计算机体系结构

计算机体系结构是计算机科学与技术、软件工程等专业的核心课程之一,重点论述计算机系统各种基本结构、设计技术和性能…

北京邮电大学

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计算机体系结构
  • 分类: 计算机
  • 平台: 网易云课堂
  • 语言: 中文

计算机体系结构是计算机科学与技术、软件工程等专业的核心课程之一,重点论述计算机系统各种基本结构、设计技术和性能分析方法。通过本课程,了解计算机系统的各种基本结构,掌握在计算机设计各个环节中影响性能的因素,以及提高性能的各种理论和方法。

课程概述

本门课程属于计算机偏硬技术课程,针对计算机科学与技术、软件工程等专业高年级学生开设。主要讲授内容为:计算机系统结构、计算机指令集结构设计、流水线技术、指令级并行、存储层次结构、输入输出系统、多处理机等。

结合计算机系统性能提升的技术路线及方法分析计算机体系结构的基本理论、基本技术和基本方法,与此同时,采用最新计算机体系结构实例讲解课程内容。

授课大纲

第一章 计算机系统结构的基本概念
1. 计算机系统结构的概念(计算机系统的层次结构,计算机系统结构,计算机组成,计算机实现,系列机)
2. 计算机系统结构的发展
3. 影响计算机系统结构的成本和价格因素
4. 定量分析技术基础(计算机性能评测的基本概念,测试程序,性能设计和评测的基本原则,Amdahl定律,CPU的性能)
5. 计算机系统结构中并行性的发展(并行性概念,提高并行性的技术途径)

第二章 计算机指令集结构设计
1. 指令集结构的分类
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(寻址方式的表示方法,指令集格式的选择)
6. DLX指令集结构

第三章 流水线技术
1. 流水线的基本概念及分类
2. DLX的基本流水线
3. 流水线性能分析(时空图、吞吐率、加速比、效率、消除流水线瓶颈段的方法)
4. 流水线中的相关及解决方法(结构相关、数据相关、控制相关、定向技术、指令调度、分支预测、延迟分支等)
5. MIPS R4000流水线计算机简介
6. 向量处理机(向量处理方式、向量处理机的概念、提高向量处理机性能的主要技术、向量处理机的性能评价)

第四章 指令级并行
1. 指令级并行的概念(循环展开,相关)
2. 指令的动态调度(动态调度的原理、记分牌技术、Tomasulo算法)
3. 控制相关的动态解决技术(分支预测缓冲、分支目标缓冲、基于硬件的前瞻执行)
4. 多指令流出技术(静态超标量、动态多指令流出、超长指令字)

第五章 存储器层次结构
1. 存储器的层次结构(存储层次的性能参数、“Cache —主存”层次、“主存—辅存”层次)
2. Cache基本知识(映象规则、查找方法、替换算法、写策略、Cache的结构)
3. Cache性能分析
4. 降低Cache失效率的方法(增加Cache块大小、提高相联度、Victim Cache,伪相联 Cache、硬件预取技术、由编译器控制的预取、编译器优化)
5. 减少Cache失效开销的方法(让读失效优先于写、子块放置技术、请求字处理技术、非阻塞Cache技术、采用两级Cache)
6. 减少命中时间(小而简单的Cache、虚拟Cache、写操作流水化)
7. 提高主存带宽的组织结构
8. 虚拟存储器(基本原理、TLB)
9. 进程保护和虚存实例
10. Alpha AXP 21064存储层次

第六章 输入输出系统
1. I/O系统与外部存储设备
2. 可靠性、可用性和可信性
3. 廉价磁盘冗余阵列RAID(RAID0~RAID7)
4. I/O设备与CPU/存储器的连接(总线、通道)
5. I/O系统性能分析(I/O性能与系统响应时间、Little定律、M/M/1排队系统、M/M/m 排队系统)
6. I/O与操作系统(DMA和虚拟存储器、I/O和Cache数据一致性、异步I/O)

第七章 多处理机
1. 并行计算机系统结构的分类
2. 通信模型和存储器的结构模型
3. 对称式共享存储器系统结构(多处理机Cache一致性、实现一致性的基本方案、监听协议及其实现)
5. 互连网络(互连网络的性能参数、静态连接网络、动态连接网络)
6. 同步(基本硬件原语、用一致性实现锁、同步性能问题、大规模机器的同步)
7. 多处理机实例

证书要求

证书规则将在开课前发布。

预备知识

计算机导论、数字逻辑、操作系统、编译原理。

参考资料

[1].计算机体系结构 张晨曦 编著 高等教育出版社
[2].Patterson D. A. and Hennessy J. L.,Computer Architecture: A QuantitativeApproach, 5rd edition, Morgan Kaufmann
[3].William Stallings.计算机组织与结构—性能设计(第八版)
[4].徐炜民 计算机体系结构(第三版) 电子工业出版社

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