《计算机组成原理》课程教学大纲

《计算机组成原理》课程教学大纲一、课程概述课程名称计算机组成原理英文名称PrincipleofComputerOrganization课程性质专业必修课课程代码22124017总学时64学时理论48学时+实验16学时学分3.5开课学期第四学期先修课程电路与电子技术、数字电路与逻辑设计适用专业计算机科学与技术开课单位计算机与电气工程学院课程简介本课程是“计算机科学与技术”、“软件工程”和“网络工程”等专业学生的一门核心专业基础课，是全国研究生入学考试的必考课程，在整个学科体系中起着承上启下的作用。课程基于单处理器计算机系统讲解硬件系统中各部件的组成结构、工作原理、设计思路、逻辑实现方法及相关关系，使学生掌握计算机系统的层次化结构概念、数据通路概念以及数据流和控制流两大信息流在计算机内的有序流动，弄清硬件与软件之间的接口界面，最终建立一个完整的计算机系统的整机概念，从而培养学生对计算机硬件系统的分析、设计能力，提高学生的创新能力，为后续课程的学习准备必要的底层硬件和计算机系统方面的基础知识。课程的工程性、实践性和技术性比较强，因此，课程强调通过实践环节的训练，培养学生的工程实践能力。三、课程目标课程目标1（对应指标点1.4）：熟悉计算机各功能部件的基本组成及工作原理，掌握计算机的工作过程及各部分之间的联系，建立起完整清晰的整机概念，为后续课程学习奠定良好的基础。课程目标2（对应指标点2.3，3.2）：在对硬件系统深刻理解的基础上，掌握计算机整机系统的基本分析和设计方法，具备运用计算机组成概念对计算机硬件系统进行分析和设计的能力。课程目标3（对应指标点3.2，5.2）：通过课程学习和实践，全面培养学生对计算机系统的认知能力、分析解决问题的能力和系统设计与创新能力以及团结协作的团队精神。四、毕业要求与课程目标的关联矩阵表4-1课程目标对毕业要求指标点的支撑毕业要求指标点（参照各专业培养方案要求）课程目标1231.4能够将计算机专业知识和数学模型用于计算机应用领域解决方案的评价、比较和综合。M2.3能认识到解决计算机复杂工程问题有多种解决方案可选择，能够通过文献研究，比对多种可能的解决方案和技术路线，寻求可替代的解决方案；M3.2在需求分析基础上实现单元模块或算法设计，并测试正确性，能根据结果进行评价；HM5.2在计算机应用领域复杂工程问题求解过程中能够正确选择与使用恰当的仪器、信息资源、工程工具和专业模拟软件，对复杂工程问题进行分析、计算与设计；H注：用“√”方式描述课程目标与毕业要求指标点的支撑关系。五、教学内容、实施方法和手段表5-1教学内容与进度要求章节小节内容要求具体要求学生成果目标学时第一章计算机系统概论1.1计算机系统简介认知了解计算机系统软件硬件基本概念、层次结构了解计算机系统的层次结构121.2计算机的基本组成对冯・诺伊曼计算机基本组成概要的认识，初步认识计算机内部的工作过程。了解计算机组成框图1.3计算机硬件的主要技术指标了解计算机硬件的主要技术指标如何评价系统性能第二章计算机的发展及应用2.1计算机的发展史认知了解计算机的产生、发展的简要历史，目前的应用领域和展望了解计算机换“代”的依据、摩尔定律122.2计算机的应用2.3计算机的展望第三章系统总线3.1总线的基本概念认知总线概念、功能，信息传送方式（串行和并行）了解总线概念、串行/并行通信123.2总线的分类理解区分片内总线、系统总线、通信总线区分三类总线13.3总线特性及性能指标分析了解总线特性、性能指标及常用总线标准会计算总线数据传输率、带宽13.4总线结构认知单总线、多总线结构，总线结构举例了解总线的不同连接方式及特点123.5总线控制理解判优控制（链式查询、计数器定时查询、独立请求方式）和通信控制（同步、异步、半同步、分离式）掌握总线判优控制和通信控制特点及原理1第四章存储器4.1概述理解存储器分类，存储系统层次结构的概念，了解缓存-主存（提高速度）和主存-辅存层次（扩大容量）的作用理解存储系统层次结构的原理和特点114.2主存储器分析半导体存储芯片的外特性以及与CPU的连接会设计存储系统（字、位扩展）234.3高速缓冲存储器程序访问的局部性原理与存储系统层次结构的关系。