《计算机组成与系统结1》课程教学大纲

《计算机组成与系统结构》课程教学大纲课程代码：ABXX0408课程中文名称：计算机组成与结构课程英文名称：ComputerOrganizationandSystemArchitecture课程性质：必修课程学分数：3.5学分课程学时数：56学时其中理论学时：44学时实验学时：12学时授课对象：计算机科学与技术专业（卓越）本课程的前导课程：数字逻辑，汇编语言、操作系统原理一、课程简介《计算机组成与系统结构》是计算机科学与技术专业本科生的一门专业主干课程，课程围绕计算机硬件系统的基本组成和工作原理，系统地讲述计算机硬件系统及其部件的内部结构、功能特征、工作原理、交互方式和基本设计方法，同时通过课堂讲授、课程实验相结合的方式，使学生系统地理解计算机硬件系统的组织结构与工作原理，掌握计算机硬件系统的基本分析与设计方法，为进一步学习后续课程，培养对计算机软硬件系统的认知、设计与创新能力奠定良好的基础。二、教学基本内容和要求第一章计算机系统概论课程教学内容：本章是学习计算机的分类和应用，计算机的硬件、软件组成及发展，计算机系统的层次结构，计算机系统、组成、实现的概念，计算机系统结构的分类。目的是让学生对计算机的组成与结构有一个全面的概括的了解。了解：硬件和软件的概念、计算机组成和计算机体系结构的不同。熟练掌握：计算机系统的层次结构；准确画出计算机的硬件框图，并能解释其工作的过程；能深刻理解硬件的主要技术指标，并用这些技术指标描述常见硬件的性能。重点：计算机的基本硬件组成、计算机的工作过程、硬件的主要技术指标第二章计算机的运算方法课程教学内容：本章主要讲述了数的表示、定点/浮点数的基本运算方法、ALU电路的设计。目的在于使学生了解计算机的基本运算过程。数据在计算机里的存储格式、定点浮点的表示方法、汉字与字符串的表示、数据校验码；补码的加减运算、溢出测试及解决办法、基本的二进制加法器、十进制加法器；定点原码乘法、定点补码并行乘法；定点原码除法运算、并行除法器；ALU原理、内部总线、定点运算器的基本结构；浮点加减法运算、浮点乘除法运算。具体的教学中应注意引导学生如何用简单的运算步骤实现复杂的运算，培养学生分解复杂运算的能力。理解：数的符号表示、数的定点与浮点表示熟练掌握：定点的加减法运算、定点的乘法运算、浮点的加减运算、ALU电路中的快速进位链设计。重点：定点数和浮点数的表示法及其使用，定点运算器的功能、组成、设计与实现技术，浮点运算器的组成。难点：浮点数的表示，校验码的作用和实现原理，ALU运算器的组成、控制方法、工作原理第三章存储器课程教学内容：本章讲述了计算机系统中几乎所有存储器的基本原理。存储器的分类、分级结构以及存储器的技术指标；SRAM、DRAM存储器组成，高性能的存储器；只读存储器和闪速存储器的原理；高速存储器中的双端口存储器、多模块存储器以及相联存储器；cache的基本原理、主存与cache的地址映射以及cache的替换策略与写操作；。目的在于使学生能对存储器的层次结构有一个较为深刻的认识，对常见的存储器的工作原理有一个初步的认识，并能基于各种存储颗粒进行存储体的设计。理解：磁记录设计的工作原理、光存储介质的工作原理、提高存储体访问速度的一般措施。熟练掌握：存储器的概念、存储器的主要性能指标、存储器的分类、存储器层次结构的概念、RAM/ROM芯片的外部逻辑特性；海明码/CRC码的编码、解码与检错的工作过程。能进行简单的CACHE的地址映象方法设计。能针对不同型号的CPU与存储颗粒进行存储体的设计。能针对不同存储器的工作原理的各工作环节，说出可能的故障现象。重点：存储器层次结构，主存储体设计，高速缓冲存储器的组成和运行过程。难点：主存储体设计、高速缓冲存储器的组成、映射方法和多级存储体系的性能计算。