《计算机组成原理》教学大纲.docx

计算机组成原理(Principles of Computer Composition )课程代码：2151035学分：4学时：64 （其中：课程教学学时：48,实验学时：16）先修课程：计算机科学与技术专业导论、电子技术基础适用专业：计算机科学与技术教材：计算机组成原理（第三版），华中科技大学出版社，薛胜军，2010.3 开课学院：计算机与软件学院一课程性质与课程目标（-）课程性质计算机组成原理是计算机专业的一门核心专业基础必修课程。在计算机专业的各门 课程中起着承上启下的重要作用。通过本课程的学习，使学生理解单处理器计算机系统中各 部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。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，为后续课程的学习及毕业后从事计算机开发应用和科研工作打下基础。（二）课程目标计算机组成原理主要介绍计算机的基本组成、计算机中各种数据的表示方法、运算 器的功能、组成及工作原理、各类半导体存储器的工作原理和特性、主存储器系统的设计、 多级存储器层次结构、指令系统、格式及常用寻址方式、CPU的组成、CPU各部件在计算机 运行过程中的作用、指令的实现、系统的总线和总线的通讯方式等内容。课程目标包括知识 目标和能力目标，具体如下：课程目标1:掌握计算机系统性能评测指标、数的编码、指令格式、高级语言与汇编语 言、机器语言之间的转换、单周期及多周期处理器的设计、磁盘的容量与访问、输入输出系 统和并行处理系统。课程目标2：掌握由基本数字电路模块构建各种存储器、处理器、总线及计算机的基本 理论与设计方法；分析各种方案在硬件资源、设计复杂性、性能方面的利弊，选择性价比高 的处理器设计方法。课程目标3：能够针对具体运算器和运算方法问题，对计算电路进行设计、分析、验证， 对指令进行设计与分析。课程目标4：根据多种存储结构进行存储器设计并给出方案；能对基本部件进行简单设 计，能构建一台基本的计算机。（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支撑计算机科学与技术专业培养计划中的毕业要求指标点1.4、3.1、3.4和4.2。毕业要求指标点1.4：系统掌握计算机网络基础理论及专业知识，包括计算机硬件、软七、大纲说明1 .主要采用多媒体教学手段，主要知识点板书与多媒体相结合，多种教学手段综合运用。2 .课后共需完成五次习题作业，以评价学生对所学内容的理解和应用情况。建议利用网络 教学平台自学相关内容。附录1：实验考核方式及评分细那么本实验以考查为主，考核的内容包括实验过程的表现（其中包含分析与解决问题的能力）、 实验报告的质量等。分析与解决问题的能力采用提问和现场操作的方式进行。实验成绩中出 勤、预习占10%,实验过程表现占60%、实验报告及思考题占30%。成绩组成考核/评价环节分值考核/评价细那么对应的毕业 要求指标点出勤、预 习10%出勤状况， 预习评价10能按时到勤，遵守实验规定，不损坏实验设备（占 5%）；能够预习,并理解实验原理及目的（占5%）。4-2实验过程60%实验中的表现60按照预设方案操作实验设备、仪表，正确完成实 验（占25%）；实验结果的准确性（占20%）；利 用所学知识分析解决问题的能力（占15%）。各 个实验在总分中所占权重系数以课时数为标准。3-4、 4-2实验报 告30%实验报告评价30主要考察学生对实验设计、分析和相应的思考能 力。要求报告有过程、有相应思考（占10%）； 设计分析准确（占10%）。3-4、 4-2件及系统等方面内容，具备理解计算机网络复杂工程问题的能力，能够运用所学知识进行计 算机问题求解。毕业要求指标点3.L理解计算机网络系统从电子电路到网络设备、网络组成的基本理 论与设计方法。