计算机组织与结构教学大纲-东南大学计算机科学与工程学院

计算机组织与结构教学大纲（课程编号： 学分-学时-上机：4-64-16）东南大学计算机学院一、课程的性质与目的本课程是计算机专业必修的一门主要的专业基础课。本课程系统地介绍计算机的组成结构及各组成部分的工作原理，其内容着重于基本概念、基本原理的学习，同时也体现最新的成果。通过学习本课程，培养学生初步建立计算机的整机概念，掌握计算机的五个功能部件的组成原理，逻辑实现、设计方法及其互连结构，并奠定良好的计算机硬件基础，为今后参加计算机系统的分析、设计、开发工作打下一个良好的基础。二、课程内容的教学要求第1章 计算机系统概论 1.1计算机系统简介：理解计算机软硬件在系统中的作用与关系，理解计算机系统的层次结构，理解计算机系统的结构、组成、实现三者之间的关系。1.2计算机系统基本组成：重点掌握冯诺依曼计算机模型原理，掌握计算机硬件的基本组成，重点掌握计算机系统的工作过程。1.3计算机系统的性能指标：掌握计算机系统的性能指标及与软硬件的关系，了解计算机系统的性能瓶颈及性能设计方法。1.4计算机系统发展历程：了解计算机系统及微型计算机软硬件发展历史及分类。第2章数据的表示和运算 2.1数据的编码：理解数制及相互转换方法，熟练掌握机器数及其原码、补码、反码编码方法及十进制编码方法，了解字符及字符串编码方法，掌握奇偶校验码、海明校验码及循环冗余校验码编码方法及校验原理，了解CRC校验码原理。 2.2数据的表示：重点掌握数值数据的表示方法，以及定点表示、浮点表示的格式及特征，理解非数值数据的数据表示方法及格式。 2.3定点数的运算：熟练掌握定点数的移位运算、加减运算方法，掌握运算溢出的处理方法及所需硬件配置，掌握定点数的乘法运算方法及所需硬件配置。 2.4浮点数的运算：掌握浮点数的加减运算过程，理解规格化数的概念。 2.5算术逻辑单元ALU：理解加法的串行及并行进位实现原理，了解ALU的功能与组成，掌握运算器的基本结构。第3章存储系统3.1存储系统概述：了解存储器的性能指标，理解程序访问局部性对提高存储器性能/价格的作用，掌握层次结构存储系统的组成及工作原理。3.2半导体存储器基础：掌握SRAM、DRAM芯片的结构与组成、读写周期，理解DRAM芯片的刷新方法，了解ROM结构与存储原理。3.3主存储器：理解主存储器的组成及CPU的相关信号线，熟练掌握利用MEM芯片组成主存储器的方法(容量扩展方法)，掌握主存储器与CPU 的连接方法，了解提高访问存储器性能的硬件组织方法（多体/高性能/双端口存储器）。3.4高速缓冲存储器：掌握Cache的结构与组成原理，理解Cache的工作流程，掌握Cache组成的地址映像及变换方法、替换算法、写策略的原理与性能，了解提高Cache性能的相关技术。3.5虚拟存储器：理解虚拟存储器的工作原理，掌握段式、页式、段页式虚拟存储器的存储管理方法，了解虚拟存储器的实现原理及工作全过程。第4章指令系统 4.1指令系统组成：深入理解指令系统与软硬件的关系，掌握指令功能相关参数与指令格式的组成，理解软硬件对指令字的要求及指令字的种类。 4.2数据存放与寻址方式：理解不同长度数据在REG、MEM中的存放方式及地址表示，掌握堆栈存取方式及堆栈的实现及操作方法，熟练掌握指令及数据寻址方式的寻址过程及形式地址组成。 4.3指令格式举例：了解指令系统的设计目标，通过分析Pentium及PowerPC指令系统，理解指令系统的组成及优化手段。 4.4指令系统发展：了解CISC及RISC产生原因，掌握RISC的设计目标及实现手段。第5章 中央处理器5.1 CPU的功能与结构：理解CPU的功能及基本结构，了解指令周期与CPU工作流程的组成，掌握指令执行过程、CPU基本操作及微操作的相互关系，了解CPU内部数据通路的组织方法，熟练掌握单总线通路的各种指令执行过程的微操作步序列组成。