第四章指令系统课程教学内容：本章主要讲述了指令、数据的概念与分类，详细介绍了各种常见的寻址方式。最后对RISC、CISC技术进行了概念性的讲解。指令系统的发展与性能要求；指令的格式、指令和数据的寻址方式、堆栈寻址方式；典型指令中的基本指令系统与精简指令系统。目的在于使学生理解各种寻址方式的基本原理，不失一般性地掌握低级语言系统的学习方法，并初步了解指令系统设计中应考虑的各种因素。理解：指令的一般格式、操作数的类型、操作的类型、RISC/CISC的概念熟练掌握：操作的常见的指令寻址方式、常见的数据寻址方式、堆栈的生成方式及工作原理、操作数的分类及特点、操作的分类及特点。能进行指令的格式设计。能从理论的角度分析操作数类型的不同对程序效率的影响。重点：指令格式设计、功能、寻址方式、指令周期。难点：机器指令和汇编语句的对应关系，计算机的各个部件的运行原理及相互连接关系。第五章CPU的结构和功能课程教学内容：本章主要讲述CPU的功能结构、指令周期与指令流水、CPU中断系统的工作机理。目的在于使学生了解CPU的基本功能结构，为将来的深造打基础。教学中应注意中断系统的工作机理为以后实践中从事底层开发提供了良好的理论支持，教学中可以适当加入一些底层开发中的中断应用实例。理解：CPU的功能结构、指令流水。熟练掌握：指令周期的基本概念、中断系统的工作原理、现代微机中的中断系统设置。重点：CPU的功能结构、指令的工作原理、中断系统的工作原理，计算机的各个部件的运行原理及相互连接关系难点：中断的应用，时序。第五章中央处理器课程教学内容：本章主要讲述了控制单元的一般功能，详细分析了微操作执行的一般过程。CPU的功能、组成、结构以及其中的主要寄存器作用；指令周期的基本概念、典型指令的指令周期；时序信号的作用与体制、时序信号产生器以及控制方式；微命令与微操作、微指令与微程序、微程序控制器、CPU周期与微指令周期的关系、机器指令与微指令的关系；微命令编码、微地址的形成、微指令格式、动态微程序设计；硬布线控制器；CPU中的并行处理技术、流水CPU的结构、流水线中的主要问题；RISCCPU，CPU性能评价。目的在于使学生能对中央处理器有一个初步了解，为以后的深造打下较为坚实的基础，同时也培养学生控制逻辑设计的能力。理解：控制单元的外部特性、控制方式、组合逻辑设计的步骤、微程序控制单元的功能原理、静态微程序设计与动态微程序设计、毫微程序设计。熟练掌握：微操作命令的分析方法重点：微操作命令的分析方法、微程序设计的方法与步骤。难点：微操作命令的分析方法、微程序设计方法。第六章系统总线课程教学内容：本章主要讲述总线的基本概念、发展过程、常见总线的方式及其控制过程。总线的概念和结构、连接方式，总线的接口技术，接口的基本概念，总线的仲裁、总线定时以及总线的数据传送模式，PCI总线与ISA总线的简单介绍。目的在于使学生理解计算机功能部件的连接组织形式。理解：总线的发展史、常见的总线结构、当前流行的总线标准。熟练掌握：总线的基本概念、总线的分类、总线的特性及性能指标。能准确理解总线的判优机制、总线的通信机制。重点：总结的功能与结构，总线的仲裁和定时，多关注总线的应用问题。难点：总线的仲裁和定时第七章输入输出系统课程教学内容：本章主要讲述了输入输出系统的基本概念、接口的功能、常见的三种接口控制方式，以及一些常用的外围设备的工作原理。计算机与外围设备的定时与信息交换方式、程序中断方式的基本概念、多级中断与单级中断，DMA的基本概念、DMA传送方式、基本的DMA控制器，通道的功能、类型与发展，通用I/O标准接口。目的在于使学生在建立接口概念的基础上，能进行端口的功能设计，并能设计简单的输入输出接口电路。理解：IO系统的发展概况、常见IO设备的工作原理。