《计算机组成原理》课程教学大纲（本科）

1、计算机组成原理（Computer Organization）课程编号：06410051学分：4学时：72 （其中：课堂教学学时：56,实验学时：16）先修课程：数字逻辑，电工电子学适用专业：计算机科学与技术教材：计算机组成原理，秦磊华等，清华大学出版社，2018年第2版一、课程性质与课程目标（一）课程性质计算机组成原理是高等学校计算机类专业的一门技术基础必修课。通过本课程的学习，培 养学生掌握计算机各大部件的基本组成、基本原理，各部件间的相互联系，以及各部件在整机中的 作用；培养学生具有初步的硬件系统分析、设计和使用的能力；并为学习后继课程、从事科学研究 和工程技术工作打下基础。（二）课程目标

2、1.知识方面课程目标1.1掌握计算机系统的基本组成，掌握计算机的性能指标。课程目标1.2掌握计算机中信息的表示方法。课程目标1.3掌握运算器的基本组成和基本原理。课程口标1.4掌握存储器的基本组成和基本原理。课程目标1.5理解指令系统的设计，掌握基本寻址方式，熟悉指令和汇编语言。课程目标1.6掌握控制器的基本组成和基本原理；掌握计算机主机的工作原理。课程目标1.7掌握RISC处理器的基本概念和基本原理；掌握指令流水线的基本原理。课程目标L8理解存储系统的层次和作用，掌握高速缓存和虚拟存储的基本组成和基本原 理。课程目标1.9掌握输入输出和系统总线的基本组成和基本原理。2.能力与素质方面实验1基

3、本逻辑电路I.实验目的(1)理解总线的三态传输特性；(2) 了解数字电路设计的基本方法；(3)掌握三态门电路等基本逻辑电路的HDL描述方法；2.实验要求(1)熟悉实验板，熟悉数字电路开发工具和仿真工具，熟悉实验调试工具；2)理解实验任务，对给定的基本逻辑电路实验模型，能够阅读并分析HDL代码，独立设 计验证方案并实施验证，分析实验现象，表述实验结论。实验2加减运算电路.实验目的(1)理解二进制加法，掌握补码与真值的对应关系；(2)理解使用加法器电路和辅助控制逻辑实现补码加减运算；(3)理解标志位的含义；(4)掌握加减运算电路的HDL描述方法；.实验要求(1)熟练使用实验板、数字电路开发工具及实

4、验调试工具；2)理解实验任务，对给定的加减运算电路实验模型，能够使用HDL进行加减运算电路的 描述，对完成后的电路能够独立设计验证方案并实施验证，分析实验现象，表述实验结论。实验3 ALU电路.实验目的(1)理解ALU控制编码；(2)理解使用加法器电路和移位寄存器实现补码乘2、除2运算；(3)理解ALU运算器结构；(4)掌握ALU运算电路的HDL描述方法；.实验要求(1)熟练使用实验板、数字电路开发工具以及实验调试工具；(2)理解实验任务，对给定的ALU运算电路实验模型，能够用HDL进行ALU电路描述， 对完成后的电路能够独立设计验证方案并实施验证，分析实验现象，表述实验结论。实验4数据通路1

5、.实验目的(1)理解运算器数据通路的组成结构；(2)掌握运算器数据通路中信息传递的控制过程；(3)掌握HDL与原理图混合输入的方式进行数据通路电路的描述；2 .实验要求(1)熟练使用实验板、数字电路开发工具以及实验调试工具；(2)理解实验任务，对给定的数据通路电路实验模型，能够用HDL与原理图混合输入的方 式进行电路描述，对完成后的电路能够独立设计验证方案并实施验证，分析实验现象，表述实 验结论。实验5主存储器.实验目的(1)理解CPU对存储器的读、写过程；(2)掌握使用HDL描述和IP核方式实现存储器电路的方法；.实验要求(1)熟练使用实验板、数字电路开发工具以及实验调试工具；(2)理解实验

