## 02325 计算机系统结构### 简介“计算机系统结构”是计算机科学与技术专业的一门核心课程，课程编号通常为 02325。 它研究计算机系统的软硬件接口以及如何设计高效、可靠和可扩展的计算机系统。本课程涵盖了从底层硬件到上层软件的各个方面，为学生理解计算机系统如何工作、如何设计和优化计算机系统提供了坚实的基础。### 主要内容本课程通常涵盖以下几个主要方面：

1. 计算机系统概述

计算机系统的层次结构

指令集体系结构 (ISA)

性能评估指标 (CPI, MIPS, FLOPS)

Amdahl 定律

2. 指令集体系结构

指令格式和寻址方式

算术逻辑单元 (ALU)

控制单元 (CU)

微程序控制和硬连线控制

3. 处理器设计

数据通路和控制通路

流水线技术

hazards 和解决方法

超标量和超长指令字 (VLIW) 处理器

4. 存储器系统

存储器层次结构 (Cache, 主存, 辅存)

Cache 映射策略和替换算法

虚拟内存和分页机制

TLB (Translation Lookaside Buffer)

5. 输入输出系统

I/O 接口和控制器

中断和 DMA (Direct Memory Access)

总线结构和协议

6. 并行体系结构

并行计算模型

多核处理器和多线程技术

并行编程模型 (MPI, OpenMP)### 内容详细说明

1. 计算机系统概述

-

计算机系统的层次结构

: 从底层的数字逻辑电路到高层的应用程序，了解每一层的功能和相互之间的关系。 -

指令集体系结构 (ISA)

: 作为硬件和软件之间的接口，ISA 定义了处理器能够执行的指令集。学习不同类型的 ISA (例如 RISC 和 CISC)，并了解它们的特点和优缺点。 -

性能评估指标

: 了解如何使用 CPI (每条指令执行的时钟周期数), MIPS (每秒执行的百万条指令数), FLOPS (每秒执行的浮点运算次数) 等指标来评估计算机系统的性能。 -

Amdahl 定律

: 了解该定律如何描述系统性能提升的上限，以及它对系统设计的启示。

2. 指令集体系结构

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指令格式和寻址方式

: 了解指令如何编码以及如何访问操作数。 -

算术逻辑单元 (ALU)

: 了解 ALU 如何执行算术和逻辑运算。 -

控制单元 (CU)

: 了解 CU 如何根据指令译码结果控制数据通路。 -

微程序控制和硬连线控制

: 了解两种不同的控制单元实现方式，以及它们各自的优缺点。

3. 处理器设计

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数据通路和控制通路

: 了解处理器内部的数据流动和控制信号的传递。 -

流水线技术

: 学习如何将指令执行分解成多个阶段，并利用流水线技术提高指令吞吐量。 -

hazards 和解决方法

: 了解流水线技术可能导致的数据、控制和结构 hazards，以及如何通过数据转发、分支预测等技术解决这些 hazards。 -

超标量和超长指令字 (VLIW) 处理器

: 了解这两种高级处理器设计技术，以及它们如何通过并行执行指令来提高性能。

4. 存储器系统

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存储器层次结构

: 了解缓存、主存和辅存如何组成多级存储器层次结构，以及它们各自的特点和作用。 -

Cache 映射策略和替换算法

: 学习不同的 Cache 映射策略 (例如直接映射、组相联映射和全相联映射)，以及不同的 Cache 替换算法 (例如 LRU, FIFO, Random)。 -

虚拟内存和分页机制

: 了解虚拟内存如何为每个进程提供独立的地址空间，以及分页机制如何实现虚拟内存到物理内存的转换。 -

TLB (Translation Lookaside Buffer)

: 了解 TLB 如何加速虚拟地址到物理地址的转换过程。

5. 输入输出系统

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I/O 接口和控制器

: 了解 I/O 设备如何与处理器和内存进行通信，以及 I/O 控制器如何管理 I/O 操作。 -

中断和 DMA

: 了解中断机制如何处理异步 I/O 事件，以及 DMA 技术如何允许 I/O 设备直接访问内存，从而减轻 CPU 的负担。 -

总线结构和协议

: 了解总线如何连接处理器、内存和 I/O 设备，以及总线协议如何确保数据传输的可靠性。

6. 并行体系结构

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并行计算模型

: 了解不同的并行计算模型，例如共享内存模型和消息传递模型。 -

多核处理器和多线程技术

: 了解多核处理器如何通过集成多个处理核心来提高性能，以及多线程技术如何利用多核处理器的并行处理能力。 -

并行编程模型

: 学习常用的并行编程模型，例如 MPI (Message Passing Interface) 和 OpenMP (Open Multi-Processing)，以及如何编写并行程序。### 总结"02325 计算机系统结构" 课程为学生提供了深入了解计算机系统内部工作原理的机会. 通过学习本课程，学生将能够：

理解计算机系统的层次结构和各个组件的功能。

掌握指令集体系结构、处理器设计、存储器系统、输入输出系统和并行体系结构等方面的知识。

分析和评估计算机系统的性能。

设计和优化计算机系统。这门课程对于未来想要从事计算机系统设计、开发和研究工作的学生来说至关重要。

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