毕业要求指标点3.4：在充分理解计算机网络软硬件及系统的基础上，能够针对计算机 网络复杂工程问题的设计解决方案，设计或开发满足特定需求和约束条件的软硬件系统、模 块或算法流程，并能够进行模块和系统级优化。毕业要求指标点4.2具有计算机网络软硬件及系统相关的工程基础能力，能够针对计算 机网络相关问题，进行实验验证与实现，利用理论分析手段，能够对实验数据进行解释与对 比分析，给出实验的结论。毕业要求请涂义、课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4毕业要求1.4毕业要求3.1毕业要求3.4毕业要求4.2二、课程内容及教学要求本课程主要介绍计算机系统概述、数据的机器级表示、运算方法与运算部件、指令系统、 中央处理器、指令流水线、存储器分层体系结构、互连及输入输出组织、并行处理系统等内 容。为后续课程（如操作系统、汇编语言、微机原理与接口技术、计算机体系结构等）提供 必要的专业基础知识。此外，通过一系列计算机组成原理实验和课程设计，结合实际硬件, 进一步巩固课堂所教的理论知识，培养学生具有初步的处理器及计算机最小系统的设计与实 现技能。第1章概述（一）教学内容1 .计算机的开展历史；.计算机的组成；2 .电子计算机分类；.多媒体技术。（二）教学要求.简单了解计算机的开展历程，掌握冯诺依曼计算机结构的特点，计算机硬件的基 本组成与功能；1 .计算机系统的组成（硬件+软件）及其层次结构和相互关系，计算机的基本工作原 理，程序执行原理；.掌握计算机的性能评价，具体指标包括CPU执行时间、指令的CPI及计算机系统中平均CPI、时钟周期、指令执行性能的MIPS指标、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS 等（三）重点与难点1 .重点计算机的硬件组成，冯诺依曼型计算机的工作原理，计算机系统的多级层次结构。2 .难点冯诺依曼型计算机的工作原理，计算机系统的多级层次结构。第2章运算方法与运算器（一）教学内容1. 字符信息属于符号数据；定点数的组成；2. 定点数的位移运算；运算器的基本结构和设计方法；3. 芯片功能；运算器构造原那么；4. 浮点运算方法和浮点运算器。（二）教学要求. 了解字符信息属于符号数据，是处理非数值领域的问题；1 .掌握定点数的二进制编码、原码、补码、移码、带符号整数和无符号整数的表示;.掌握一个定点数由符号位和数值域两局部组成。掌握定点数的位移运算；原码定点 数的力口/减运算；补码定点数的加/减运算；定点数的乘/除运算；溢出概念和判别方 法；2 . 了解运算器的基本结构和设计方法，了解芯片功能；.理解为运算器构造的简单性，运算方法中算术运算通常采用补码加、减法，原码乘 除法或补码乘除法；为了运算器的高速性和控制的简单性，采用了先行进位、阵列 乘除法、流水线等并行技术措施。3 .熟悉算术移位规那么与舍入规那么；熟悉尾数的规格化；浮点数的表示范围；浮点数的 运算步骤。（三）重点与难点.重点定点数的表示与加减乘除运算，运算中的相应规那么。1 .难点定点数的表示，定点数的加法运算。第3章存储器及存储系统（一）教学内容存储器分类；1. 存储器分化结构；存储器的要求（容量大、速度快、本钱低）；2. SRAM和DRAM存储器及各自的工作原理；虚拟存储器的基本概念；3. 联存储器的存储方式；存储保护的概念；4. 奇偶校验编码。（二）教学要求了解存储器的分类及其分层结构；1. 半导体存储器随机访问存储器的组织；只读存储器及主存的主要技术指标等；2. 掌握存储器芯片与CPU的连接，多模块存储器的交叉存储；掌握CPU对高速缓冲存储器及主存的基本访存过程；3. 掌握虚拟存储器的基本概念，三种实现方案，缺页的处理以及快表TLB的工作原 理，了解存储保护；掌握奇偶校验编码；掌握常用的纠错码中的海明码和循环码的编码和纠错能力。（三）重点与难点.重点存储器的分类，存储器的层次化结构，存储器的组成与工作原理，存储器地址映射方 式，校验编码与纠错码，多级存储体系结构。1 .