6、任务，对给定的存储器电路实验模型，能够使用HDL描述和IP核方式进行主 存储器电路描述，对完成后的电路能够独立设计验证方案并实施验证，分析实验现象，表述实 验结论。实验6指令系统.实验目的理解JUC-II模型机数据通路；(2)理解JUC-II指令系统设计；(3)理解JUC-II指令集各条指令功能。.实验要求熟练使用实验板以及FPGA下载工具，学会使用JULAB实验调试软件调试汇编指令程 序；(2)理解实验任务，对给定的JUC-II硬件电路模型和指令系统，对JUC-II指令集中各条指 令，能够独立设计调试验证方案并实施验证，分析实验现象，理解指令功能，表述实验结论。 实验7微程序控制.实验目的(

7、1)理解微程序控制器的组成；(2)理解微程序控制器的时序；(3)理解微程序控制信号的产生原理；(4)能够使用HDL描述微程序控制器结构。.实验要求(1)熟练使用实验板、数字电路开发工具以及实验调试工具；(2)理解实验任务，对给定的微程序控制器结构，能够使用HDL进行控制器描述，能够独 立设计调试验证方案并实施验证，分析实验现象，表述实验结论。实验8硬布线控制.实验目的(1)掌握硬布线控制器的设计方法；(2)掌握硬布线控制器的HDL描述方法。.实验要求(1)熟练使用实验板、数字电路开发工具以及实验调试工具；(2)理解实验任务，对给定的数据通路，能够使用HDL进行控制器描述，完成对指令集中 各条指

8、令的执行，能够独立设计调试验证方案并实施验证，分析实验现象，表述实验结论。 实验9高速缓冲存储器.实验目的(1)理解高速缓存的结构和原理；(2)掌握直接映像方式的地址变换过程；(3)掌握访问和置换过程；(4)能够使用HDL描述高速缓存控制器。.实验要求(1)熟练使用实验板，FPGA下载工具以及JULAB调试软件；(2)理解实验任务，对给定的直接映像方式的高速缓冲存储器电路实验模型，能够使用HDL 进行高速缓存控制器设计，能够独立设计验证方案并实施验证，分析实验现象，表述实验结论。 实验10中断电路.实验目的(1)理解中断的基本概念；了解中断控制器的结构；(2)掌握中断请求、中断响应、中断处理的

9、过程；(3)掌握中断屏蔽在中断过程中的作用。(4)掌握中断排优电路和中断屏蔽的HDL描述方法。.实验要求(1)熟练使用实验板、数字电路开发工具以及实验调试工具；(2)理解实验任务，对给定的中断电路实验模型，能够使用HDL完成中断控制器排优和屏 蔽功能的描述，对完成后的中断电路制定验证方案并实施验证，分析实验现象，表述实验结论。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 计第一章概论325讲授法1.1, 2.1第一章信息表示33讲授法1.2第三章运算器8614讲授法、研究型教学方法1.3, 2.1, 2.2,2.3, 2.4, 2.5第四章

10、存储器729讲授法1.4, 2.1, 2.2,2.3, 2.4, 2.5第五章指令系统8210讲授法1.5, 2.1, 2.2,2.3, 2.4, 2.5第六章控制器729讲授法、演示法、 研究型教学方法1.6, 2.1, 2.2第七章RISC处理器77讲授法1.7, 2.1, 2.2,2.3, 2.4, 2.5第八章存储系统55讲授法1.8, 2.1, 2.2,2.3, 2.4, 2.5第九章输入输出8210讲授法1.9, 2.1, 222.3, 2.4, 2.5合计561672：1 .课程实践学时按相关专业培养计划列入表格；2.主要教学方法包括讲授法、讨论法、演示法、研究型教学方法(基于问

11、题、项目、案例 等教学方法)等。六、课程考核（一）考核方式考核形式考核要求考核权重备注平时作业、测试至少7次作业或测验15%实验8个实验15%期末考试闭卷70%注：1 .分学期设置和考核的课程应按学期分别填写上表。.考核形式主要包括课堂表现、平时作业、阶段测试、期中考试、期末考试、大作业、小 论文、项目设计和作品等。.考核要求包括作业次数、考试方式（开卷、闭卷）、项目设计要求等。.考核权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。七、参考书目及学习资料计算机组成原理（第二版），肖铁军等，清华大学出版社，2015年第2版。.计算机组成与设计：硬件/软件接口（原书第5版），美戴维A.帕特森等，机械工业

