《計算機原理B》課程標準

PAGEPAGE11《計算機原理B》課程標準（執(zhí)筆人：唐玉華審閱學院：計算機學院）課程編號：英文名稱：ComputerPrinciplesB預(yù)修課程：計算機基礎(chǔ)，電工與電路基礎(chǔ)，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)B學時安排：50學時，其中講授48學時，考核2學時。學分：2.5一、課程概述（一）課程性質(zhì)地位本課程是計算機科學與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)本科生的一門重要的學科基礎(chǔ)必修課程。本課程既有很強的基礎(chǔ)性和系統(tǒng)性，又有很強的工程性和實踐性，在計算機技術(shù)的基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起到了重要的承上啟下的作用。本課程從計算機部件及其執(zhí)行層面來闡述電子數(shù)字計算機的運算器、控制器、存儲器以及輸入輸出部件的結(jié)構(gòu)組成、邏輯功能、工作原理和實現(xiàn)方法，對于了解整個計算機系統(tǒng)的工作機理有著重要的作用。（二）課程基本理念本課程以教育改革的基本理念為指導，采用“課堂講授＋綜合設(shè)計網(wǎng)絡(luò)教學”相互交叉融合的三維教學模式。課堂講授強調(diào)基礎(chǔ)性，啟發(fā)引導，歸納總結(jié)；綜合設(shè)計突出工程性和實踐性，因為培養(yǎng)方案中將專門開設(shè)本課程的后續(xù)課程——《計算機原理綜合性課程設(shè)計》，以適應(yīng)計算機專業(yè)人才需求的培養(yǎng)目標；網(wǎng)絡(luò)教學以自主學習為主，互動性強，配套資源豐富，鼓勵學員積極參與，加深對課堂知識的理解。（三）課程設(shè)計思路本課程要對學員的技能訓練有比較好的體現(xiàn)，積極引導學員開展自主研究式和討論式學習，擴大課堂教學效果。將課程的框架設(shè)計、內(nèi)容安排、課堂教學、實驗教學以及課程評價等有機結(jié)合起來，充分體現(xiàn)課程的先進性和創(chuàng)新點。(1)教育部計算機科學與技術(shù)學科教學指導委員會于2008年重新修訂了計算機原理課程的教學基本要求，強調(diào)了本課程是計算機科學與技術(shù)的公共核心課，其任務(wù)在于“以馮.諾依曼計算機模型為出發(fā)點，介紹計算機的組織結(jié)構(gòu)和工作原理，剖析計算機的運算器、存儲器、控制器和輸入輸出設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理與相互關(guān)系”。本課程的設(shè)計思路嚴格依據(jù)此教學基本要求來展開。（2）在課程內(nèi)容的選取上，依據(jù)（1）中教學基本要求的明確指示，注重課程教學的基礎(chǔ)性，同時正確處理先進性與教學規(guī)律性的關(guān)系，力求做到基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、科學性、實用性和先進性的統(tǒng)一。（3）對教學內(nèi)容的要求上，分為三個層次：“熟練掌握”、“正確理解”和“一般了解”。對于要求“熟練掌握”和“正確理解”的內(nèi)容，要做到概念清晰，原理清楚，并具有分析和設(shè)計能力?！笆炀氄莆铡北取罢_理解”要求更高，有的知識必須熟記。對要求“一般了解”的內(nèi)容應(yīng)當知道基本概念和基本原理。（4）在教學環(huán)節(jié)的實施中，要從提高實效出發(fā)，重視改革創(chuàng)新，注重整體優(yōu)化。尤其在教學方法手段上，要探索有利于學員個性化、自主性學習的提問式、啟發(fā)式、對比式、討論式教學方法，重視先進教學技術(shù)手段與傳統(tǒng)教學方法手段的結(jié)合，合理運用多媒體課件等現(xiàn)代數(shù)字化教學手段輔助教學，讓學員更多、更好地掌握相關(guān)的知識和技術(shù)，獲得盡可能高的教學效率，提高課程教學效時比。二、課程目標（一）知識與技能本課程旨在使學員能夠描述計算機的基本概念、基本組成，闡述計算機的工作原理、實現(xiàn)方法，設(shè)計具有基本功能的CPU。