《计算机组成原理》教学大纲.doc

计算机组成原理课程教学大纲任课教师：阳德青总学时数：64学分：4一、课程的任务和作用通过学习本课程，掌握计算机系统各部件的组成，最终达到从系统的角度、整机的角度完整、准确的理解和掌握计算机系统的组成原理与内部运行机理，为学习其它计算机专业课程打下一个良好的基础。本课程的理论教学主要从计算机系统概论、运算器和运算方法、存储系统、指令系统、中央处理器、总线系统、外围设备和输入输出设备等几个方面讲解计算机的基本组成，基本原理和基本的设计方法，培养学生在硬件系统的分析、设计、开发、使用和维护方面的能力，使学生建立比较清晰的整机概念。二、课程教学的基本要求1掌握数字化信息编码及运算方法，运算器的逻辑构成；2熟悉半导体存储器、磁表面存储器基本原理，掌握存储体系构成；3掌握寻址和指令系统；4熟悉中央处理器组成、时序控制方法；5熟悉系统总线和I/O系统。三、各章知识点的教学内容、重/难点、学时分配及考核要求考核要求以各知识点的掌握程度等级来划分，共分为4个等级：认识了解*理解领会*深入掌握*综合应用*第一章 计算机系统概论（3学时）教学内容：计算机软硬件概念、计算机系统的层次结构、计算机的基本组成、冯.诺依曼计算机的特点、计算机的硬件框图及工作过程、计算机硬件的主要技术指标和本书结构及学习指南。教学要求：了解计算机内部的工作过程；了解计算机发展的五个阶段及每个阶段的特点；掌握冯诺依曼计算机的结构和工作原理。重点：计算机的组成、层次结构、计算机硬件的性能指标考核要求:1.1计算机系统基本组成和层次结构*1.1.1计算机软硬件概念1.1.2计算机系统的层次结构1.1.3计算机组成和体系结构1.2计算机系统的组成与实现 *1.2.1冯诺依曼计算机的工作原理和特点1.2.2计算机的硬件组成1.2.3计算机的工作步骤1.3计算机硬件的性能技术指标*1.3.1机器字长1.3.2存储容量1.3.3预算速度第二章 计算机的发展及应用（3学时）教学内容：计算机的产生、发展及在各个不同领域的应用状况。教学要求：了解到从1946 年ENIAC 诞生到二十世纪五、六十年代计算机的元器件发展变化（由电子管晶体管集成电路），熟悉计算机的应用领域。重点：计算机的产生、发展及在各个不同领域的应用状况考核要求：2.1计算机的发展过程*2.1.1计算机的产生和发展2.1.2软件技术的发展2.2计算机的应用领域*2.2.1科学计算和数据处理2.2.2工业控制2.2.3网络技术2.2.4信息管理2.2.5自动化设计2.2.6多媒体和人工智能第三章 系统总线（8学时）教学内容：总线的基本概念、总线的分类、总线特性及性能指标、总线结构和总线的判优控制及通信控制。教学要求：了解系统总线的概念；掌握计算机系统的三大总线特点，系统总线的发展和总线的结构。重点：系统总线的发展状况和总线的结构难点：总线的通信控制考核要求：3.1总线的概念和分类*3.1.1总线基本概念3.1.2总线的分类3.2总线特性及性能指标*3.2.1总线特性3.2.2总线性能指标3.2.3总线标准3.3总线的结构*3.3.1单总线结构3.3.2多总线结构3.4总线的控制和通信方式*3.4.1总线控制3.4.2总线通信第四章 存储器（9学时）教学内容：存储器分类和存储器的层次结构；主存储器（包括半导体存储芯片简介、静态随机存取存储器和动态随机存取存储器、只读存储器、存储器与CPU 的连接、存储器的校验、提高访存速度的措施）；高速缓冲存储器（包括Cache 的基本结构及工作原理、Cache-主存地址映像、替换算法）；辅助存储器（包括辅助存储器的特点及主要技术指标、磁记录原理和记录方式、磁盘存储器的结构、光盘存储器的存取原理等等）。教学要求：了解存储器的分类；掌握存储器的半导体存储芯片的基本组成；理解存储器与CPU之间的数据传送方式；掌握计算机存储体系结构（Cache-主存和主存-辅存）；了解常见的辅助存储器和Cache，以及存储器的工作原理。重点：存储器工作原理，计算机存储体系结构（Cache-主存和主存-辅存）难点：Cache-主存地址映射考核要求：4.1存储器系统的层次概述*4.1.1存储器分类4.1.2存储器的层次结构4.2主存储器存储原理和特点 *4.2.1半导体存储芯片介绍4.2.2随机存取存储器4.2.3只读存储器4.2.4存储器与CPU的数据传送4.2.5存储器校验4.3高速缓冲存储器（Cache）* 4.3.1Cache-主存地址映射4.3.2替换策略4.4外存储器芯片和与磁盘阵列技术*4.4.1磁记录原理和方式4.4.2硬盘存储器4.4.3软盘存储器4.4.4磁带存储器4.4.5循环冗余校验码4.4.6光盘存储器第五章 输入输出系统（9学时）教学内容：输入输出系统的发展概况及组成、I/O 与主机的编址方式、传送方式、联络方式以及设备寻址；外部设备分类及简介、I/O 接口的功能及基本组成；程序查询方式的工作原理及程序查询接口电路；程序中断方式的工作原理及程序中断接口电路、中断服务流程；DMA 方式的特点、DMA 接口电路的功能、组成、类型及DMA 的工作过程。教学要求：了解输入输出设备的寻址方式及数据传送的控制方式；了解接口的基本功能和类型；掌握主机与I/O 交换的三种控制方式(程序查询、程序中断和DMA)，以及它们各自所需的硬件及软件支持。