计算机组成与体系结构教学大纲.docx

计算机组成与体系结构教学大纲一、课程概况数学计算机科学学院074120104是数学计算机科学学院074120104是所属专业：计算机科学与技术开课单位:课程类型：学科基础课程课程代码:学分:学时：课堂讲授64+课外自核心课程:开课学期:拟使用教材:袁春风.计算机组成与系统结构（第2版）.清华大学出版社,2015.8 国内（外）现有教材:1王诚，宋佳兴.计算机组成与体系结构（第2版）.北京：清华大学出版 社.2011.62罗福强.计算机组成与体系结构.北京：人民邮电出版社.2014.13亨尼西（John L.Hennessy）（著），帕特森（David A.Patterson）（著）,贾洪 峰（译）.计算机体系结构:量化研究方法（第5版）.北京:人民邮电出版社.2013.14 David A. Patterson, John L. Hennessy. Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface （5th5胡伟武，陈云霁，肖俊华，章隆兵.计算机体系结构.北京：清华大学出 版社.2011.66唐朔飞.计算机组成原理（第2版）.北京：高等教育出版社.20087李梅静.现代计算机体系结构.北京：清华大学出版社.2009.58袁春风.计算机组成与系统结构.北京：清华大学出版社.2010.49赵姝，陈洁，段震，陈付龙，文U路路.计算机组成与体系结构.合肥：安徽 大学出版社.2014.8 学习参考资料1李春葆，肖忠付，杭后庆.计算机组成原理联考辅导教程.北京：清华大学 出版社.2012.62王道论坛.2016年计算机组成原理联考复习指导（第1版）.北京：电子工 业出版社.2015.53李梅静等.现代计算机体系结构.北京：清华大学出版社.2009.5（6）高级流水线技术（包括超标量技术，超流水技术、超标量超流 水技术、超长指令字技术）。学习方法：听讲记录，小组讨论，上网调研。课后作业：完成先行控制技术、流水线技术的概念和原理、流水线相关及其处理 方法、流水线处理器的设计方法等知识点练习题。第十章：并行技术（授课时间：第三学期第十四周至十六周）教学目标：了解Flynn分类法；了解并行技术的开展；掌握互联网络；掌握数据 级并行技术及SIMD计算机；掌握线程级并行技术及MIMD计算机。教学重点：Flynn分类法；线程级并行技术；MIMD计算机。教学难点：互联网络；线程级并行技术；MIMD计算机。学 时：课堂教学6学时。教学方法：讲授法、讨论法。主要内容：（1） Flynn分类法；（2）并行技术的开展；（3）互联网络;（4） SIMD计算机系统；（5）多处理机系统；（6）多计算机系统；（7）分布式系统。学习方法：听讲记录，小组讨论，上网调研。课后作业：完成Flynn分类法、互联网络、SIMD计算机、MIMD计算机等知识 点练习题。第十章：新型计算机系统（授课时间：第三学期第十六周）教学目标：掌握数据流计算机；了解图归约机和串归约机；了解智能机和神经网络计算机；了解基于面向对象程序设计语言的计算机；了解生物计算 机、量子计算机、光计算机等新型计算机。教学重点：数据流计算机。教学难点：数据流计算机。学 时：课堂教学3学时，课外自主学习时间不少于1学时。教学方法：讲授法、讨论法。主要内容：(1)计算模型概念；(2)数据流计算机；(3)归约机；(4)智能机和神经网络计算机；(5)基于面向对象程序设计语言的计算机；(6)生物计算机；(7)量子计算机；(8)光计算机。学习方法：听讲记录，小组讨论，上网调研。课后作业：完成数据流计算机等知识点练习题。1、原“计算机组成原理”与“计算机体系结构”课程内容进行了整合。2、“虚拟存储技术原理”在本课程简要介绍，详细阐述在“操作系统”课程 展开。