通過本課程學習，掌握從計算機技術(shù)角度分析、解決本專業(yè)領(lǐng)域的實際工程問題的思維方式，培養(yǎng)靈活應(yīng)用所學知識進行計算機系統(tǒng)基本設(shè)計的能力，為后續(xù)課程的學習和工程實踐應(yīng)用打好基礎(chǔ)。（二）過程與方法本課程教學以講授為主，采用理論和實踐相結(jié)合的方法，具體通過課堂教學、實驗教學、網(wǎng)絡(luò)教學和多媒體教學等多種方法和手段來實施，其中：課堂教學強調(diào)基礎(chǔ)性，通過講授計算機系統(tǒng)的功能、組成與結(jié)構(gòu)來透視計算機，通過講授計算機各子系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計方法來理解計算機。實驗教學分為演示實驗、綜合性實驗二個層次，循序漸進，通過課堂的演示實驗讓學員感受并了解計算機重要部件的組成和工作原理；通過專門設(shè)置的后續(xù)課程——《計算機原理綜合課程設(shè)計》中的實驗讓學員參與設(shè)計CPU，體驗并深入理解本課程所學知識。網(wǎng)絡(luò)教學配套資源豐富，以自主學習為主，強調(diào)互動交流。多媒體教學將貫穿整個課程的授課過程，由淺入深，從而使教學的各個環(huán)節(jié)形成一個有機的整體。（三）情感態(tài)度與價值觀計算機技術(shù)的發(fā)展日新月異，知識的更新很快，通過課程的教學使學員樹立“與時俱進”的學習態(tài)度。授課過程中注意生動形象、深入淺出，案例教學緊扣實際，除使學員獲得必要的學科方面的基礎(chǔ)知識、專業(yè)技能和分析解決實際問題的能力外，還將使學員加深對計算機技術(shù)在信息化建設(shè)中地位的認識，增強學員應(yīng)用所學知識與技能的能力。同時，力求通過課程各教學環(huán)節(jié)的嚴格要求和教育訓練，培養(yǎng)學員團結(jié)協(xié)作、嚴謹求實的工作作風和獨立思考、自主創(chuàng)新的科學精神。三、內(nèi)容標準第一章計算機抽象和技術(shù)計算機系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)；計算機硬件的基本組成，包括存儲程序思想，馮.諾依曼計算機框架；計算機軟件的分類；計算機面臨的挑戰(zhàn)。教學重難點：如何講解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，包括計算機硬件的基本組成、計算機軟件的分類。教學要求：理解計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)；了解計算機的發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)。程序的表象之下主要內(nèi)容：程序的執(zhí)行過程，包括高級語言→匯編語言→機器語言的轉(zhuǎn)換過程；典型程序在計算機硬件系統(tǒng)中的工作過程；典型程序在操作系統(tǒng)管理下的執(zhí)行流程。教學重難點：如何講解程序在計算機系統(tǒng)中的執(zhí)行過程。教學要求：理解程序在計算機硬件系統(tǒng)中、操作系統(tǒng)管理下的執(zhí)行過程。計算機性能評價主要內(nèi)容：計算機的主要性能指標，包括主頻（CPU時鐘周期）、運算速度（CPI、CPU執(zhí)行時間、MIPS、MFLOPS）、存儲容量等；CPU性能及其因素；經(jīng)典的CPU性能公式。教學重難點：如何評估計算機性能。教學要求：掌握計算機的主要性能指標；理解CPU性能及其因素。第二章指令系統(tǒng)計算機的指令格式主要內(nèi)容：指令的基本格式；定長操作碼指令；擴展操作碼技術(shù)。教學重難點：如何講解指令格式設(shè)計對程序執(zhí)行的性能影響。教學要求：掌握基本指令格式的設(shè)計；理解擴展操作碼技術(shù)。指令的尋址方式主要內(nèi)容：有效地址的概念；數(shù)據(jù)尋址和指令尋址；基本尋址方式。教學重難點：如何講解指令尋址方式對程序設(shè)計的影響。