重点：输入输出系统功能和工作原理，程序中断，DMA难点：周期窃取的含义，CPU 响应中断和允许周期挪用的时间考核要求：5.1输入输出系统的概念 *5.1.1I/O系统的组成5.1.2I/O设备与主机的联系方式5.1.3I/O设备与主机的信息传送方式5.2输入/输出设备 *5.2.1输入设备5.2.2输出设备5.2.3其它I/O设备和多媒体技术5.3系统I/O接口 *5.3.1接口的功能和组成5.3.2接口的类型5.4程序查询方式*5.4.1程序查询流程5.4.2程序查询方式的接口电路5.5程序中断方式 *5.5.1中断的概念5.5.2程序中断方式的接口电路5.5.3I/O中断的产生和处理过程5.5.4中断服务程序的流程5.6直接存储器存取（DMA）方式 *5.6.1DMA方式的特点5.6.2DMA接口的类型、功能和组成5.6.3DMA的工作过程第六章 计算机的运算方法（10学时）教学内容：计算机中有符号数（原码、补码、反码、移码）和无符号数的表示；计算机中数的定点表示和浮点表示；定点运算（算术移位和逻辑移位、补码加减、原码补码乘法、原码补码除法）及相应的硬件配置；浮点四则运算和算术逻辑单元及进位链。教学要求：掌握计算机中有符号数、无符号数、定点数和浮点数的各种数字化信息编码表示，以及移位、定点补码加减运算、定点原码一位乘和两位乘及补码Booth 算法、定点原码和补码加减交替除法；熟悉浮点运算与运算规则。了解运算器部件的组成和设计。重点：移位、定点补码加减运算，定点原码一位乘和两位乘及补码Booth 算法难点：溢出判断，浮点运算，符号位的处理考核要求：6.1数字化信息编码的概念和二进制编码知识 *6.1.1无符号数6.1.2有符号数6.2二进制数值的机内表示*6.2.1定点表示6.2.2浮点表示6.2.3定点数与浮点数比较6.2.4表示举例 6.3定点运算*6.3.1移位运算6.3.2加/减法6.3.3乘/除法6.4浮点运算*6.4.1浮点加/减法6.4.2浮点乘/除法6.5算术逻辑单元 *6.5.1ALU电路6.5.2快速进位链第七章 指令系统（8学时）教学内容：机器指令的一般格式和相关概念；操作数类型和操作类型；指令的地址格式和寻址方式；指令格式举例；RISC 技术。教学要求：熟练掌握指令的寻址方式对操作数寻址范围以及对编程的影响；掌握不同的寻址方式所要求的硬件和信息的加工过程；了解RISC 的主要特点及其与CISC 的区别。重点：指令系统，寻址方式，RISC 的主要特点及其与CISC 的区别难点：设计指令格式的方法，寻址方法和地址格式的运用考核要求：7.1机器指令系统概述 *7.1.1指令格式7.1.2指令字长7.2操作数类型和操作类型*7.2.1操作数类型7.2.2数据在存储器中的存放方式7.2.3操作类型7.3指令寻址和数据寻址*7.3.1指令寻址7.3.2数据寻址7.4指令格式举例*7.4.1指令格式举例7.4.2指令格式设计举例7.5RISC技术*7.5.1RISC的产生与发展7.5.2RISC的特征7.5.3RISC与CISC第八章 CPU 的结构和功能（7学时）教学内容：CPU 的功能及结构框图；指令周期；指令流水；中断系统（包括引起中断的各种因素，中断系统所需解决的共性问题，如中断请求标记、中断判优、中断响应、中断服务、中断返回、多重中断等）。教学要求：了解CPU 的功能和内部结构；掌握机器完成一条指令的全过程；掌握中断技术在提高整机效能方面所起的作用；了解开发系统的并行性；掌握控制方式及时序控制。掌握控制器组成及CPU控制流程；熟悉流水线处理机的基本机理及工作过程。重点：机器完成指令的全过程，中断技术在提高整机效能方面所起的作用难点：指令流水线的基本工作原理，程序中断技术考核要求：8.1CPU的功能和结构*8.1.1CPU功能8.1.2CPU结构8.1.3CPU的寄存器、控制单元和中断系统8.2指令周期和数据流*8.2.1指令周期的概念8.2.2指令周期的数据流8.3指令流水*8.3.1指令流水原理8.3.2流水性性能8.3.3流水线的多发技术8.3.4流水线结构8.4中断系统*8.4.1中断请求标记和响应排队8.4.2中断服务程序寻址8.4.3中断响应8.4.4中断屏蔽第九章 控制单元（4学时）教学内容：微操作命令的分析（按取指周期、间指周期、执行周期和中断周期分析不同指令的微操作命令）；控制单元的外特性；多级时序系统；控制方式；控制信号的实例分析。教学要求：理解控制单元为完成不同指令所发出的各种操作命令，以及指令周期；掌握机器周期、时钟周期与操作命令的关系。重点：控制单元的各种操作命令，以及指令周期、机器周期、时钟周期与操作命令的关系难点：CPU 的控制方式，微操作命令的分析及多级时序系统设计考核要求：9.1微操作命令的分析*9.1.1取指周期9.1.2间址周期9.1.3执行周期9.1.4中断周期9.2控制单元的功能*9.2.1控制单元的外特性9.2.2多级时序系统9.2.3控制方式9.2.4实例分析第十章 控制单元的设计（3学时）教学内容：组合逻辑设计：组合逻辑控制单元框图、微操作节拍安排、组合逻辑设计举例；微程序设计：微程序控制单元框图及工作原理、微指令的编码方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序设计举例。教学要求：掌握控制单元的两种设计方法；理解组合逻辑控制器和微程序控制器在设计思想、硬件组成及