3、“接口技术应用”调整至“单片机原理及应用实训”、“微型计算机原理与接口技术”和“嵌入式系统”展开。4傅麒麟，徐勇.现代计算机体系结构.北京：希望电子出版社.2002.85 William Stallings（W）,张昆藏（译）.计算机组织与体系结构（第7版）.北 京：清华大学出版社.2006.36张晨曦等.计算机系统结构教程.北京：清华大学出版社.2009.57西安邮电大学计算机组成原理精品课程8上海交通大学网络教育精品课程计算机组成与系统结 构9中国大学MOOC-计算机组成原理（杭州电子科技大学包 ）.10 Ian McLoughlin（）,王沁（译）.计算机体系结构：嵌入式方法.北京：机械 工业出版社.2012.511 Carl Hamacher, Zvnoko Vranesic, Safwat Zaky, Naraig Manjikian.Computer Organization and Embedded Systems.北京：机械工业出版社.2013.1二、课程描述计算机组成与体系结构是计算机科学与技术专业硬件类的学科基础课（核心 课程），在各门课程中起着承上启下的重要作用。课程主要学习计算机硬件组成 和运行机制方面的基本概念、基本原理、基本设计和分析方法等系统知识，了解 运算器、控制器、存储器、输入器、输出器等主要部件以及总线的组织结构、工 作原理和设计方法，奠定必要的专业知识基础。进而从层次和系统的观点，通过 指令系统的学习，了解计算机系统中硬件、软件的功能划分和相互配合关系，学 习提高计算机整机的硬软件性能和部件性能的各种可行途径，进而初步了解从计 算机系统结构的角度进一步提高系统性能的主体思想，能站在更高层次上思考和 解决工作中遇到的问题，通过面向问题求解能力的培养提高学生的创新能力。三、课程目标本课程的教学目的是使学生掌握计算机组成和体系结构的基本概念、基本原 理、基本设计和分析方法，帮助学生建立新型计算机系统的完整概念，并通过实 验教学努力提高学生在计算机硬件设计和实现方面的能力，适当了解提高计算机 的部件和整机硬件性能的各种可能途径，并能对当前计算机系统各组成部件的新 技术、新型设计思想、未来开展趋势和最新研究成果有一般性的了解。学生通过本课程的学习，还可以培养学生从形象思维向抽象思维过渡，掌握 自顶向下分析和解决问题的能力，提高温故知新、举一反三和自主学习的能力， 最终能在“计算机科学与技术导论”、“电路与电子技术”和“数字逻辑”等课程 所学基础知识的基础上,建立计算机整机系统的完整概念,并能为进一步学习“微 型计算机原理与接口技术”、“嵌入式系统”、“操作系统”和“编译原理”等课程 奠定基础。四、教学要求依据本课程的性质、目的及任务，教学基本要求是紧扣多媒体教学、课后答 疑、教学计算机实验几个主要环节，布置适量作业并进行习题讲解，要求学生系 统地了解、熟悉和掌握计算机体系结构及性能指标、数据表示、运算方法、运算 器、存储器、指令系统、控制器、总线、输入输出系统、流水线技术、并行技术 等计算机组成与体系结构基本知识,并能设计和验证MIPS等指令系统微处理器。五、考核方式及要求为实现课程教学目标，本门课程采用过程性考核和期末考核结合的方式进行 考核。过程性考核占总成绩50%,其中：考勤占10%,随机点到，每人不少于3 次，其中无故缺席1次，按无考勤成绩计算；课程测验2次，占40%,测验时间 和内容根据教学进度由教师安排；课程作业6次，按批改成绩折算，占40%；教 师随堂检查学生课堂笔记记录情况并打分，占10%0期末考核占总成绩50%, 为闭卷考试。六、课程内容第一章：计算机系统概述（授课时间：第三学期第一周至第二周）教学目标：对计算机总体结构有一个概括的了解，掌握计算机组成与体系结构的 基本概念；了解计算机的体系结构、组成及实现之间的关系；理解计 算机系统的基本组成及其层次结构；了解计算机系统的设计准那么和方 法；了解计算机系统的性能评测方法，理解计算机系统的主要技术指 标；了解计算机的开展进步、分类和应用。