会分析三种主存-缓存地址映射方式22第五章输入输出系统5.1概述理解I/O系统组成、I/O设备和主机的联系方式（程序查询、程序中断和DMA）三种方式CPU工作效率比较10.55.2I/O设备认知常用的键盘、显示器、打印机等设备与主机信息交换的方式了解它们如何与主机通信115.3I/O接口接口的功能和组成、分类了解接口的功能和组成、分类11.55.4程序查询方式理解理解程序查询方式原理和步骤掌握三种控制方式特点以及各自所需的硬件及软件支持215.5程序中断方式理解程序中断方式原理和步骤、中断向量的概念、单重中断和多重中断的服务流程215.6DMA方式理解DMA与主存交换数据的三种方法各自的特点。21第六章计算机的运算方法6.1无符号数和有符号数理解机器数与真值的区别、数的符号表示、小数点表示、各种机器数(原码、补码、反码、移码)的应用场合及其与真值的相互转换掌握数的表示和相互转换20.56.2数的定点表示和浮点表示给定机器字长，定点和浮点中各种机器数的表示范围理解数的表示方法和范围20.56.3定点运算理解移位运算的特殊作用，不同机器数的移位规则。能进行定点补码加、减（溢出判断），原码一位乘法运算能进行简单运算226.4浮点四则运算掌握浮点补码加减运算、规格化、溢出判断能进行简单运算226.5算术逻辑单元理解ALU电路功能，了解如何提高运算器的速度（快速进位链的设计）理解ALU功能，了解快速进位链的设计21第七章指令系统7.1机器指令分析理解机器指令的一般格式以及指令字中各字段的作用，理解扩展操作码技术能按要求设计指令系统227.2操作数类型和操作类型认知操作数类型、数据在存储器中的存放方式、操作类型了解指令操作数类型和操作类型217.3寻址方式分析理解不同的地址格式对访存次数、寻址范围的影响理解不同的寻址方式对操作数的寻址范围、所需的硬件支持、信息加工流程以及编程的影响会分析如何得到操作数，有效地址（EA）的形成227.4指令格式举例认知设计指令格式考虑的因素了解常见的几种指令格式20.57.5RISC技术RISC的主要特点及其与CISC的区别会对比RISC和CISC20.5第八章CPU的结构和功能8.1CPU的结构认知了解CPU的内部结构、功能和硬件组成了解CPU的内部结构和功能218.2指令周期理解理解指令周期的基本概念、数据流理解CPU工作周期和指令周期的概念228.3指令流水掌握指令流水技术理解指令流水原理218.4中断系统分析理解中断系统的原理和步骤会分析中断屏蔽字和优先级22第九章控制单元的功能9.1微操作命令的分析分析理解不同的指令控制单元应发出哪些不同的操作命令。控制单元在不同指令的取指、间址和中断周期中发出哪些相同的操作命令（控制信号）会分析指令对应的控制信号329.2控制单元的功能掌握多级时序系统的作用、控制单元的控制方式。会计算指令周期、机器周期、时钟周期32第十章控制单元的设计10.1组合逻辑设计综合能结合时序系统的概念，对不同指令相应的微操作命令安排节拍。掌握组合逻辑控制单元的设计思想、设计步骤、硬件组成及其工作原理。能分析得到微指令的控制方式(编码方式)及后续微指令地址的形成方式。3210.2微程序设计掌握微程序控制单元的设计思想、设计步骤、硬件组成及其工作原理，比较两种控制单元微操作命令节拍安排的区别能确定微指令格式,编写微指令的码点34表5-2实验教学内容与进度要求序号实验/上机项目实验内容与方法实验类型学时必做/选做课程目标1全加器实验掌握全加器的逻辑结构和电路实现方法验证2必做12运算器实验掌握算术逻辑运算功能发生器74LS181的组合功能验证2必做13存储器实验掌握静态随机存取器RAM6116的工作特性及数据读写方法验证2必做14总线与微命令实验理解总线的概念和作用，掌握微命令和微操作的概念和设计设计2必做25累加器实验理解累加器的概念和作用，掌握使用微命令执行各种操作的方法设计2必做26程序计数器实验理解程序计数器的作用，掌握使用微命令通过程序计数器从存储器读取指令和数据的方法设计2必做27微程序控制器实验掌握指令操作码与控制存储器中微程序的对应方法，熟悉根据指令操作码从控制存储器中读出微程序的过程。设计2必做38简单模型机实验通过总线将微程序控制器和运算器、存储器等连接，组成一台简单模型机综合2必做3表5-3课堂分组讨论教学内容序号讨论内容讨论时间分组人数课程目标1指令格式分析，指令寻址方式和操作数寻址方式15-20分钟3-532指令执行的步骤及执行原理，控制信号如何控制计算机各部件工作15-20分钟3-53六、课程思政表6-1课程思政案例序号案例名称所属章节/实验实践项目案例教学目标、原理案例教学内容1存储系统层次结构第四章存储器目标：计算机组成的发展规律、设计方法学原理：内因与外因、整体与部分、矛盾分析存储系统层次结构由寄存器、Cache、主存、磁盘、光盘、磁带等不同的存储介质组成。每一种都有缺点，但是组合在一起作为一个整体，可以达到速度快、容量大、价格便宜的要求。2RISC设计思路第七章指令系统目标：计算机组成的发展规律、设计方法学原理：矛盾分析、内因与外因RISC的设计初衷针对CISC