12、出版 社，2015年6月第1版。.Computer Organization and Design RISC-V Edition: The Hardware Software Interface，David A. Patterson, John L. Hennessy. Morgan Kaufmann. 2017.4.计算机组成与系统结构（第2版），袁春风，清华大学出版社，2015年第2版。5,计算机硬件系统设计原理，刘子良，高等教育出版社，2016年2月第1版。八、大纲说明.采用多媒体授课，运用讲授、启发式、案例式等多种教学手段。.课后需要完成一定数量的习题或测试，以加深学生对所学内容的理解

13、和掌握。.课程教学辅助资料发布在842T课程网，2017年8月20日 课程目标2.1具备计算机硬件系统和各组成模块的基本分析与设计能力。课程目标2.2能够综合运用计算机组成的基本原理和分析方法，对有关计算机硬件系统中 的理论和实际问题进行求解。课程目标2.3能够运用计算机组成原理的基本理论和知识，对计算机的功能部件进行分析、 研究，制定实验方案。课程目标2.4能够熟练使用开发、调试工具实施实验方案，观察实验现象并记录。课程目标2.5能够对实验结果进行分析、讨论，通过思考与总结得出结论，并能正确表述。（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专业培养计划中毕业要求指标点3-1, 3-

14、2, 5-3, 5-5o 1 .毕业要求3-1:具备对计算机领域复杂工程问题进行识别和有效分解的能力。.毕业要求3-2:具备对分解后的计算机领域复杂工程问题进行表达与建模的能力。.毕业要求5-3:能够基于计算机科学与技术原理并采用科学方法对计算机科学与技术领域复杂工程问题进行研究，制定实验方案。4.毕业要求5-5:能够对实验结果进行分析，并通过信息综合得到有效结论。求指标点 课程目焉毕业要求3-1毕业要求3-2毕业要求5-3毕业要求5-5课程目标1.1V课程目标1.2V课程目标1.3V课程目标1.4V课程目标1.5V课程目标L6V课程目标1.7V课程目标L8V课程目标1.9V课程目标2.1V课

15、程目标2.2V课程目标2.3V课程目标2.4V课程目标2.5V三、课程内容及要求第一章计算机系统概述本章支持课程目标：L1掌握计算机系统的基本组成，掌握计算机的性能指标；2.1掌握计算机 硬件系统和各组成模块的基本分析与设计方法。(-)课程内容.本课程的性质、目的、任务及学习方法.数字电子计算机发展简况.计算机系统的基本组成.计算机的主要性能指标.计算机的应用与发展趋向(二)教学要求了解本课程的性质、目的、任务及学习方法；了解计算机的发展历史、计算机的应用与发展趋向；了解计算机系统的层次结构，掌握计算机硬件的基本组成、计算机软件的分类和计算机 的基本工作过程；掌握计算机的主要性能指标及不同指标

16、之间的相互关系。(三)重点与难点.重点计算机系统的层次结构。.难点计算机的主要性能指标及相互关系。第二章信息表示本章支持课程目标：L2掌握计算机中信息的表示方法。(-)课程内容.数制与编码.数值数据的表示.非数值数据的表示.数据校验码（二）教学要求.掌握进位计数制，能够进行不同数制之间的转换；. 了解真值和机器数的概念，能够将真值表示为原码、反码、补码和移码形式的机器数， 或反之；.掌握定点数和浮点数的表示方法；能够理解C语言的数据类型在计算机中的表示；. 了解字符与字符串在计算机中的表示方法。（三）重点与难点.重点定点数和浮点数的表示。.难点C语言的数据类型在计算机中的表示。第三章运算方法和

17、运算器本章支持课程目标：1.3掌握运算器的基本组成和基本原理；2.1掌握计算机硬件系统和各组 成模块的基本分析与设计方法；2.2能够综合运用计算机组成的基本原理和分析方法，对有关计算 机硬件系统中的理论和实际问题进行求解。（一）课程内容.定点数的运算方法和运算电路.浮点数的运算方法和运算电路.运算器的组成与结构（二）教学要求.能够进行定点数的四则运算并分析运算结果是否溢出等特征，理解运算方法的硬件实现, 并根据运算电路的结构，分析数据加工的过程；.能够进行浮点数的四则运算并规格化；了解浮点数的加/减运算的硬件实现；.能够分析运算器数据通路的信息加工过程，具有初步的ALU和运算器数据通路的设计

