計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)教學(xué)大綱

1、計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)一、課程說明課程編號(hào)： 390216X10課程名稱：計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)/Computer Principles and Architecture課程類別：學(xué)科基礎(chǔ)課學(xué)時(shí)/學(xué)分：32/2先修課程：數(shù)字電子技術(shù)適用專業(yè)：軟件工程 教材、教學(xué)參考書：1 David Money Harris. 數(shù)字設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.2 唐朔飛. 計(jì)算機(jī)組成原理（第2版）. 北京：高等教育出版社，20083 俸遠(yuǎn)禎、閻彗娟等編. 計(jì)算機(jī)組成原理. 北京：電子工業(yè)出版社出版，2005二、課程設(shè)置的目的意義計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)是軟件工程本科專業(yè)的學(xué)科選修課，主要介紹計(jì)算機(jī)的組

2、成結(jié)構(gòu)以及各組成部分的工作原理，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)的工作原理，了解計(jì)算機(jī)各部件的工作性能。本課程的任務(wù)是使學(xué)生獲得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成方面的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件分析和設(shè)計(jì)的基本技能以及對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的分析能力，為學(xué)生樹立計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)。三、課程的基本要求通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成和各部分工作的原理，初步掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的典型方法，能完成較為復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件基本設(shè)計(jì)方案，并利用可編程器件，進(jìn)行基本功能實(shí)現(xiàn)，為更深入地學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程打下良好硬件的基礎(chǔ)。具體要求如下：（一）知識(shí)學(xué)習(xí)要求1. 了解計(jì)算機(jī)軟件與硬件系統(tǒng)的組成特點(diǎn)，理解虛擬機(jī)器

3、和實(shí)際機(jī)器的概念，了解計(jì)算機(jī)的工作過程，了解描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能參數(shù)；了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各方面的發(fā)展歷史，了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”1-；2. 了解系統(tǒng)總線在計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)中的地位和作用；了解幾類常用的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)；掌握總線仲裁方式；掌握同步和異步控制的概念；掌握各種存儲(chǔ)設(shè)備的基本概念、工作原理和各自的特點(diǎn)；掌握主存儲(chǔ)器的組織技術(shù)和存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)；了解存儲(chǔ)器的校驗(yàn)方法；了解提高訪存速度的措施；理解并掌握典型外部設(shè)備包括鍵盤設(shè)備、打印設(shè)備、顯示設(shè)備；從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)各個(gè)設(shè)備，并且理解必須通過硬件和軟件技術(shù)的配合才能實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的功能；了解接口的功能和類型；掌握

4、輸入輸出系統(tǒng)的基本功能；掌握I/O與主機(jī)信息傳送的各種控制方式，對(duì)應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”1-B；3. 掌握數(shù)據(jù)信息在機(jī)器中的表示方法，理解信息編碼原理。本章的重點(diǎn)是在理解一定的算術(shù)邏輯運(yùn)算方法的基礎(chǔ)上，掌握用硬件實(shí)現(xiàn)其算法的基本原理；了解指令格式；掌握指令、數(shù)據(jù)、堆棧的尋址方式；熟悉指令系統(tǒng)；了解設(shè)計(jì)指令格式時(shí)應(yīng)考慮的各種因素；了解RISC的主要特征；了解CPU的結(jié)構(gòu)；掌握機(jī)器完成一條指令的全過程；掌握指令的流水線技術(shù)；了解中斷系統(tǒng)的作用和工作方式；了解控制單元發(fā)出的各種信號(hào)；深刻理解指令周期、機(jī)器周期、節(jié)拍、工作脈沖與主脈沖，及其與控制信號(hào)的關(guān)系；體會(huì)控制單元的核心作用；掌握控制器的基本組成

5、及各自的功能，理解組合邏輯控制器實(shí)現(xiàn)的方法以及微程序控制器的設(shè)計(jì)原理，掌握這兩種方法實(shí)現(xiàn)控制的各自特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”1-B。（二）能力培養(yǎng)要求1. 能夠了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各方面的發(fā)展歷史，通過自學(xué)和查閱資料，不斷探索和自我完善自身的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系，對(duì)應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”2-D；2. 能夠根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，對(duì)較為復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行定性的性能分析和簡(jiǎn)單的定量分析，解決實(shí)際問題，對(duì)應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”2-A；3. 初步能夠利用可編程器件，將新技術(shù)和新方法用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率，對(duì)應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”2-；4. 具有一定的團(tuán)隊(duì)合作能力，能夠向公眾展示項(xiàng)目成果，能在

6、項(xiàng)目組中開展與項(xiàng)目有關(guān)的各項(xiàng)工作，并善于通過溝通交流解決項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題，對(duì)應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”2-C、2-。（三）素質(zhì)培養(yǎng)要求1. 能夠針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，使用批判性思維方法，不斷完善和豐富設(shè)計(jì)方案，對(duì)應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”3-；2. 培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，理解團(tuán)隊(duì)合作的作用和意義，對(duì)應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”3-B、3-C。四、教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)難點(diǎn)及教學(xué)設(shè)計(jì)章節(jié)教學(xué)內(nèi)容總學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)分配教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)（含教學(xué)方法、教學(xué)手段）講課(含研討)實(shí)踐第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論110軟硬件概念、基本組成、技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)教學(xué)思路：通過視頻等展示計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，再結(jié)合三維動(dòng)畫展示軟