教学重点：计算机的工作原理；计算机系统的基本组成；计算机系统的层次结构; 计算机系统的设计准那么和方法。教学难点：计算机的工作原理；计算机系统的层次结构；软硬件功能的划分；计 算机系统的设计准那么和方法；计算机系统性能评测方法。学 时：课堂教学6学时，课外自主学习时间不少于1学时。教学方法：讲授法、演示法、讨论法。主要内容：（1）计算机组成与体系结构的基本概念；（2）计算机系统的组织；（3）计算机系统的设计准那么和方法；（4）计算机系统的性能评测方法及主要技术指标；（5）计算机的开展进步、分类和应用。学习方法：听讲记录，小组讨论，上网调研。课后作业：完成计算机基本组成、计算机的工作原理、计算机系统的层次结构、 计算机系统的设计准那么和方法、计算机系统性能评测及技术指标等知 识点练习题。第二章：数据表示（授课时间：第三学期第二周至第三周）教学目标：掌握数制和编码基本方法；掌握定点数和浮点数表示方法；了解十进 制数据和非数值数据表示方法；掌握数据校验码。教学重点：定点数和浮点数表示方法；数据校验码。教学难点：定点数和浮点数表示方法；数据校验码。学 时：课堂教学6学时。教学方法：讲授法、讨论法。主要内容：（1）数制，原码、反码补码和移码等编码；(2)定点数的表示；(3)浮点数的表示；(4)十进制数的表示；(5)非数值数据的表示(6)数据校验码。学习方法：听讲记录，小组讨论，上网调研。课后作业：完成定点数表示、浮点数表示和数据校验码等知识点练习题。第三章：运算方法与运算器(授课时间：第三学期第三周至第四周)教学目标：掌握定点数的加、减、乘、除法运算；掌握浮点数的加、减、乘、除 法运算；了解移位运算和十进制数运算方法；掌握运算器的设计方法。教学重点：定点数的四那么运算；浮点数的四那么运算。教学难点：定点数的乘除运算；浮点数的四那么运算。学 时：课堂教学8学时，课外自主学习时间不少于1学时。教学方法：讲授法、讨论法。主要内容：(1)定点数的运算；(2)移位运算；(3)浮点数的运算；(4)十进制数运算方法；(5)运算器组成与设计。学习方法：听讲记录，小组讨论。课后作业：完成定点数的四那么运算、浮点数的四那么运算等知识点练习题。第四章：存储器(授课时间：第三学期第五周至第七周)教学目标：理解存储系统和存储体系概念，掌握存储器主要性能指标；掌握半导 体存储器芯片的类型和各主要存储器芯片的工作原理；掌握主存储器基本组成，掌握扩展存储器容量的技术，能够作给定的存储器芯片按 要求设计内存，从而深刻理解存储器的构成原理，了解并行存储技术; 理解Cache的基本工作原理，掌握Cache-主存地址映像与变换技术， 掌握Cache替换策略，掌握Cache性能分析方法；了解虚拟存储技术。 教学重点：存储体系；主存储器基本组成；存储器容量扩展的技术；Cache的基 本工作原理，Cache-主存地址映像与变换技术；Cache替换策略， Cache性能分析方法。教学难点：半导体存储器的容量扩展；Cache映像与变换，Cache替换策略。学 时：课堂教学9学时，课外自主学习时间不少于1学时。教学方法：讲授法、演示法、讨论法。主要内容：（1）存储系统与存储体系；（2）半导体存储器；（3）主存储器（包括基本组成，存储器容量的扩展，并行存储技术）;（4）高速缓冲存储器；（5）虚拟存储器。学习方法：听讲记录，小组讨论，上网调研。课后作业：完成存储体系、主存储器的基本组成、容量扩展、并行存储技术、 Cache工作原理、Cache-主存地址映像与变换技术、Cache性能分析 方法等知识点练习题。第五章：指令系统（授课时间：第三学期第七周）教学目标：掌握机器指令特征；理解指令和数据的寻址技术；掌握指令系统的设 计；了解精简指令级计算机和复杂指令集计算机概念；了解几种类型 计算机的指令系统。