教學要求：理解并能夠運用基本尋址方式進行程序設(shè)計。計算機中的數(shù)據(jù)表示主要內(nèi)容：數(shù)制與編碼，包括進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換、BCD碼；數(shù)值數(shù)據(jù)的表示，包括真值和機器數(shù)的概念、定點數(shù)據(jù)表示（定點數(shù)的表示范圍、有符號數(shù)和無符號數(shù)）、浮點數(shù)據(jù)表示（浮點數(shù)的表示范圍、IEEE754標準）等；非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示，包括字符與字符串、西文、漢字等；數(shù)據(jù)的校驗碼，包括奇校驗、海明校驗、CRC校驗等。教學重難點：如何講解計算機中的數(shù)據(jù)表示以及與程序中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示之間的關(guān)系。教學要求：掌握定點數(shù)據(jù)表示和浮點數(shù)據(jù)表示；理解數(shù)據(jù)的校驗碼及其在計算機的重要性。程序的機器級表示主要內(nèi)容：MIPS的基本指令；計算機硬件對過程的支持；CISC和RISC的基本概念；翻譯并執(zhí)行程序，包括編譯器、匯編器、鏈接器、加載器、動態(tài)鏈接庫等；啟動一個高級語言程序，介紹從高級語言程序→匯編語言程序→機器語言代碼的轉(zhuǎn)換原理。教學重難點：如何設(shè)計指令系統(tǒng)。教學要求：掌握程序的機器級表示，包括MIPS的基本指令；理解CISC和RISC的基本概念；了解高級語言程序→匯編語言程序→機器語言程序的轉(zhuǎn)換原理。第三章計算機中的運算計算機的基本運算主要內(nèi)容：基本操作運算；邏輯運算；移動運算。教學重難點：計算機如何實現(xiàn)基本運算。教學要求：理解計算機基本運算方法。定點數(shù)的運算主要內(nèi)容：定點數(shù)的加、減法運算，包括加/減運算方法、溢出概念及其判斷方法；定點數(shù)的乘法運算，包括乘法運算方法、溢出判斷方法；定點數(shù)的除法運算，包括除法運算方法、溢出判斷方法；算術(shù)邏輯單元ALU，包括串行加法器和并行加法器，ALU的功能和結(jié)構(gòu)。教學重難點：如何在計算機中進行定點的加、減、乘、除運算。教學要求：掌握定點數(shù)的加、減、乘、除運算；理解算術(shù)邏輯單元ALU的實現(xiàn)方法。浮點數(shù)的運算主要內(nèi)容：浮點數(shù)的加、減法運算，包括加/減運算方法、溢出概念及其判斷方法；浮點數(shù)的乘法運算，包括乘法運算方法、溢出判斷方法；浮點數(shù)的除法運算，包括除法運算方法、溢出判斷方法；浮點運算部件的結(jié)構(gòu)和組成。教學重難點：如何在計算機中進行浮點的加、減、乘、除運算。教學要求：掌握浮點數(shù)的加、減、乘、除運算；理解浮點運算部件的實現(xiàn)方法。第四章中央處理器CPU第1節(jié)處理器概述主要內(nèi)容：處理器的基本概念；CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)；指令在CPU執(zhí)行過程。教學重難點：如何講解指令在CPU中的執(zhí)行過程。教學要求：掌握處理器的基本概念、CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)；理解指令在CPU的執(zhí)行過程。第2節(jié)數(shù)據(jù)通路的建立主要內(nèi)容：數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)；以MIPS指令為例介紹數(shù)據(jù)通路的建立。教學重難點：如何建立CPU的數(shù)據(jù)通路。教學要求：理解數(shù)據(jù)通路的建立過程。第3節(jié)單周期控制器設(shè)計主要內(nèi)容：控制器的功能和工作原理；單周期控制器設(shè)計；CPU中的異常處理。教學重難點：如何在建立的數(shù)據(jù)通路上設(shè)計單周期控制器。教學要求：理解在建立的數(shù)據(jù)通路上設(shè)計單周期控制器的原理。