难点存储器的分类，存储器的层次化结构，存储器的组成与工作原理，存储器地址映射方 式，校验编码与纠错码，多级存储体系结构。第4章指令系统（一）教学内容1. 指令系统的概念；指令格式概念；2. 指令的基本格式；定长操作码指令格式；3. 定长操作码指令格式；寻址技术概念及工作原理；4. 有效地址的概念；RISC指令系统的优点。（二）教学要求了解指令格式的设计；1. 寻址技术概念及工作原理；掌握指令系统的设计原那么；2. 熟悉指令分析。（三）重点与难点.重点指令格式，基本寻址技术及其工作原理。1 .难点指令格式，有效地址，寻址技术及其工作原理。第5章中央处理器（-）教学内容1. CPU的基本概念；CPU的组成；2. 指令执行过程；数据通路的功能和基本结构；3. 时序有关的实现电路的设计、改错、分析、描述，对微指令集合确实定；时序信号的产生及作用；4. 指令后期的概念；微程序、微指令和微命令的概念；5. 微程序的特性；硬布线控制器的功能和工作原理；6. 指令流水线的基本概念；超标量和动态流水线的基本概念；7. 指令流水线中的主要问题及解决方法；流水CPU的基本概念。（二）教学要求了解CPU是计算机的中央处理部件；1. 熟悉CPU的功能和基本结构；指令执行过程；数据通路的功能和基本结构；了解与时序有关的实现电路的设计、改错、分析、描述，对微指令集合确实定；2. 理解时序信号产生器提供CPU周期（也称机器周期）所需的时序信号。3. 掌握CPU从存储器取出一条指令并执行这条指令的时间和称为指令周期。4. 熟悉微程序、微指令和微命令；微指令的编码方式；微地址的形成方式；CPU周 期与微指令周期的关系；机器指令与微指令的关系；用方框图语言表示指令周期; 微程序控制器原理框图；掌握微程序设计操作控制器的功能和工作原理；5. 熟悉硬布线控制器的功能和工作原理；了解指令流水线的基本概念；超标量和动态流水线的基本概念；掌握流水CPU是 以时间并行性为原理构造的处理器。（三）重点与难点.重点微程序设计技术，硬布线控制器的基本思想，CPU的功能和基本结构，微指令周期。1 .难点微程序设计技术，CPU的功能和基本结构，微指令周期。第6章系统总线（一）教学内容1. 总线及总线标准化的概念；总线的连接方式；2. 总线对于计算机的意义；总线的性能指标；3. 总线的特点；常见的总线实例。（二）教学要求掌握总线基本概念及总线标准化；掌握信息传送的方式；1. 熟悉总线的连接方式单总线结构、双总线结构、三总线结构；理解总线结构对计算机系统性能的影响；总线的性能指标；2. 了解总线的分类、总线通道的组成、总线上的设备、总线接口、总线控制器；了解 流行总线的特点及其带宽；掌握接口的基本概念及基本组成；掌握总线仲裁方式、定时方式和信息的传送；3. 掌握典型的微型机系统总线和使用最广泛的接口。（三）重点与难点.重点总线相关的基本概念，信息传送的方式，接口的概念及组成。1 .难点总线仲裁方式、定时方式和信息的传送。三、本课程开设的实验工程实验1:算术逻辑运算单元实验和通用寄存器单元实验编号实验工程名称学时类型要求支撑的课程目标1算术逻辑运算单元实验 通用寄存器单元实验2验证性必做课程目标32存储器和总线实验2验证性必做课程目标33堆栈寄存器实验进位控制、通用寄存器判零实验2验证性必做课程目标34微程序控制单元实验 指令部件模块实验2验证性必做课程目标35模型机的总体设计一CPU及总线电 路2设计性必做课程目标45模型机的总体设计一存储器电路2设计性必做课程目标45模型机的总体设计一外围电路2设计性必做课程目标45模型机的总体设计完成SCH-PCB图2设计性必做课程目标4.实验目的及要求1）掌握简单运算器的数据传输方式；2）掌握74LS181的功能和应用；3） 了解通用寄存器的组成和硬件电路，利用通用寄存器实现数据的置数、左移、右移等功 能；4）熟悉带进位控制的算术逻辑运算器的组成和硬件电路,用进位寄存器来实现进位的左移、 右移；1 .