教学重点：机器指令的一般格式以及指令中各字段的作用；不同的地址格式对访 存次数、寻址范围的影响，不同的寻址方式对操作数寻址范围以及对 编程的影响；指令系统的设计方法；RISC的主要特点及其与CISC的 区别。教学难点：数据的寻址技术；指令系统的设计方法。学 时：课堂教学3学时。教学方法：讲授法、讨论法。主要内容：（1）机器指令；（2）寻址技术；（3）指令系统设计；CISC 与 RISC 指令；（5）典型指令系统。学习方法：听讲记录，小组讨论，上网调研。课后作业：完成寻址技术、指令系统的设计等知识点练习题。第六章：控制器（授课时间：第三学期第八周至第九周）教学目标：理解控制器的功能，掌握控制器的基本结构；理解指令周期、机器周 期、时钟周期和控制信号的关系，理解控制器的控制方式；掌握微程 序控制方式控制器的设计方法；掌握硬布线控制方式控制器的设计方 法。教学重点：控制器的基本结构；微程序控制方式；硬布线控制方式。教学难点：微程序控制方式；硬布线控制方式。学 时：课堂教学8学时，课外自主学习时间不少于1学时。教学方法：讲授法、演示法、讨论法。主要内容：（1）控制器的功能和基本结构；（2）时序系统与控制方式；（3）微程序控制；（4）硬布线控制。学习方法：听讲记录，小组讨论，上网调研。课后作业：完成控制器的基本结构、时序系统与控制方式、微程序控制方式等知 识点练习题。第七章：总线（授课时间：第三学期第十周）教学目标：掌握总线的概念，了解总线在计算机硬件结构中地位和作用；掌握总 线的组成与结构；掌握总线仲裁和数据传输控制；了解总线设计的基 本要素；了解典型的总线标准和技术。教学重点：总线的组成与结构；总线仲裁和数据传输控制。教学难点：总线的组成与结构；总线仲裁和数据传输控制。学 时：课堂教学3学时。教学方法：讲授法、讨论法。主要内容：（1）总线的基本概念；（2）总线的组织与结构；（3）总线仲裁和数据传输控制；（4）总线设计的要素；（5）总线标准与技术。学习方法：听讲记录，小组讨论，上网调研。课后作业：完成总线的概念、总线的组织与结构、总线仲裁和数据传输控制、总 线标准与技术等知识点练习题。第八章：输入输出系统（授课时间：第三学期第十周至第十二周）教学目标：理解输入输出系统的组成与结构；掌握输入输出接口；掌握程序查询、 程序中断、DMA、通道、外围处理机等输入输出控制方式；了解主 要输入输出设备。教学重点：输入输出系统的组成与结构；输入输出接口；程序中断控制方式， DMA控制方式。教学难点：程序中断控制方式；DMA控制方式。学 时：课堂教学6学时，课外自主学习时间不少于1学时。教学方法：讲授法、演示法、讨论法。主要内容：（1）输入输出系统的组成与结构；（2）输入输出接口；（3）输入输出数据传送控制方式；（4）程序中断控制方式；（4） DMA控制方式；（6）通道处理机控制方式；（7）外围处理机控制方式；（8）输入输出设备。学习方法：听讲记录，小组讨论，上网调研。课后作业：完成输入输出系统的组成与结构、输入输出接口、程序中断控制方式、 DMA控制方式等知识点练习题。第九章：流水线技术（授课时间：第三学期第十二周至第十四周）教学目标：了解指令重叠技术；理解先行控制技术；掌握流水线技术的概念和原 理；掌握流水线相关及其处理方法；掌握流水线处理器的设计方法； 了解流水线调度方法；了解超标量、超流水、超标量超流水、超长 指令字等技术。教学重点：先行控制技术；流水线技术的概念和原理；流水线相关及其处理方法; 流水线处理器的设计方法。教学难点：流水线相关及其处理方法；流水线处理器的设计方法；流水线调度方 法。学 时：课堂教学6学时。教学方法：讲授法、演示法、讨论法。主要内容：（1）指令的重叠执行技术；（2）先行控制技术；（3）流水线技术概念和原理；（4）流水线相关及其处理方法；（5）流水线处理器设计；