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自考《计算机系统结构》课程大纲说明

2007-08-07 15:02   【 】【我要纠错

  (一)课程内容

  1.计算机系统的多级层次结构

  2.计算机系统结构、组成和实现

  3.软硬件的取舍与计算机系统的设计思路

  4.系统结构设计要考虑解决软件的可移植性

  5.应用与器件的发展对系统结构的影响

  6.系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类

  (二)学习目的与要求

  本章着眼于建立和掌握计算机系统结构设计应具备的基本知识和概念,为进一步深入学习后续各章打好基础。

  总的要求是:理解一个完整的计算机系统可被看成是由多个机器级构成的层次结构的概念,知道层次的划分。掌握结构、组成、实现三者的定义及包含方面,能对透明性作出正确的判断。掌握计算机设计的三种思路,各自的优缺点,理解“从中间向两边设计”的思路是最好的。理解软、硬件功能分配的原则。掌握实现软件移植的途径、方法、适用场合、问题及对策。了解应用和器件的发展对系统结构设计的影响。掌握并行性概念与计算机系统结构中并行性的发展、并行性结构的分类。了解计算机系统的分类。

  重点为结构、组成设计研究的方面,计算机系统的设计思路,软件的可移植性途径,系统结构的并行性。难点为透明性分析。

  (三)考核知识点与考核要求

  1.计算机系统的多级层次结构,要求达到领会层次。

  1.1 现代通用计算机系统可分成哪几级,它们的相对位置。

  1.2 各机器级的实现所用的翻译或解释技术。

  1.3 层次结构概念对推动系统结构发展的作用。

  2.计算机系统结构、组成和实现,要求达到领会层次。

  2.1 计算机系统结构的定义和研究方面。

  2.2 计算机系统结构是软、硬件主要交界面的概念。

  2.3 计算机组成和计算机实现的定义和研究方面。

  2.4 系统结构、组成和实现的相互影响。

  2.5 透明性的概念,对具体问题能给出是否应透明的正确选择。

  3.软、硬件取舍与计算机系统的设计思路,要求达到领会层次。

  3.1 软、硬件实现的优缺点。

  3.2 软、硬件取舍的基本原则。

  3.3 计算机系统“由上往下”和“由下往上”设计的方法和问题。

  3.4 计算机系统“由中间开始”设计的方法和优点。

  4.系统结构设计要考虑解决软件的可移植性,要求达到领会层次。

  4.1 软件的可移植性定义、实现途径,并理解解决好软件可移植的必要性。

  4.2 采用统一高级语言途径的方法、适用场合、存在问题和应采用的策略。

  4.3 采用系列机途径的办法、适用场合、好处、问题和应采用的策略。

  4.4 软件向前、向后、向下、向上兼容的定义,系列机对软件兼容的要求。

  4.5 正确判断系列机中发展新型号机器的作法是否可取。

  4.6 采用模拟与仿真途径的方法、适用场合、优点和问题以及应采用的策略。

  4.7 对各种软件移植手段的综述。

  5.应用与器件的发展对系统结构的影响,要求达到领会层次。

  5.1 明白非用户片、现场片和用户片的定义。

  5.2 器件发展是推动系统结构和组成前进的关键因素。

  5.3 器件发展是如何改变逻辑设计的传统方法的。

  6.系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类,要求达到识记层次。

  6.l 并行性定义,并行性的二重含义和开发并行性的三种途径。

  6.2 各种并行性等级的划分和并行性高低的顺序。

  6.3 计算机系统沿三种不同的并行性发展途径开发出的多机系统类型与特点。

  6.4 耦合度概念。

  6.5 计算机系统弗林分类法。

  第2章 数据表示与指令系统

  (一)课程内容

  1.数据表示

  2.寻址方式

  3.指令格式的优化设计

  4.按CISC方向发展和改进指令系统

  5.按RISC方向发展和改进指令系统

  (二)学习目的与要求

  本章从数据表示、寻址方式、指令系统设计与改进等几方面分析应如何合理分配软、硬

  件功能,给程序设计者提供好的机器级界面。在保持高级语言与机器语言、操作系统与计算机系统结构、程序设计环境与计算机系统结构之间适当的语义差距前提下,怎样改进计算机系统结构,缩小语义差距。

