2013.八、编制与审核工作内容负责人完成时间黄宏博编制（任课教师）2024.07.09审核（学科、张伟2024.07.31专业负责人）批准（主管院长）刘秀磊2024.07.314
4 2013. 八、编制与审核 工作内容 负责人 完成时间 编制（任课教师） 黄宏博 2024.07.09 审核（学科、 专业负责人） 张伟 2024.07.31 批准（主管院长） 刘秀磊 2024.07.31
《高级计算机系统结构》课程教学大纲课程名称课程编号CS502高级计算机系统结构Advanced computer英文名称考核方式V考试口考查architecture口公共必修课学分2√学位课口专业选修课课程性质口公共选修课32总学时口补修课口其他V本研一体化课程口特色课程口学科交叉融合课程口全英文授课课程0课程特点实验学时口双语授课课程√案例课程口校企联合课程口其他先修课程（已具备知识能力）适用学科/专业计算机科学与技术、电子信息（计算机技术）、电子信息（人工智能-智能计算）学位类别（领域）一、课程教学目标高级计算机体系结构是一门重要的专业课，通过本课程的教学，使学生比较全面地掌握计算机体系结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计与分析方法，了解计算机体系结构方面的最新进展和发展趋势，领会计算机软件和硬件设计时进行性能指标综合平衡的思想和方法，提高分析间题和解决问题的能力，为今后从事计算机系统软硬件的研究、开发及应用打下良好的基础。二、课程教学内容提要与基本要求理论部分序基本要求学时支撑教学内容提要5
5 《高级计算机系统结构》课程教学大纲 课程名称 高级计算机系统结构 课程编号 CS502 英文名称 Advanced computer architecture 考核方式 √考试 □考查 课程性质 □公共必修课 √学位课 □专业选修课 □公共选修课 □补修课 □其他_ 学分 2 总学时 32 课程特点 √本研一体化课程 □特色课程 □学科交叉融合课程 □全英文授课课程 □双语授课课程 √案例课程 □校企联合课程 □其他_ 实验学时 0 先修课程（已具 备知识能力） 适用学科/专业 学位类别（领域） 计算机科学与技术、电子信息（计算机技术）、电子信息（人工智能-智能计算） 一、课程教学目标 高级计算机体系结构是一门重要的专业课，通过本课程的教学，使学生比较全面地掌握 计算机体系结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计与分析方法，了解计算机体系 结构方面的最新进展和发展趋势，领会计算机软件和硬件设计时进行性能指标综合平衡的思 想和方法，提高分析问题和解决问题的能力，为今后从事计算机系统软硬件的研究、开发及 应用打下良好的基础。 二、课程教学内容提要与基本要求 理论部分 序 教学内容提要 基本要求 学时 支撑 备
号课程目注标能够概述计算机系统结构的基本概念、研究目的、并行性概念，能够描述计算机系统结构的历史与发展。计算机系统结构基本概念·。计算机系统结构的概念能够具有对计算机系统性能定量分计算机系统结构中并行性8析的能力以及进行性能指标综合平衡的1,461的发展思想和方法，会计算CPU时间以及CPU系统结构的定量分析.的MIPS、MFLOPS等性能参数，能够理解?计算机系统结构的发展基准测试程序的作用。通过课堂讨论能够学会分析计算机系统综合指标评价方法能够分析RISC指令系统的核心思计算机指令集结构想，能够分析RISC与CISC指令系统的用途，能够概述DLX和MIPS指令系统的。指令集结构的功能设计22特点。（主要RISC结构）·MIPS指令集结构使学生能够简述计算机指令系统全貌，比较不同指令集在系统中的作用。能够解释流水线技术核心思想；采用时空图描述方法能够求解吞吐率、加流水线技术速比、效率等流水线性能评价指标；针指令重叠与先行控制·对流水线的相关与冲突，能够运用定向流水线技术1,406技术解决数据冲突，能够简述MIPS流水数据冲突线实现过程。。流水线的实现能够具有解决计算机流水线实现过程中相关问题的基本思路和方法指令级并行能够简述指令级并行的概念，能够指令级并行的概念区分三种多指令高级流水线技术：超标6多指令流出技术：超标量量流水线、超长指令字流水线、超流水O流水线、超流水线及超长线技术。1,443指令处理机通过分析和实验让学生通过软件指指令的动态调度O令调度，提高流水线效率。进行实验、分析与解释数据，并通过综合理论分析、6