5.2控制器的组成与工作原理：理解CPU功能实现需求与控制器的功能，理解控制器的基本结构与分类，掌握时序系统组成原理及与CPU工作流程的关系，了解信号时序的三种控制方式原理，理解微操作实现与微操作命令的关系，掌握微操作控制信号形成原理、及与微操作命令有效条件的关系。5.3硬布线控制器：了解组合逻辑控制器的设计步骤，能够根据要求进行具体设计。5.4微程序控制器：理解微程序控制思想及微程序组成，掌握微程序控制器的组成及工作原理，了解微指令格式及其编码方法，理解各种微地址形成方法，了解微程序控制器的设计步骤并能够根据要求进行具体设计。5.5 CPU举例：了解Intel 8086/8088 CPU的参数与CPU结构的相互关系，理解8086/8088 CPU的基本组成与CPU组成原理的对应程度，理解实地址模式存储管理的实现方法，了解控制器的实现方法。5.6指令流水技术：掌握流水线的基本原理及实现要求，了解流水线的性能指标，理解流水线的三种相关解决方法，了解提高流水线性能的方法。第6章 总线 6.1总线概述：了解总线的分类方法、特性及总线性能指标。 6.2总线传输与控制：理解总线传输的基本步骤，掌握几种集中式总线仲裁原理、连接及信号线需求，掌握总线传输步骤的定时方法、信号线需求，了解常见的总线标准。 6.3总线互连结构：理解单总线、多总线互连的目标、结构与特点，了解总线互连时接口部件的操作实现方法。第7章 输入输出系统 7.1 I/O系统概述：理解I/O系统的基本组成，连接I/O设备与主机的连接方式、编址及寻址方法，理解I/O设备与主机的几种传送控制方式的基本思想。 7.2外部设备：理解I/O设备的基本结构，了解几种输入、输出设备的组成及工作原理，掌握磁盘存储器组成、信息记录格式、操作步骤及性能指标，理解光存储器记录原理。 7.3 I/O接口：了解I/O接口的功能及I/O端口概念，理解I/O接口的硬件组成及工作原理，了解I/O指令格式组成。 7.4程序查询方式：掌握程序查询方式的传送控制原理、流程及编程方法，理解对I/O接口相应工作方法的要求，掌握无条件传送控制的编程方法。 7.5程序中断方式：掌握中断的基本概念，理解中断的分类方法，重点掌握中断过程各阶段的功能、硬件实现方法，理解中断过程对I/O接口硬件组织的要求、及I/O接口的工作原理，掌握不同I/O中断请求连接方式的相应判优方法，了解中断控制器及中断系统的组成，掌握中断嵌套及中断屏蔽的概念。 7.6 DMA方式：掌握DMA方式的思想及传送过程，理解DMA的三种传送方式及工作过程，掌握DMA接口的基本组成及数据传送过程，了解不同功能DMA接口的基本组成。 7.7通道方式：理解通道的功能及基本组成，了解通道的工作过程及种类。三、上机实习要求本课程进行3个部件实验：总线、半导体静态存储器实验；运算器数据通路实验；数据通路实验，它们是为课程设计整机实验而准备的。学生通过这些实验可积累一些实验经验和技巧，熟悉一些中、大规模集成电路的使用方法，提高逻辑设计能力，为整机实验打下基础。四、能力培养的要求1. 分析能力的培养：主要是对计算机各功能部件组成原理及技术进行分析的能力的培养，同时关注新技术在现代计算机上运用的意义。2. 计算能力的培养：要求学生通过本课程的学习，具备对计算机中各种常用的算术运算算法的掌握以及各个部件常用的性能指标的计算。3. 自学能力的培养：通过本课程的教学，要培养和提高学生对所学知识进行整理、概括、消化吸收的能力，以及围绕课堂教学内容，阅读参考书籍和资料，自我扩充知识领域的能力。4. 表达能力的培养：主要通过作业，清晰、整洁地表达自己解决问题的思路和步骤的能力。5. 创新能力的培养：培养学生独立思考、深入钻研问题的习惯，和对问题提出多种解决方案、选择不同实现方法，以及对各种技术进行评价和举一反三的能力。五、建议学时分配课 程 内 容讲 课习题课或课堂讨论实 验上 机计算机组织与结构58616计算机系统概论 4数据的表示和运算1114存储系统 1114指令系统31中央处理器 1224总