18、能力。（三）重点与难点.重点运算方法和溢出判断。.难点运算方法的硬件实现。第四章存储器本章支持课程目标：1.4掌握存储器的基本组成和基本原理；2.1掌握计算机硬件系统和各组成 模块的基本分析与设计方法；2.2能够综合运用计算机组成的基本原理和分析方法，对有关计算机 硬件系统中的理论和实际问题进行求解。（一）课程内容.存储器的种类与主要性能指标.半导体随机存取存储器和芯片.非易失性半导体存储器.主存储器的组织.辅助存储器（二）教学要求1.理解存储器在计算机中的作用；了解存储器的性能指标；存储器的分类；2,理解SRAM和DRAM存储器的工作原理；掌握存储器芯片的外部特性，能够根据应用 需求选择合适

19、的存储器芯片；.掌握非易失性存储器的特点，能够根据应用场合选择合适的非易失性存储器；.掌握主存储器的组织方法，具有初步的设计能力。. 了解磁盘的工作原理。（三）重点与难点.重点主存储器的组织。.难点主存储器与CPU的连接。第五章指令系统及汇编语言本章支持课程目标：L5理解指令系统的设计，掌握基本寻址方式，熟悉指令和汇编语言；2.1掌 握计算机硬件系统和各组成模块的基本分析与设计方法；2.2能够综合运用计算机组成的基本原理 和分析方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行求解。（-）课程内容L指令格式.寻址方式.汇编语言（二）教学要求.掌握指令的基本格式与基本功能；.掌握基本寻址方式；.掌

20、握汇编语言的基本概念，能够读懂简单的汇编语言程序；（三）重点与难点.重点指令格式和寻址方式.难点不同寻址方式的理解第六章控制器和中央处理器本章支持课程目标：1.6掌握控制器的基本组成和基本原理；掌握计算机主机的工作原理；掌握 指令流水线的基本原理；2.1掌握计算机硬件系统和各组成模块的基本分析与设计方法；2.2能够综 合运用计算机组成的基本原理和分析方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行求解。（一）课程内容.控制器概述. CPU数据通路.指令执行流程.微程序控制器.模型机微程序控制器的设计（二）教学要求.掌握控制器基本组成，指令控制的基本概念，理解时序系统的基本概念，同步、异步控 制

21、方式；.掌握CPU数据通路的基本组成和信息加工处理的基本方法；.掌握指令流程的分析方法，能够依据数据通路分析信息加工的过程，也就是指令的执行 过程；.掌握微程序控制器的基本组成及工作原理；.理解控制器与运算器、存储器、指令系统的联系，能够综合运用寻址方式、指令执行流程、CPU数据通路等知识进行微程序设计；.掌握指令流水线的基本概念、性能指标和基本原理。（三）重点与难点.重点指令执行流程，微程序控制器.难点微程序设计第七章RISC处理器和流水线技术本章支持课程目标：1.7掌握RISC处理器的基本概念和基本原理;掌握指令流水线的基本原理； 2.1掌握计算机硬件系统和各组成模块的基本分析与设计方法；

22、2.2能够综合运用计算机组成的基本 原理和分析方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行求解。（-）课程内容.CISC和RISC的基本概念. RISC指令系统. RISC处理器的数据通路.硬布线控制器.指令流水线（二）教学要求. 了解RISC的基本思想；.通过典型RISC处理器（如MIPS、RISC-V） 了解RISC指令系统；.理解单周期、多周期处理器典型操作的数据通路；.了解硬布线控制器的基本组成和设计原理；.掌握指令流水线的基本概念、性能指标和基本原理。（三）重点与难点.重点RISC处理器的数据通路和典型操作；流水线的性能指标。.难点多周期流水线重叠执行。第八章存储体系本章支持课程目标：1.8理解存储系统的层次和作用，掌握高速缓存和虚拟存储的基本组成和基 本原理；2.1掌握计算机硬件系统和各组成模块的基本分析与设计方法；2.2能够综合运用计算机组 成的基本原理和分析方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行求解。（一）课程内容.高速缓冲存储器.虚拟存储技术.存储系统（二）教学要求.掌握高速缓存（Cache）的基本组成和工作原理，能够根据Cache和主存之间的映射方 式、Cache中主存块的替换算法，分析CPU访问主存时Cache的工作过程；.掌握虚拟存储器的基本概念，了解页式虚拟存储器、段式虚拟存储器和段页式虚拟存储