6 号 课程目 标 注 1 计算机系统结构基本概念 计算机系统结构的概念 计算机系统结构中并行性 的发展 系统结构的定量分析 计算机系统结构的发展 能够概述计算机系统结构的基本概 念、研究目的、并行性概念，能够描述 计算机系统结构的历史与发展。 能够具有对计算机系统性能定量分 析的能力以及进行性能指标综合平衡的 思想和方法，会计算 CPU 时间以及 CPU 的 MIPS、MFLOPS 等性能参数，能够理解 基准测试程序的作用。 通过课堂讨论能够学会分析计算机 系统综合指标评价方法。 6 1，4 2 计算机指令集结构 指令集结构的功能设计 （主要 RISC 结构） MIPS 指令集结构 能够分析 RISC 指令系统的核心思 想，能够分析 RISC 与 CISC 指令系统的 用途，能够概述 DLX 和 MIPS 指令系统的 特点。 使学生能够简述计算机指令系统全 貌，比较不同指令集在系统中的作用。 2 1 3 流水线技术 指令重叠与先行控制 流水线技术 数据冲突 流水线的实现 能够解释流水线技术核心思想；采 用时空图描述方法能够求解吞吐率、加 速比、效率等流水线性能评价指标；针 对流水线的相关与冲突，能够运用定向 技术解决数据冲突，能够简述 MIPS 流水 线实现过程。 能够具有解决计算机流水线实现过 程中相关问题的基本思路和方法 6 1，4 4 指令级并行 指令级并行的概念 多指令流出技术：超标量 流水线、超流水线及超长 指令处理机 指令的动态调度 能够简述指令级并行的概念，能够 区分三种多指令高级流水线技术:超标 量流水线、超长指令字流水线、超流水 线技术。 通过分析和实验让学生通过软件指 令调度，提高流水线效率。进行实验、 分析与解释数据，并通过综合理论分析、 3 1，4
实验数据和文献研究得出合理有效结论。能够简述层次性存储系统设计原存储系统理；能够辨识Cache三种相联结构的特存储系统层次结构点及查找方法、替换算法、写入策略；OCache两种写策略能够求解命中率、平均访存时间等CacheCache存储器性能分析性能指标；能够评价主要Cache性能优1,41.6Cache存储器性能优化策化策略，解释Cache不同结构对性能的?略影响。通过学习，能够具有对计算机软硬件进行性能优化的不同思路和方法。能够阐述RAID设计核心思想，能够分析RAID的各种配置的特点，能够说明输入输出系统网络存储器的作用。廉价磁盘允余阵列RAID1、46.2帮助学生建立计算机系统安全的概网络存储念，简述最新的技术进展等内容。培养学生自主学习的能力。多处理机能够简述多处理机系统的特点，能多处理机系统的基本结构够解释多核处理器、同时多线程处理器对称多处理机系统，同时的基本结构。31、4多线程大规模并行处理机系统.?机群系统针对不同需求，通过性价比比较，进行计算机系统方案的设计。通过自主调研汇报与交流（个人82、3、4的学习和课堂小组方案演讲，培/养学2PC、服务器、高性能计算系统）生分析间题、解决问题的能力和团结、协作的团队精神。阅读科研论文并讨论交流，通过自论文阅读与交流（经典主的学习和课堂小组方案演讲，培养3、4cache设计、计算机性能优化2学生分析问题、解决问题的能力和团结、方法)协作的团队精神。7
7 实验数据和文献研究得出合理有效结 论。 5 存储系统 存储系统层次结构 Cache 两种写策略 Cache 存储器性能分析 Cache 存储器性能优化策 略 能够简述层次性存储系统设计原 理；能够辨识 Cache 三种相联结构的特 点及查找方法、替换算法、写入策略； 能够求解命中率、平均访存时间等 Cache 性能指标；能够评价主要 Cache 性能优 化策略，解释 Cache 不同结构对性能的 影响。 通过学习，能够具有对计算机软硬 件进行性能优化的不同思路和方法。 6 1，4 6 输入输出系统 廉价磁盘冗余阵列 RAID 网络存储 能够阐述 RAID 设计核心思想，能够 分析 RAID 的各种配置的特点，能够说明 网络存储器的作用。 帮助学生建立计算机系统安全的概 念，简述最新的技术进展等内容。培养 学生自主学习的能力。 2 1、4 7 多处理机 多处理机系统的基本结构 对称多处理机系统，同时 多线程 大规模并行处理机系统 机群系统 能够简述多处理机系统的特点，能 够解释多核处理器、同时多线程处理器 的基本结构。 3 1、4 8 调研汇报与交流（个人 PC、服务器、高性能计算系统） 针对不同需求，通过性价比比较， 进行计算机系统方案的设计。通过自主 的学习和课堂小组方案演讲，培/ 养学 生分析问题、解决问题的能力和团结、 协作的团队精神。 2 2、3、4 9 论文阅读与交流（经典 cache 设计、计算机性能优化 方法） 阅读科研论文并讨论交流，通过自 主的学习和课堂小组方案演讲，培/ 养 学生分析问题、解决问题的能力和团结、 协作的团队精神。 2 3、4
