《计算机组成原理与结构》教学大纲

《计算机组成原理与结构》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：22130071课程性质：学科基础必修课学分：3学分学时：48学时（理论48学时）先修课程：程序设计基础、电子技术等后续课程：操作系统等适用专业：人工智能专业开课单位：智能工程学院一、课程说明《计算机组成原理与结构》是人工智能专业本科学生的学科基础必修课。本课程的教学目的是使学生了解计算机系统的基本组成原理；掌握计算机系统硬件的基本组成和各功能部件的工作原理；掌握信数据表示与指令结构类型及指令执行原理；掌握程序和数据在计算机中是如何存储。掌握计算机与外部设备之间的接口技术与原理；了解计算机外部设备的基本结构与工作原理。并能够用课程中学到的知识，对计算机系统硬件进行初步设计、组装和调试的能力。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握计算机系统的基本组成、计算机系统的层次结构、冯诺依曼机的特点；熟悉衡量计算机性能的评价及主要技术指标；了解计算机的发展史以及它的应用领域；了解我过超级计算机的发展史和世界领先地位。课程目标2：掌握数值数据的表示方法、运算方法及定点运算的硬件实现，熟悉字符、汉字的表示方法；了解流水浮点运算器的组成与实现；掌握指令系统的分类、常见的寻址方式、指令格式、指令设计的优化方法，了解RISC技术，深刻领会指令系统与机器主要功能以及与硬件结构之间的关联；掌握CPU的功能和内部结构和机器完成一条指令的全过程。课程目标3：掌握计算机的存储体系构成；了解不同存储器的特点，掌握如何用常用芯片构造主存；掌握外部设备与主机交换信息的常见种控制方式；理解和掌握中断技术。课程目标4：引导学生利用科学辩证法看待和解决问题；激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，培养学生团队协作能力及创新创业思维；树立正确的劳动观念，形成良好的劳动习惯，具有劳动精神和劳动能力。三、课程目标与毕业要求《计算机组成原理与结构》课程教学目标对人工智能专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决人工智能及相关应用领域复杂工程问题。1.3能够将专业和数学等相关知识用于专业工程问题的解决方案设计、比较和综合。课程目标1：掌握计算机系统的基本组成、计算机系统的层次结构、冯诺依曼机的特点；熟悉衡量计算机性能的评价及主要技术指标；了解计算机的发展史以及它的应用领域；了解我过超级计算机的发展史和世界领先地位。课程目标2：掌握数值数据的表示方法、运算方法及定点运算的硬件实现，熟悉字符、汉字的表示方法；了解流水浮点运算器的组成与实现；掌握指令系统的分类、常见的寻址方式、指令格式、指令设计的优化方法，了解RISC技术，深刻领会指令系统与机器主要功能以及与硬件结构之间的关联；掌握CPU的功能和内部结构和机器完成一条指令的全过程。M3.设计/开发解决方案：能够设计针对人工智能及相关应用领域复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元，并在设计中体现创新意识，考虑社会、环境、健康、安全、法律、文化等因素。3.1掌握人工智能及相关应用领域的系统集成、算法优化、软件设计的基本设计理论和设计方法，能够根据需求确定设计目标研究、确定技术方案。课程目标3：掌握计算机的存储体系构成；了解不同存储器的特点，掌握如何用常用芯片构造主存；掌握外部设备与主机交换信息的常见种控制方式；理解和掌握中断技术。课程目标4：引导学生利用科学辩证法看待和解决问题；激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，培养学生团队协作能力及创新创业思维；树立正确的劳动观念，形成良好的劳动习惯，具有劳动精神和劳动能力。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时对应的课程目标1.算机系统概论1.1计算机分类与应用1.2计算机的硬件组成与发展1.3计算机的软件组成与发展1.4计算机系统的层次结构教学要求：了解计算机系统的基本概念；掌握计算机系统的基本硬件组成；了解冯诺依曼计算机结构与特点及现代计算机的基本结构与特点；了解单处理机系统及多处理机系统的概念。重点：计算机的基本硬件组成与工作原理。难点：计算机系统的层次结构。41、42.计算机的运算方法2.1数据与文字的表示方法及各种进制转换2.2定点加减法运算2.3定点乘除运算2.4浮点四则运算思政：培养学生科学严谨的创造性思维。教学要求：掌握数的编码表示（原码、补码、反码、移码）；掌握定点数与浮点数的表示与运算；掌握运算器的电路组成与工作原理。重点：编码表示（原码、补码、反码、移码、各种进制转换、计算机定点数、浮点数的表示与运算。定点数乘除运算、浮点数的表示与运算。122、43.存储器3.1存储器概述3.2随机读写存储器3.3只读存储器3.4存储器与CPU的连接及存储器的扩展3.5高速缓冲存储器Cache教学要求：使学生了解了解存储器分类及特点，掌握存储器基本工作原理；掌握存储器与系统总线的连接方法和存储器扩展方法。