实验主要内容1）不带进位的位逻辑或；2）不带进位位加法；3）数据输入通用寄存器；4）寄存器内容逻辑移位实验；5）寄存器内容循环移位实验；6）算术逻辑单元带进位位的加法运算实验；7）带进位移位实验。实验2：存储器和总线实验.实验目的及要求1）熟悉存储器和总线的硬件电路；.实验主要内容1）存储器的写操作；2）读存储器的数据到总线上；实验3：堆栈寄存器实验和进位控制、通用寄存器判零实验1 .实验目的及要求1）熟悉堆栈的概念；2）熟悉堆栈寄存器的组成和硬件电路；3）熟悉判零线路；2 .实验主要内容1）对4个寄存器进行写入操作；2）对4个寄存器进行读出操作；实验4：微程序控制单元实验和指令部件模块实验3 .实验目的及要求1）熟悉微程序控制器的原理；2）掌握微程序编制、写入并观察运行状态；.实验主要内容1）微地址打入操作；2）微地址+1操作；实验5-8：模型机的总体设计.实验目的及要求1）掌握了各个单元模块的工作原理，进一步将其组成完整的系统，构造成1台基本的模型 计算机；.实验主要内容1）模型机的总体设计一CPU及总线电路；2）模型机的总体设计一存储器电路；3）模型机的总体设计一外围电路；4）模型机的总体设计完成SCH-PCB图；注：本课程为专业课，授课对象为大三学生，实验类型主要包括验证性和设计性实验，存储 器和总线实验，微程序控制单元实验，模型机的总体设计实验需要提交实验报告，实验报告 主要包括实验目的、要求和内容，数据的分析以及思考题的回答。实验评价内容和评分细那么 参见附录lo四、学时分配及教学方法章教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目 标课堂 教学实验上机课程 实践小计第1章概述44多媒体讲授、案 例、自学课程目标1、2第2章运算方法与运算器10212多媒体讲授、案 例、习题、实验课程目标1、2、3第3章存储器及存储系统12416多媒体讲授、案 例、设计、实验课程目标1、 2、 3、 4第4章指令系统8412多媒体讲授、案 例、设计、实验课程目标1、2、3第5章中央处理器12416多媒体讲授、案 例、设计、实验课程目标1、 2、 3、 4第6章系统总线224多媒体讲授、讨 论、自学、实验课程目标1 2、4合计481664五、课程考核1.课程考核方式包括期末考试、平时作业及阶段测试情况考核（其中包括笔记、大作业等）和实验情况考核。考核形式考核要求考核权重备注平时作业 及阶段测 试共将布置五次课后作业，主要考核学生对每节课知识点 的复习、理解和掌握度，计算全部作业的平均成绩再按 20%计入总成绩；可让学生查阅资料，了解本课程相关 技术开展情况，自主学习并完成。20%根据平时作业得 分取平均值或结 合平时测试情况实验完成5个实验，主要训练学生应用所学知识构建实验系 统，并进行实验的能力，最后按20%计入课程总成绩。20%评分细那么见附录1期末考试明确课程考核成绩由几个局部构成，考核的侧重点，相 对于知识单元（或课程的各个构成局部）大致的分数分 配。利用综合性题目将相关知识点串联起来。60%期末考试采用闭 卷笔试。六、参考书目及学习资料1 .白中英，计算机组成原理（2000.5版），科学出版社，2000.5版；.王爱英，计算机组成与结构（2001年版），清华大学出版社，2001年版；2 .唐朔飞，计算机组成原理（2000年版），高教出版社，2000年版；.王德新，计算机组成（1999年版），复旦大学出版社，1999年版；3 . David A. Patterson, Jone L.Hennessy著，康继昌,樊晓梗，安建峰等译，计算机组成与 设计（第4版），机械工业出版社，2012年. Randal E. Bryant, david R. O Hallaron著，龚奕利，雷迎春译,深入理解计算机系统 （第2版），机械工业出版社，2011年4 . Yale N.Patt, Sanjay J.Patel W，梁阿磊，蒋兴昌，林凌译。计算机系统概论（原书第2版）. 机械工业出版社，2007