熟练掌握：IO设备与主机的联系方式、信息传送控制方式；接口的功能设计；程序查询方式、程序中断方式、DMA方式的基本概念、基本工作原理及其适用场合。重点：输入输出设备的功能、内部组成，以及3种基本输入输出方式的工作过程与实现。难点：中断和DMA工作方式第八章并行组织课程教学内容：本章主要讲述了计算机的并行设计方法，并行性的概念、提高并行性的技术途径，单机、多机系统并行性的发展；互连网络的功能和特征，静态、动态互连网络；向量处理的基本概念，向量处理机的结构。目的在于使学生在建立并行设计概念的基础上，并了解向量处理的基本概念与结构。理解：并行设计的概念及方法以及向量处理机的设计方法及工作原理。熟练掌握：并行性的概念、提高并行性的技术途径，单机、多机系统并行性的发展；互连网络的功能和特征，静态、动态互连网络重点：并行性的概念、向量处理机结构特点；难点：多机系统并行与互连结构。三、实验教学内容及基本要求要求学生通过实验，深入理解计算机各部件的组成形式、逻辑结构及工作原理，掌握其结构特点、操作控制要领并实际体验基本的设计方法和技巧。熟悉各类仪器仪表的使用方法与技巧。实验数据记录应当完整，实验报告要求格式规范，对实验数据的正确性或实验结果要进行分析与论证。对实验中暴露的问题要进行总结。教学实验是本课程的重要教学环节。在教学实验中，学生将通过对数字计算机各基本组成部分的一个实际的逻辑实现进行现场的分解与综合以及对部分逻辑的设计、组装与调试，以理论联系实际的方式配合课堂教学，强化理论教学效果，提高学生的动手能力，培养学生独立思考精神和创新意识。通过实验学生将在处理实际技术问题方面，培养认真严谨的工程习惯和作风。序号实验项目名称内容提要实验学时实验类型实验类别实验要求1运算器实验学习运算器的操作控制过程。数据传输的途经和控制。2必修验证掌握运算器组成结构操作。2存储器原理实验学习存储器的读写操作过程；观察双端口存储器的访问争用现象，及争用处理逻辑的工作过程。3必修验证掌握存储器基本操作方法.3微程序控制器组成实验观察时序发生器产生的机器周期信号及节拍信号的关系及其与微命令之间的关系。学习体会实际的微指令设计的技术问题。学习一种下地址生成逻辑。体会指令的译码过程及指令与微指令的关系。3必修验证掌握微码控制器结构及微指令和微命令的关系，掌握指令流程的使用及微程序的设际。4模型机设计与运行实验构造一个实验计算机，设计该机上的机器语言程序，完成该程序的人工汇编过程。学习程序及数据的注入方法和操作过程,最终实现整机的正常运行。4必修综合掌握处理器的整体组成结构原理，运行过程。四、教学方法与手段1、在教学过程中，教师应注重理论与实践相结合，在讲清基本概念的基础上，由浅入深介绍原理。在原理的讲授过程中，尽量插入一些相关的实践内容，尤其是系统故障的理论解释。而对于设计部分应侧重于各种因素的考虑，注意培养学生考虑问题的全面性，其次才是技术实现的过程，这样可以提高学生的学习兴趣。2、尽量使用多媒体教学。并以校园网络教学作为辅助手段，将课件置于校园网上，以利于学生对难点环节的重复学习。积极创造条件，给学生提供参观科技展览的机会，尤其是计算机技术在新的应用领域的扣展。3、课堂讨论不要流于形式，注意对学生的引导及鼓励，充分激发学生的思维、培养学生分析问题的能力。4、考试可灵活采用闭卷、平时作业、实验相结合的形式。闭卷部分的考试题包括基本概念、基本理论、基本分析方法等，题型可采用填空题、简答题、选择题、分析计算题等多种形式。五、教学学时分配章节与内容课时作业量备注计算机系统概论22运算方法与运算器107存储系统63指令系统42中央处理器84总线系统42输入输出系统42并行组织42总结2合计4424六、考核方法与成绩评定标准1、考核方法