  总的要求是:理解数据表示与数据结构的关系。掌握引入和发展数据表示的标准。理解自定义、堆栈、向量三种高级数据表示的内涵。掌握浮点数尾数基值大小和尾数下溢处理方法的分析。理解基址寻址和变址寻址的不同,静态再定位与动态再定位技术的不同。理解信息在存储器按整数边界存储的概念。熟练掌握有哈夫曼压缩思想的扩展操作码编码。掌握指令格式优化设计的方法。掌握按增强指令功能发展与改进指令系统的目的、方法和途径。理解精简指令系统计算机(RISC)的思想,掌握RISC结构所采用的基本技术。

  重点是浮点数尾数基值的选择和下溢处理,自定义数据表示,再定位技术,信息按整数边界存储,操作码优化,指令字格式的优化设计,指令系统改进途径,RISC思想及所采用的基本技术。难点是浮点数尾数基值选择,指令字格式的优化设计。

  (三)考核知识点与考核要求

  1.数据表示,要求达到综合应用层次。

  1.l 数据表示的定义,数据表示与数据结构的关系。

  1.2 引入数据表示的原则。

  1.3 标志符数据表示的优点,标志符数据表示与数据描述符的差别。

  1.4 堆栈机器(堆栈数据表示)和向量数据表示的基本特征。

  1.5 浮点数尾数基值大小的利与弊,能熟练计算尾基不同大小时浮点数的可表示值范围和可表示数个数等参数。

  1.6 综述和比较四种尾数下溢处理的方法、误差特性分析、优缺点及适用场合。

  1.7 查表舍入法填下溢处理表的原则,并能进行具体填表。

  2.寻址方式,要求达到领会层次。

  2.1 寻址方式的三种面向,逻辑地址和物理地址的含义。

  2.2 寻址方式在指令中的二种不同的指明方式,优缺点。

  2.3 程序的静态再定位和动态再定位的含义和实现办法。

  2.4 信息在内存中按整数边界存储的含义、编址要求、存在问题和适用场合。

  3.指令格式的优化设计,要求达到综合应用层次。

  3.1 指令格式优化的含义。

  3.2 哈夫曼编码、优化的扩展操作码编码的产生,并能求出其平均码长。

  3.3 扩展操作码中短码不能是长码的前缀的概念。

  3.4 归纳综述出指令格式优化设计可采用的各种措施。

  3.5 根据指令设计全部要求设计出优化的指令格式。

  4.按CISC方向发展和改进指令系统,要求达到领会层次。

  4.1 面向目标程序优化实现改进指令系统的目标和思路。

  4.2 面向高级语言优化实现改进指令系统的目标和思路。

  4.3 高级语言机器的定义和二种形式,理解其为什么难以得到发展。

  4.4 面向操作系统优化实现改进指令系统的目标和思路。

  5.按RISC方向发展和改进指令系统,要求达到领会层次。

  5.1 CISC存在的问题和RISC的优点。

  5.2 设计RISC机器的一般原则。

  5.3 设计RISC机器的基本技术。

  第3章 总线、中断与输入输出系统

  (-)课程内容

  1.输入输出系统的基本概念

  2.总线设计

  3.中断系统

  4.通道处理机

  (二)学习目的与要求

  本章集中介绍总线、中断、通道处理机的设计。

  总的要求是:掌握总线的类型、控制方式、通讯技术、数据宽度和总线线数等设计的各种方案、优缺点和适用场合。理解中断源为什么要分成类和分成级。掌握通过改设中断级屏蔽位的状态达到所希望的中断处理次序的做法。熟练掌握画中断处理过程图。了解中断系统的软、硬件分配原则。掌握通道方式进行输入输出的过程。掌握通道的流量设计。掌握画字节通道响应和处理各设备请求的时空图。