第4節(jié)流水線控制器設(shè)計主要內(nèi)容：流水線概述，包括流水線的基本概念、流水線的資源相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)以及它們的避免方法等；流水線控制器設(shè)計；流水線對異常的處理。教學重難點：如何在建立的數(shù)據(jù)通路上設(shè)計流水線控制器。教學要求：掌握流水線的基本概念；理解流水線中資源相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)的避免方法；理解在建立的數(shù)據(jù)通路上設(shè)計流水線控制器的原理。第5節(jié)微程序控制器設(shè)計主要內(nèi)容：微程序控制器概述，包括微程序、微指令、微命令、微指令的基本概念和編碼方法，微地址的形成方式等；微程序控制器設(shè)計；微程序控制器對異常的處理。教學重難點：如何在建立的數(shù)據(jù)通路上設(shè)計微程序控制器。教學要求：掌握微程序控制器的基本概念；理解在建立的數(shù)據(jù)通路上設(shè)計微程序控制器的原理。第五章存儲層次結(jié)構(gòu)第1節(jié)存儲器概述主要內(nèi)容：存儲器的分類；程序訪問的局部性原理；存儲器的層次化結(jié)構(gòu)。教學重難點：如何講解程序訪問的局部性對存儲器層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。教學要求：掌握存儲器的分類；理解程序訪問的局部性原理；理解存儲器的層次化結(jié)構(gòu)是解決存儲瓶頸的重要手段。第2節(jié)半導體隨機存取存儲器主要內(nèi)容：SRAM存儲器的工作原理；DRAM存儲器的工作原理和刷新操作；只讀存儲器的工作原理；雙口RAM和多模塊存儲器的工作原理。教學重難點：如何講解SRAM與DRAM工作原理和存儲信息的異同；如何講解利用雙口RAM和多模塊存儲器提高主存訪問的速度。教學要求：理解SRAM存儲器的工作原理；理解DRAM存儲器的工作原理；理解只讀存儲器的工作原理；理解雙口RAM和多模塊存儲器對提高主存訪問速度的影響。第3節(jié)主存儲器與CPU的連接主要內(nèi)容：存儲器容量擴展，包括位擴展、字擴展和字位同時擴展；負載分析；速度估算；主存儲器與CPU的連接設(shè)計。教學重難點：如何進行主存儲器與CPU的連接設(shè)計。教學要求：掌握存儲器的容量擴展、負載分析和速度估算等關(guān)鍵技術(shù)；理解并能夠運用上述關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)主存儲器與CPU的連接。第4節(jié)高速緩沖存儲器(Cache)主要內(nèi)容：Cache的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；Cache和主存儲器之間的映射方式；Cache寫策略以及一致性問題；Cache中主存塊的替換算法。教學重難點：如何講解Cache中的關(guān)鍵技術(shù)；如何講解cache中利用程序局部性原理進行程序優(yōu)化的重要性。教學要求：掌握Cache和主存儲器之間的映射方式；理解Cache寫策略以及一致性問題；理解Cache的基本結(jié)構(gòu)、映射方式、替換算法對Cache命中率的影響。第5節(jié)虛擬存儲器主要內(nèi)容：虛擬存儲器的基本概念，包括虛擬存儲器的定義、虛擬地址空間、物理地址空間、虛實地址變換、替換算法等；頁式虛擬存儲器；段式虛擬存儲器；段頁式虛擬存儲器；快表（TLB）。教學重難點：如何講解虛擬存儲器中的關(guān)鍵技術(shù)；如何講解虛擬存儲器中軟硬件協(xié)同管理的重要性。教學要求：掌握虛擬存儲器的基本概念；理解虛擬存儲器的三種存儲管理方式，即頁式虛擬存儲器、段式虛擬存儲器和段頁式虛擬存儲器；理解快表（TLB）對加速虛實地址變換的重要性；理解軟硬件協(xié)同管理虛擬存儲器的方法。第6節(jié)并行存儲器結(jié)構(gòu)框架主要內(nèi)容：多體存儲器；雙端口存儲器；多體交叉的多模塊存儲器。教學重難點：如何講解并行存儲器利用多體交叉提高訪存帶寬。教學要求：掌握多體交叉的多模塊存儲器工作原理。