与IPP实验、Cache实验以及可选实验——基于天河阳光实验云平台的CPU设计实现、面向特定领域的访存优化，让学生深化对所学重点知识的掌握，培养灵活运用所学知识解决实际问题的能力。
四、对教学方法与教学手段的建议
课程讲授将大力采用案例教学法，将原理和设计理论与实例紧密结合，特别是结合我们的科研实践，在传授基础知识的同时，通过针对性的训练，大力培养学生的系统设计思想，以及综合设计能力。
该课程课堂讲授拟采用CAI教学手段，课程试验拟采用自行开发的虚拟实验环境。同时，及时吸收国外计算机体系结构课程最先进的教学方法、教学手段和教材，在适当的时候，采用国外最先进的教材实施教学。
五、考核方法
笔试/学习报告。
六、教材与参考书
（一）教材 1.《计算机体系结构》，王志英等，清华大学出版社，2010年。
（二）参考书
1.《计算机体系结构：量化研究方法（英文版•第5版）》，（美）亨尼西（Hennessy,J.L.）
等，机械工业出版社,2012年。
2. Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface,
Second Edition, David A. Patterson and John L. Hennessy, Morgan Kaufmann
Publishers，1997.