  重点是:总线控制方式,中断响应次序和中断处理次序的实现,通道流量设计。难点是:画中断处理过程的示意图,通道的流量设计,画通道响应和处理各设备请求的时空图。

  (三)考核知识点与考核要求

  1.输入输出系统的基本概念,要求达到领会层次。

  1.1 高性能多用户计算机系统中,I/O系统应当面向操作系统设计的概念。

  1.2 I/O系统三种方式,I/O处理机的二种形式。

  2.总线设计,要求达到领会层次。

  2.1 专用和非专用总线的定义、优缺点及适用场合。

  2.2 非专用总线中三种总线控制方式的总线分配过程,优缺点,所增加的控制线线数。

  2.3 同步与异步通讯控制方式的通讯过程,优缺点及适用场合。

  2.4 数据宽度的定义、分类和优缺点。知道数据宽度与数据通路宽度的不同。

  2.5 减少总线线数的办法。

  3.中断系统,要求达到综合应用层次。

  3.l 中断分类和分级的目的,一般分哪几类、哪几级。

  3.2 设中断级屏蔽位的作用及中断嵌套的原则。

  3.3 按中断处理要求的次序设置好中断级屏蔽位的状态,能正确画出发生各种中断请求时,CPU的程序执行状态转切的过程图。

  3.4 中断系统软、硬件功能分配的基本点。

  4.通道处理机,要求达到领会层次。

  4.1 通道方式的输入输出过程。

  4.2 通道的三种类型,相应所用的数据宽度及适用场合。

  4.3 通道的极限流量计算,外设对通道要求的流量计算。

  4.4 计算I/O系统的流量。

  4.5 带多台外设的字节多路通道,进行流量计算、通道工作周期设计,画通道响应和处理各台外设请求时刻的时空图,这部分要求达到简单应用层次。

  第4章 存储体系

  (-)课程内容

  1.存储体系概念与并行主存系统

  2.虚拟存储器

  3.高速缓冲(Cache)存储器

  (二)学习目的与要求

  本章介绍并行主存、虚拟存储器、Cache存储器的原理、实现、性能分析及软、硬件功能分配。

  总的要求是:理解发展存储体系的理由和依据,存储体系的二个分支,主存模m多体交叉提高频宽的可能性、局限性及发展存储体系的必要性。掌握三种虚拟存储管理方式的原理、映象表机构、地址变换过程及优缺点。熟练掌握页式虚拟存储器的地址映象和变换、替换算法,掌握其性能分析,了解其实现中的问题。掌握Cache存储器的地址全相联、直接和组相联的映象规则及虚实地址变换过程。熟练掌握其中组相联映象的块替换。了解CacheLRU替换算法的硬件实现。掌握Cache透明性中所涉及的各种算法及影响Cache性能的因素。

  重点是:页式虚拟存储器映象及LRU、FIFO、OPT法替换的过程模拟,LRU法的堆栈处理过程,Cache组相联的地址映象和LRU块替换,虚拟存储器、Cache存储器的性能分析。难点是组相联的映象及替换算法模拟。

  (三)考核知识点与考核要求

  1.存储体系概念与并行主存系统,要求达到简单应用层次。

  1.1 存储体系的概念、分支以及依据于程序存在局部性的原理。

  1.2 有关存储体系的参数。

  1.3 并行主存系统各种组织形式,掌握频宽的分析与计算。

  2.虚拟存储器,要求达到综合应用层次。

  2.1 三种虚存管理方式的原理、地址映象规则、映象表组织、地址变换过程及优点和问题。

  2.2 段页式虚拟存储器由虚地址计算实主存地址的方法,给出映象表内容计算出主存实地址,能判断是否出现段失效、页失效或保护失效。

  2.3 页式虚拟存储器的虚、实地址字段对应关系、地址映象规则,会由虚地址查映象表计算出实主存地址,或判断是否发生页失效。

  2.4 采用FIFO、LRU、OPT法进行页面替换时的过程模拟,并会计算其命中率。

  2.5 堆栈型替换算法的定义,LRU替换算法的堆栈模拟过程,计算出不同实页数时的命中率。

  2.6 PFF替换算法的思想,给各道程序合理分配主存页数,使系统效率最高。

  2.7 分析虚拟存储器的页面大小Sp、分配的容量S1与主存命中率H的关系,给出综合评估和改进页式虚拟存储器性能的办法。

  3.Cache存储器,要求达到综合应用层次。

  3.1 Cache存储器的组成与工作原理,与虚拟存储器进行对比。

  3.2 全相联、直接、组相联等地址映象的规则、地址变换的过程、相应所用映象表的组织。

  3.3 堆栈法和比较对法实现Cache块替换的机构和原理,计算比较对法中所用比较对触发器的个数。

  3.4 给出主存块地址流,采用组相联(或直接映象)、LRU(或FIFO)替换时,画出各块装入和替换过程的示意图,统计出Cache的命中率。

  3.5 解决Cache透明性问题所提出的各种算法和措施。

  3.6 提高Cache命中率的各种预取算法。

  3.7 分析影响Cache性能的各种因素及变化趋势。

  3.8 分析Cache等效访问速度与Cache容量及速度的关系。

  第5章 重叠、流水和向量处理机

  (-)课程内容

  1.重叠方式

  2.流水方式

  3.向量的流水处理与向量处理机

  4.指令级并行的超级处理机

  (二)学习目的与要求

  本章介绍在组成设计上采用重叠和流水提高速度的原理、性能分析、相关处理与控制机构、向量流水处理、向量处理机等内容,以及指令级高度并行的超标量、超长指令字、超流水线处理机的原理。