第六章輸入輸出（I/O）系統(tǒng)第1節(jié)輸入輸出系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：輸入輸出系統(tǒng)的基本概念；外部設(shè)備，包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等；I/O接口（I/O控制器），包括I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu)、I/O端口及其編址；操作系統(tǒng)在I/O中扮演的角色。教學重難點：如何講解CPU通過I/O端口訪問I/O設(shè)備、以及I/O端口是如何編址的；如何講解操作系統(tǒng)在I/O中的重要作用。教學要求：掌握I/O系統(tǒng)的基本概念；理解CPU通過I/O端口訪問I/O設(shè)備以及I/O端口的編址方法；理解操作系統(tǒng)在I/O中的作用。第2節(jié)外存儲器主要內(nèi)容：磁盤存儲器，包括磁盤的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和性能指標、RAID盤陣以及操作系統(tǒng)對磁盤的管理等；光盤存儲器，包括光盤的分類、工作原理和發(fā)展趨勢；閃存Flash，包括Flash的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及操作系統(tǒng)對Flash的管理。教學重難點：如何講解各外存儲器的工作機理和結(jié)構(gòu)組成。教學要求：理解各外存儲器的工作機理、結(jié)構(gòu)組成和地位作用。第3節(jié)I/O控制方式主要內(nèi)容：程序查詢方式；程序中斷方式，包括中斷的基本概念、中斷控制器的功能和基本結(jié)構(gòu)、中斷處理過程、中斷控制器在實際I/O控制中的應(yīng)用等；直接存儲訪問（DMA）方式，包括DMA的基本概念、DMA控制器的功能和基本結(jié)構(gòu)、DMA控制器在實際I/O控制中的應(yīng)用；I/O通道方式，包括通道的基本概念、通道方式在實際I/O控制中的應(yīng)用。教學重難點：如何在計算機系統(tǒng)中靈活應(yīng)用各種I/O控制方式。教學要求：掌握中斷的基本概念；掌握DMA的基本概念；理解I/O控制方式，包括：程序查詢方式、程序中斷方式、DMA方式和I/O通道方式等在實際I/O控制中的應(yīng)用。第七章總線第1節(jié)總線概述主要內(nèi)容：總線的基本概念；總線的分類和組成；總線的性能指標。教學重難點：如何講解總線的性能指標。教學要求：掌握總線的基本概念；理解總線的性能指標。第2節(jié)總線的設(shè)計和使用主要內(nèi)容：總線仲裁，包括集中仲裁方式、分布仲裁方式；總線操作和定時方式，包括基于時鐘的同步定時方式、基于握手的異步定時方式、半同步定時方式等；常用總線標準，包括USB、PCI等。教學重難點：如何講授總線設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)，包括總線仲裁、操作和定時；如何運用總線構(gòu)造計算機系統(tǒng)。教學要求：一般了解計算機模塊結(jié)構(gòu)及其互連；熟練掌握總線的基本概念、分類、組成及性能指標；正確理解總線的設(shè)計和使用，包括總線類型、總線仲裁、總線操作和定時、數(shù)據(jù)傳輸類型；一般了解常用總線標準。四、實施建議（一）教學實施1．課程學時分配表

教學內(nèi)容學時安排講授學時實踐學時小計拓展學習實踐探索課題研究論文撰寫自主學習實驗上機野外作業(yè)考核學時其他第一章44第二章66第三章66第四章1212第五章1010第六章88第七章22考核22小計482502.實驗內(nèi)容和要求由于本課程專門開設(shè)了綜合課程設(shè)計課（16學時），本課程標準不再另設(shè)實驗。3．教學方法和手段多媒體教學：本課程要求為全程多媒體教學，以多媒體教學為主、板書為輔，多媒體教學學時占課程學時的95％。網(wǎng)絡(luò)教學：學校網(wǎng)上教學平臺－>計算機學院－>本科課程－>計算機原理B。（二）考核評價 考核方式：考試；組織方式：筆試，閉卷；