计算机体系结构学习指导

计算机体系结构学习指导

《计算机体系结构》学习指导

温东新

课程名称：计算机体系结构

英文名称：COMPUTER ARCHITECTURE 开课院系：远程教育学院 开课学时：50 学 分：3

授课对象：远程教育学院专升本计算机科学与技术专业学生

一、教学目的与课程性质、任务。

教学目的：通过本课程的学习，能够帮助学生建立计算机系统的整体概念，树立按最合理的软硬件功能分配原则去设计开发计算机系统的思想，为今后学习并行计算机系统结构打下基础。

计算机体系结构课程是计算机科学与技术专业本科教学中一门重要的技术专业课。

计算机体系结构课程学习的主要任务是计算机体系结构的基本概念，基本原理，基本结构和基本分析方法，还应该清楚认识到涉及操作系统，程序语言及其编译，数据结构等内容与计算机体系结构的相互影响和相互促进。

二、教学要求

该课程开设位于整个本科教学的后期，课程的教学不仅讲授计算机体系结构的基本概念，基本原理，基本结构，和基本分析方法，还要在教学过程中将原学习过的专业课结合起来，例如操作系统，程序设计语言及其编译，数据结构等内容与本课程结合起来，使学生清楚它们与计算机体系结构的相互影响和相互作用。

在教学环节上，对学生的学习提出“掌握”和“了解”两个层次上要求，所谓“掌握”，是指学生在课后，必须能将所学内容自己理解并解决实际问题，这是将所

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学知识熟练应用到实践中的基础。所谓“了解”，是要求学生对所学内容有初步的认知，在遇到相关问题时要求能够辨识。教学以课堂讲授为主，辅之以POWERPOINT方式。

三、教学进度表

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四、教学内容与讲授方法

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哈尔滨工业大学远程教育学院

4

讲课顺序 第四讲

教学内容 数据表示与数据结构 浮点数尾数的基值大小和下溢处理 自定义数据表示和向量数据表示 引导

授课方法

讲述教学。

第五讲

寻址方式分析 逻辑地址与主存物理地址

利用图表 讲述教学：二者的转换 利用图表讲述教学：指令 格式的优化

第六讲

指令格式的优化

第七讲

按增强指令功能的方向发展与改进指 引导式+讲述式 令系统 按简化指令功能的方向发展与改进指 令系统

第八讲 第九讲

RISC 技术 总线的类型 总线的控制方式

讲述教学。 讲述教学。

总线的通讯技术 数据宽度与总线线数 第十讲 中断的分类与分级 中断系统的软硬件功能分配 第十一讲 通道处理机的工作原理 通道流量分析 外围处理机 第十二讲 存储器容量 速度 价格的矛盾 启发式教学，举例说明 结合专业课知识回顾 讲述教学 启发式教学，举例

并行主存系统频宽的分析 存储体系的形成发展 第十三讲 虚拟存储器 性能参数 讲述教学。

段式存储管理方式

段页式存储管理方式

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五、课程的重点、思考题

第一章 绪 论 本章学习重点：

1、计算机系统层次结构组成，计算机系统结构,组成实现的定义和相互关系， 2、软件硬件取舍原则及设计方法，软件移植手段

3、应用与器件对体系结构的影响，并行性的分类与发展，计算机系统分类

本章思考题： 1、名词解释：

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翻译 解释 层次结构 解释程序 计算机系统结构 固件工程 软件兼容 模拟 仿真 时间重叠 资源共享 同构型处理机 异构型多处理机

2、如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分4级，每一级为了执行一条指令需要下一条的N条指令解释。若执行第一级的一条指令需K ns时间，那么执行第2，3，4级的一条指令各需要用多少时间。

3、实现软件移植的主要途径有哪些？它们存在什么问题？ 4、并行处理计算机系统除分布处理系统外，共有哪4种基本结构？ 5、计算机系统的3T性能目标指的是什么？

第二章 数据表示与指令系统 本章学习重点： 1、数据表示与数据结构

2、浮点数尾数的基值大小和下溢处理 3、自定义数据表示和向量数据表示

4、指令格式的优化，按增强指令功能的方向发展与改进指令系统，按简化指令功能的方向发展与改进指令系统

本章思考题： 1、名词解释

数据表示 寻址方式 逻辑地址 物理地址 静态再定位 动态再定位 哈夫曼压缩概念 扩展操作码 指令延迟转移技术

2、数据结构和数据表示之间是什么关系？确定和引入数据表示的基本原则是什么？ 3、设某机阶码6位，尾数48位，阶符数符不在其内，当尾数分别以2，8，16为基时，在非负阶正尾数规格化情况下，求出最小阶，最大阶，阶的个数，最小尾数值，最大尾数值，可表示的最小值和最大值及可表示的规格化数的总个数。 4、某机的指令字长16位，设有单地址指令和双地址指令两类，若每个地址字段均为6位，且双地址指令有X条，问单地址指令最多可以有多少条？