7、件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用，討論軟硬件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的角色。教學(xué)方法：講授、課堂討論教學(xué)手段：PPT、視頻第2章計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用及硬件描述語言簡(jiǎn)介110發(fā)展史、應(yīng)用教學(xué)思路：通過計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史事件來講述計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷程，并通過查閱文獻(xiàn)來了解計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，要求學(xué)生制作討論P(yáng)PT.教學(xué)方法：講授、課堂討論教學(xué)手段：PPT第3章系統(tǒng)總線330性能指標(biāo)、總線結(jié)構(gòu)、總線控制總線控制教學(xué)思路：通過案例講解系統(tǒng)總線的作用，討論性能指標(biāo)的含義，并通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)闡述總線結(jié)構(gòu)及總線控制，課堂討論個(gè)總線結(jié)構(gòu)的差別及對(duì)性能的影響。教學(xué)方法：講授、案例分析、課堂討論教學(xué)手段：PPT、虛擬實(shí)驗(yàn)第4章存儲(chǔ)器550RAM、

8、ROM、cache、輔助存儲(chǔ)器cache教學(xué)思路：首先闡述存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系中的作用，然后闡述存儲(chǔ)器的分類，課堂討論每一種存儲(chǔ)器的特點(diǎn)。教學(xué)方法：講授、課堂討論教學(xué)手段：PPT第5章輸入輸出系統(tǒng)220I/O接口；程序查詢方式；程序中斷方式；DMA方式DMA方式教學(xué)思路：從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入輸出的特點(diǎn)入手，講述I/O接口的類型及各種輸入輸出方式，并通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)演示，組織課堂討論各種輸入輸出方式的特點(diǎn)。教學(xué)方法：講授、課堂討論教學(xué)手段：PPT、虛擬實(shí)驗(yàn)第6章計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法862定點(diǎn)運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算、算術(shù)邏輯單元浮點(diǎn)運(yùn)算教學(xué)思路：從定點(diǎn)計(jì)算機(jī)運(yùn)算入手，講述算術(shù)邏輯運(yùn)算單元，然后討論否點(diǎn)運(yùn)算如何轉(zhuǎn)化成定

9、點(diǎn)運(yùn)算。教學(xué)方法：講授、課堂討論教學(xué)手段：PPT第7章指令系統(tǒng)420機(jī)器指令；尋址方式尋址方式教學(xué)思路：從匯編語言入手，闡述機(jī)器語言與匯編語言的關(guān)系，進(jìn)一步討論尋址方式，并通過實(shí)例程序進(jìn)行講解，討論各尋址方式的特點(diǎn)。教學(xué)方法：講授、案例分析課堂討論教學(xué)手段：PPT第8章CPU的結(jié)構(gòu)和功能332指令周期；指令流水；中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)專題式教學(xué)第9章控制單元的功能110微操作、控制單元專題式教學(xué)第10章控制單元的設(shè)計(jì)422微程序控制器及微程序設(shè)計(jì)微程序控制器專題式教學(xué)注：實(shí)踐包括實(shí)驗(yàn)、上機(jī)等實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和基本要求要求通過完成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)作業(yè)，掌握算術(shù)邏輯單元、指令系統(tǒng)和控制單元的設(shè)計(jì)，能夠通過使用有關(guān)工

10、具和硬件描述語言，掌握簡(jiǎn)單CPU實(shí)現(xiàn)的基本技能。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下表所示。實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)時(shí)基本要求計(jì)算機(jī)組成工具使用FPGA開發(fā)工具使用方法2掌握QuartusII、Modelsim、Verilog等工具的使用方法算術(shù)邏輯運(yùn)算器設(shè)計(jì)利用Verilog設(shè)計(jì)算術(shù)邏輯運(yùn)算器2掌握算術(shù)邏輯運(yùn)算器的設(shè)計(jì)方法、熟悉算術(shù)邏輯運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)及CPU設(shè)計(jì)利用Verilog進(jìn)行指令的譯碼和控制單元設(shè)計(jì)2掌握指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法、熟悉譯碼器和控制器的設(shè)計(jì)、了解指令的運(yùn)行微程序設(shè)計(jì)利用有限的指令系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并觀察微程序運(yùn)行2掌握微程序的設(shè)計(jì)方法，了解存儲(chǔ)器、CPU和寄存器之間的聯(lián)系及數(shù)據(jù)變化要求在課外，學(xué)生能針對(duì)一個(gè)具體實(shí)際的案例，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作，利用FPGA完成簡(jiǎn)單CPU的開發(fā)，提交規(guī)范、清晰的文檔，并進(jìn)行課堂演示講解，便于學(xué)生之間相互交流切磋。六、考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定