重点：高速缓冲存储器基本工作原理；内存储器与系统总线的连接及内存储器的扩展方法。难点：内存储器与系统总线的连接及内存储器的扩展方法。122、44.指令系统与中央处理器4.1机器指令4.2寻址方式4.3CPU的结构及功能4.4指令周期4.5指令流水4.6中断教学要求：掌握CPU基本组成及其工作原理；掌握计算机指令的执行过程。重点：CPU结构组成及工作原理。难点：微程序控制器。122、45.系统总线5.1总线的基本概念5.2总线分类5.3总线特性及性能指标5.4总线结构5.5总线控制教学要求：了解总线功能、分类及特点，掌握不同总线结构、工作原理及特点，了解总线控制方法。重点：总线结构、原理、总线性能指标。难点：总线控制方法。63、4输入输出系统程序中断方式DMA方式通道方式教学要求：了解接口概念，掌握外设I/O的控制方式。重点：外设与主机的信息交换方式。难点：外设输入/输出控制方式。23、4合计48五、教学方法及手段课程教学以课堂讲授为主，结合实验、作业、慕课、泛雅平台资源，配合多媒体课件等共同课完成堂授课内容。采用钉钉、QQ、微信等交流工具，加强和学生之间的交流和沟通。通过本课程的学习，使学生掌握计算机系统的基本组成、计算机中的数据表示方法、计算机各硬件部件的功能和工作原理。六、课程资源1.推荐教材：（1）唐朔飞.计算机组成原理（第3版）北京：科学出版社.2020.102.参考书：（1）张基温.计算机组成原理（第8版）[M].北京：清华大学出版社.2018.03.01（2）薛胜军.计算机组成原理（第4版）[M].北京：清华大学出版社.2017.11.01（3）王万生;彭雅琴.计算机组成原理实用教程[M].北京：清华大学出版社.2018.01.013.期刊：（1）李凯;张书珍;韩梅.基于Multisim的计算机组成原理实验的仿真设计[J].智能计算机与应用.2018.2（2）杨皓;杨忠;杜华.独立学院计算机组成原理课程教改初探[J].Proceedingsof20177thInternationalConferenceonEducationandSportsEducation(ESE2017)V76.(3)王先超;王康喆;王春生;孙娓娓.三值光计算机运算器网的拓扑性质[J].计算机工程与应用.2014.7(4)ZhangK,ChangY,ChenM,etal.Computerorganizationanddesigncoursewithfpgacloud[C]//Proceedingsofthe50thACMTechnicalSymposiumonComputerScienceEducation.2019:927-933.4.网络资源：（1）西安邮电大学.计算机组成原理精品课程./（2）CPU设计与模型机实验./details/2020?id=6999&isView=true#1001七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表3。表3课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标1234过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√2332章节测试15（1）根据各章节内容进行测试，成绩单独评分，满分100分；（2）每次测试单独评分，取各次测试成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以最终测试成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√2103平时作业15（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√366大作业60（1）大作业为线上或线下考核形式，以综合测试卷为主，总分100分。（2）主要考核计算机体系结构、运算方法和运算器、存储器、CPU和指令、总线与外设、输入输出系统等内容。（3）考试题型为：选择题、填空题、简答题和分析计算题等。√√√53520合计：100分1254322八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：课程主要以课堂表现、章节测试、平时作业、大作业等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由大作业成绩和过程性考核成绩组成。其中：大作业成绩为100分（权重60%），大作业以综合测试卷为主，测试题类型为填空题、选择题、简答题、分析计算题等类型；课堂表现、章节测试、作业等过程性考核成绩为100分（权重40%）。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表4。表4过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现25笔记完整，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。笔记完整，认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。笔记不完整