三、教学方法1、课思政（1）介绍我国计算机体系结构的发展历程，阐述我国计算机发展从无到有的艰辛历程增强使命感与荣誉感；（2）通过对计算机体系结构前沿技术的介绍与分析，结合我国自前在系统和工具等基础软件方面的不足，导入核心软件自主可控的重要性，激励自强不息和不届不挠的赶超精神；（3）引入中国传统文化、科学巨匠和国产硬件、软件的故事，增强体系结构、核心软件自主研发的信心。2、案例教学3、专题教学四、教学目标达成与评价方式课程目标1：提高学生从总体结构、系统性能定量分析这一层次来研究和分析计算机系统的能力。能够描述计算机系统基本概念、整体结构、性能定量分析方法、指令系统、流水线技术、并行技术、存储技术以及最新的科研进展等内容。课程目标2：掌握计算机软硬件系统的成本、功耗量化方法，根据不同场景需求，特别是有实际工程背景的复杂工程需求，设计不同性价比、高能耗比的计算机软硬件系统架构；课程目标3：通过论文阅读、调研报告汇报与交流，包括小组研读、集中汇报、回答间题、总结反馈等环节，培养良好的口头和书面表达能力，能够清晰地表述计算机体系结构相关知识和技术。课程目标4：掌握计算机设计中的权衡原则，在功能、性能、成本、功耗、可靠性、研发周期等多因素间进行权衡，帮助学生建立计算机系统的整体概念，针对复杂工程问题，根据不同需求设计不同的计算系统架构、存储系统架构以及高性能并行系统架构。五、课程目标达成措施与评价标准考核建议达成措施评价标准课程目标方式占比课程目标1：提高学重点考核对性能定量分课后作业：通过课后作生从总体结构、系析方法、指令系统、流水线业巩固课堂知识，计算统性能定量分析这技术、并行技术、存储技术课后机体系结构基本概念、一层次来研究和分等环节知识的运用。5%基本知识、基本技术。作业合格标准：能够正确进析计算机系统的能实验：课堂讲授内容主.力。掌握计算机系行性能定量分析；了解流水要概念进行测试，测试统基本概念、整体线的相关与冲突，掌握定向8
8 三、教学方法 1、课思政 （1）介绍我国计算机体系结构的发展历程，阐述我国计算机发展从无到有的艰辛历程， 增强使命感与荣誉感； （2）通过对计算机体系结构前沿技术的介绍与分析，结合我国目前在系统和工具等基 础软件方面的不足，导入核心软件自主可控的重要性，激励自强不息和不屈不挠的赶超精神； （3）引入中国传统文化、科学巨匠和国产硬件、软件的故事，增强体系结构、核心软 件自主研发的信心。 2、案例教学 3、专题教学 四、教学目标达成与评价方式 课程目标 1：提高学生从总体结构、系统性能定量分析这一层次来研究和分析计算机系 统的能力。能够描述计算机系统基本概念、整体结构、性能定量分析方法、指令系统、流水 线技术、并行技术、存储技术以及最新的科研进展等内容。 课程目标 2：掌握计算机软硬件系统的成本、功耗量化方法，根据不同场景需求，特别 是有实际工程背景的复杂工程需求，设计不同性价比、高能耗比的计算机软硬件系统架构； 课程目标 3：通过论文阅读、调研报告汇报与交流，包括小组研读、集中汇报、回答问 题、总结反馈等环节，培养良好的口头和书面表达能力，能够清晰地表述计算机体系结构相 关知识和技术。 课程目标 4：掌握计算机设计中的权衡原则，在功能、性能、成本、功耗、可靠性、研 发周期等多因素间进行权衡，帮助学生建立计算机系统的整体概念，针对复杂工程问题，根 据不同需求设计不同的计算系统架构、存储系统架构以及高性能并行系统架构。 五、课程目标达成措施与评价标准 课程目标 达成措施 考核 方式 评价标准 建议 占比 课程目标 1：提高学 生从总体结构、系 统性能定量分析这 一层次来研究和分 析计算机系统的能 力。掌握计算机系 统基本概念、整体 课后作业：通过课后作 业巩固课堂知识，计算 机体系结构基本概念、 基本知识、基本技术。 实验：课堂讲授内容主 要概念进行测试，测试 课后 作业 重点考核对性能定量分 析方法、指令系统、流水线 技术、并行技术、存储技术 等环节知识的运用。 合格标准：能够正确进 行性能定量分析；了解流水 线的相关与冲突，掌握定向 5%