CPU复杂的弊端，选择一些可以在单个CPU周期完成的指令，以降低CPU的复杂度，将复杂性交给编译器。3美国制裁中兴、华为事件第八章CPU的结构和功能目标：计算机组成的价值评判原理：矛盾分析、内因与外因、价值观、人生观只有从源头上掌握芯片核心技术，从设计到制造都有自主知识产权，才能不受制于人。落后就要挨打。注：课程思政案例每门课程根据课程内容实际情况加设，每门课程至少3-5个。七、考核及成绩评定方式1.课程考核方法为了易于课程目标的达成评价，要求考试考核内容针对课程目标设计，本课程考核采用分课程目标对应的模块化考核方法。课程考核及各模块的命题须经课程责任教授、专业负责人、学院教学指导委员会根据《湖南文理学院考试命题质量分析及合理性评价审核表》，就考核内容是否体现能力要素考核、与课程目标要求的能力要素一致性、与教学内容相匹配度等进行审核。各模块考核成绩评价对应课程目标达成情况，各课程目标达成的期望值设定为0.7，课程总成绩与各课程目标的权重及组成如表7-1所示。表7-1课程目标的权重课程目标1课程目标2课程目标3课程总成绩0.330.330.34100分2.考核内容及方式考核内容和考核方式见表7-2。表7-2考核内容和方式与课程目标的对应关系课程目标考核内容考核方式1.熟悉计算机各功能部件的基本组成及工作原理，掌握计算机的工作过程及各部分之间的联系，建立起完整清晰的整机概念，为后续课程学习奠定良好的基础。针对计算机系统中的复杂工程问题，运用所学的基础知识和基本原理，建立数学模型，提出解决方案，并完成分析、比较等。课堂测试实验期末考试2.在对硬件系统深刻理解的基础上，掌握计算机整机系统的基本分析和设计方法，具备运用计算机组成概念对计算机硬件系统进行分析和设计的能力。实验预习报告中关于实验原理和实验步骤的撰写等；实验过程中的分析设计能力；实验报告中实验方案的设计、实验数据的记录、处理和分析等。实验期末考试3.通过课程学习和实践，全面培养学生对计算机系统的认知能力、分析解决问题的能力和系统设计与创新能力以及团结协作的团队精神。针对计算机系统中的实际问题，进行分析、设计、验证，并能根据原理提出改进思路。实验分组讨论期末考试3.成绩评定方法考核成绩评定方法和成绩分配见表7-3。表7-3考核成绩评定方法表成绩分配评价环节实验（40%）8个实验，针对目标1、2、3进行考核，每个实验100分，计算平均值，乘以40%计入总成绩；课堂测试（10%）3-5次测试，针对课程目标1进行考核，每次100分，计算平均值，乘以10%计入总成绩；分组讨论（10%）2-3次，针对课程目标3进行考核，每次100分，计算平均值，乘以10%计入总成绩；期末考试（40%）期末考试：闭卷笔试，120分钟，满分100分。针对目标1、2、3进行考核，乘以40%计入总成绩；4.成绩评定标准实验成绩评定标准见表7-4。表7-4实验成绩评定标准课程目标评分标准（分）90-100（优）80-89（良）70-79（中）60-69（及格）0-59（不及格）1,2,3独立完成实验，并能解决实验过程中出现的问题；能够独立完成预习报告的撰写，内容全面；能够详细记录实验过程，对实验数据进行正确分析、讨论，并能得到有效结论。独立完成实验，并能解决实验过程中出现的部分问题；能够独立完成预习报告的撰写，内容比较全面；实验过程记录比较详细，分析、讨论比较得当，并能得到有效结论。在同学、老师的帮助下完成实验步骤；能够独立完成预习报告的撰写，内容基本全面；实验过程记录基本详细，分析、讨论基本得当，能够得到部分有效结论。在同学、老师的帮助下完成实验步骤；能够独立完成预习报告的撰写，内容不够全面；实验过程记录不够详细，分析、讨论不够得当，实验结论不够合理。未做实验或未交实验报告5.