  总的要求是:理解重叠和流水的工作原理。理解各种相关,掌握各种相关处理的方法。熟练掌握画流水的时空图,计算吞吐率、效率、加速比。掌握单功能非线性流水线的调度。了解流水机器的中断处理,向量的流水处理。熟练掌握向量指令间的并行、链接与串行的识别。了解指令级并行的超级处理机的结构原理。

  重点是:流水的性能分析及时空图,相关处理、流水线调度、向量指令流水的并行与链接。难点是:针对所要求的重叠关系,计算全部指令完成的时间。根据题目要求画二功能静态流水时空图,计算吞吐率、效率和加速比。单功能非线性流水线的调度。向量指令间的并行、链接、串行的判断及所需拍数的计算。

  (三)考核知识点与考核要求

  1.重叠方式,要求达到简单应用层次。

  1.1 顺序方式习重叠方式的定义和特点,重叠方式解决访存冲突的办法。

  1.2 “一次重叠”的含义及好处。

  1.3 条件转移指令与后续指令之间的相关及其处理办法。

  1.4 指令相关、主存数相关、通用寄存器组的数相关和变(基)址值相关的定义及处理相关的办法,设置相关专用通路的作用。

  1.5 给出指令间微操作重叠的时间要求,计算出执行完若干条指令所需要的时间。

  2.流水方式,要求达到综合应用层次。

  2.1 流水是重叠进一步引申的概念,流水的向上扩展与向下扩展,指令级、处理机级、系统级流水的含义c

  2.2 单功能和多功能、静态和动态、线性和非线性流水线及标量和向量流水机的定义。

  2.3 消除流水线瓶颈两种办法的时空图画法,吞吐率和效率的计算。

  2.4 给出计算式,在两功能静态流水线上,能调整指令顺序,画出流水时空图,计算出实际吞吐率、效率和加速比。

  2.5 同步流动和异步流动的区别,异步流动会出现的三种相关的定义。结合IBM360/91能综述出处理流水线局部性相关的办法。

  2.6 综述出流水机器处理全局性相关的各种办法。

  2.7 单功能非线性流水线的调度,根据预约表,找出最佳调度方案,按此方案实际调度若干条指令,画其时空图,并求出此时实际的吞吐率和效率。

  3.向量的流水处理与向量处理机,要求达到简单应用层次。

  3.1 处理向量的三种方式和向量的流水处理含义。

  3.2 向量指令之间发生功能部件冲突、源向量 Vi冲突不能并行,而发生Vi先写后读相关可以链接的含义。

  3.3 以CRAY - 1为例,分析向量指令之间并行、链接或串行的情况,计算出多条向量指令全部执行完所需的最少时钟数。

  4.指令级并行的超级处理机,要求达到领会层次。

  4.l 超标量流水机的工作方式和结构特点。

  4.2 超长指令字计算机的工作原理。

  4.3 超流水线处理机提高指令级并行的方法。

  第6章 阵列处理机

  (-)课程内容

  1.阵列处理机原理

  2.阵列处理机的并行算法

  3.SIMD计算机的互连网络

  4.并行存储器的无冲突访问

  (二)学习目的与要求

  本章讲解SIMD的阵列处理机的构形、工作原理和结构特点,并行算法,处理单元间的互连,并行存储器的无冲突访问等内容。

  总的要求是理解阵列处理机的结构和工作原理。了解与流水处理机的差别。理解在阵列处理机解题时对并行算法及存储单元分配规则、互连网络等的特殊要求。熟练掌握基本的单级网络及其互连函数表示。理解循环互连网络的实现。熟练掌握多级网络、全排列网络的画法。理解解决并行存储器无冲突访问的办法。