5、何谓指令格式的优化？简要列举包括操作码和地址码两部分的指令优化可采用的各种途径和思路。

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第三章 总线 中断与输入输出系统 本章学习重点：

1、总线的类型， 总线的控制方式，总线的通讯技术，数据宽度与总线线数 2、中断的分类与分级，中断系统的软硬件功能分配 3、通道处理机的工作原理，通道流量分析 4、外围处理机

本章思考题： 1、名词解释

专用总线 非专用总线 数据宽度 数据通路宽度 中断分类 中断分级 通道极限流量

2、 若机器共有5级，中断响应优先次序为1-〉2-〉3-〉4-〉5，现要求其实际的中 断处理次序为1-〉4-〉5-〉2-〉，设计 1）各级中断处理程序的中断级屏蔽位；

2）若在运行用户程序时，同时出现第4，2级中断请求，而在处理第2级中断未完成时，又同时出现第1，3，5级中断请求，请画出此程序运行过程示意图。 3、如果通道在数据传送期中，选择设备需9.8us，传送一个字节数据需0.2us某低速设备每隔500us发出一个字节数据传送请求，问至多可接几台这样的低速设备？

第四章 存贮体系 本章学习重点：

1、存储器容量，速度，价格的矛盾 2、并行主存系统频宽的分析，性能参数 3、虚拟存储器页式存储管理方式

4、页面失效的处理及提高等效访问速度的措施 5、高速缓冲存储器的基本结构 6、地址的映像与变换

7、替换算法的实现 透明性与性能分析 8、主存保护

本章思考题：

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1、名词解释

存贮器最大频宽 存贮器实际频宽 存贮层次体系 程序局部性 虚拟存贮器 段式管理 最佳分配算法 页式管理 段页式管理 地址的映像 地址的变换 高速缓冲存贮器 直接映像 组相联映像 写回法 写直达法 环保护 键保护 2、一个二级虚拟存贮器，CPU 访问主存和辅存的平均时间分别为1us 和1 ms。经实测，此虚拟存贮器平均访问时间为100us.试定性提出使虚拟存贮器平均访问时间能从100us下降到10us的几种方法，并分析这些方法在硬件和软件上的代价。 3、某程序包括5个虚页，其页址为4，5，3，2，5，1，3，2，2，5，1，3。当使用LRU法替换时，为获得最高命中率，至少应分配给该程序几个实页。其可能的最高命中率为多少？

第五章 重叠 流水和向量处理机 本章学习重点：

1、一次重叠，主存空间数相关的处理，通用寄存器组相关的处理 2、流水线的分类，流水线的时空图

3、流水线的性能及其分析，相关处理和控制机构 4、向量的流水线处理，向量处理机

本章思考题： 1、名词解释

指令的重叠解释 一次重叠 操作数相关 指令相关 流水线效率 全局相关 顺序流动 异步流动方式 预约表 冲突向量 流水线吞吐率 向量处理机 2、指令的解释方式采用顺序，一次重叠和流水，其主要的差别在什么地方？流水方式与完全重复增加多套解释部件的方式相比各有什么优缺点？

3、某个流水线有4个功能部件组成，每个功能部件的延迟时间为⊿t,当输入10个数据后，间歇5⊿t，又输入10个数据，如此周期的工作。求此时流水线的吞吐率，并画出其时空图。

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六、本课程的几点说明：

1. 关于计算机体系结构应该具备的基础

学习计算机体系结构应先修完课程：计算机原理，程序设计语言，操作系统，编译原理。

2. 本课程的教学计划

本课程分绪论，指令与寻址，输入输出系统，存储体系，重叠与流水等五部分 3. 使用教材： 李学干主编：《计算机体系结构》，西安电子科技大学出版社。 4. 对学生的修课建议

建议学生在学习该课程的过程中，要结合已学过的专业知识，并首先了解计算机体系结构的框架体系、基本内容和分析问题的方法。

七、学习参考书：

1、郑纬民 汤志忠 《计算机体系结构》，清华大学出版社。

2、William Stallings COMPUTER ORGANIZATION AND ARCHITECTURE PRENTICE HALL 1996

八、成绩考核办法

1．平时出勤10分 2．期末结业90分

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2pwi.html