  重点是互连函数和多级互连网络。难点是并行算法和多级互连网络。

  (三)考核知识点与考核要求

  1.阵列处理机原理,要求达到识记层次。

  1.1 阵列处理机的工作方式和两种基本结构形式。

  1.2 与流水线对比,阵列处理机的主要特点。

  2.阵列处理机的并行算法,要求达到领会层次。

  2.1 ILLIAC Ⅳ的互连结构模式及最大传送步距。

  2.2 在分布式存储器构形的阵列机上,并行算法对存储器信息分布存放的特定要求。

  2.3 并行算法要求处理单元之间的互连具有规律性,有可能还需要有播送功能。

  3.SIMD计算机的互连网络,要求达到综合应用层次。

  3.1 互连网络的设计目标。

  3.2 互连函数的各种表示。

  3.3 立方体、PM21、混洗交换三种单级网络的互连函数表示、互连函数个数、最大距离。

  3.4 循环互连网络和多级互连网络的思想,知道多级互连网络的三个参量。

  3.5 画8或16个端的多级立方体和多级混洗(omega)网络。

  3.6 按算法要求,找出互连规律,选择适合于此算法的互连网络及控制方式,画出网络拓扑图,确定开关状态。

  3.7 立方体、omega、PM21网络都是阻塞式网络的含义,全排列网络的含义及实现全排列网络的两种方式,这部分要求达到领会层次。

  4.并行存储器的无冲突访问,要求达到简单应用层次。

  4.1 实现一维数组步距为2i无冲突传送时,对存储器模m的要求。

  4.2 写出方阵和长方阵数组实现存储器无冲突访问时的存储体数及数据元素在体中分布的规律。

  第7章 多处理机

  (-)课程内容

  1.多处理机的特点及主要技术问题

  2.多处理机的硬件结构

  3.程序并行性

  4.多处理机的性能

  5.多处理机的操作系统

  (二)学习目的与要求

  本章讲述MIMD的多处理机结构特点、构形、机间互连、并行算法、程序并行性、并行语言、操作系统等内容。

  总的要求是:了解多处理机的特点及主要问题,理解紧耦合和松耦合的构形,理解各种机间互连形式。掌握并行算法研究思路,程序并行性分析结论和任务的派生和汇合关系。理解多处理机的任务粒度、通信开销对性能的影响。了解多处理机操作系统分类。

  重点是:多处理机结构特点,程序并行性,并行任务的派生与汇合。难点是:并行算法的研究思路,程序中并行任务的派生与汇合。

  (三)考核知识点与考核要求

  1.多处理机的特点及主要技术问题,要求达到领会层次。

  1.1 多处理机的定义和并行性等级。

  1.2 与并行处理机对比,多处理机的特点。

  1.3 多处理机要解决的主要技术问题。

  2.多处理机的硬件结构,要求达到领会层次。

  2.1 多处理机紧耦合和松耦合两种构形的特点。

  2.2 各种多处理机机间互连的形式、特点、问题及适用场合。

  3.程序并行性,要求达到综合应用层次。

  3.1 并行算法的研究思路。

  3.2 给出表达式,画串行运算树和并行运算树,求P、T1、Tp、Sp和Ep各值。

  3.3 给出程序中的语句或指令,分析其并行性。

  3.4 给出计算式或高级语言源程序,分析其并行任务的派生和汇合关系,加配FORK、JOIN、GOTO等语句,改成能在多处理机上并行运行的程序,画出其在多处理机上运行的时空图。

  4.多处理机性能,要求达到领会层次。

  4.1 任务粒度的概念。

  4.2 多处理机机数增加会因通信等辅助开销增大而影响系统的性能。

  4.3 任务粒度与系统性能的关系。

  5.多处理机的操作系统,要求达到识记层次。

  5.1 主从型操作系统的定义、特点和适用场合。

  5.2 各自独立型操作系统的定义、特点和适用场合。

  5.3 浮动型操作系统的定义、特点和适用场合。

  第8章 其它计算机结构

  (-)课程内容

  1.脉动阵列机

  2.大规模并行处理机MPP与机群系统

  3.数据流机

  4.归约机

  5.智能机

  (二)学习目的与要求

  本章只作一般要求,了解基本原理和概况。

  (三)考核知识点与考核要求

  本章要求达到识记层次。

  1.脉动阵列机原理和结构特点。

  2.大规模并行处理机MPP与机群系统的特点。

  3.数据流机的原理和组织。

  4.归约机结构特点和两种形式。

  5.智能机的结构特点和组成。

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