《計算機組成原理》課程教學大綱

《計算機組成原理》教學大綱一、課程概述課程名稱計算機組成原理英文名稱PrinciplesofComputerOrganization課程性質(zhì)工程技術(shù)基礎課程代碼22125012總學時64學時理論48學時+實驗16學時學分3.5開課學期第五學期先修課程電路與電子技術(shù)數(shù)字電路與邏輯設計適用專業(yè)網(wǎng)絡工程開課單位計算機與電氣工程學院二、課程簡介本課程是“計算機科學與技術(shù)”、“軟件工程”和“網(wǎng)絡工程”等專業(yè)學生的一門核心專業(yè)基礎課，是全國研究生入學考試的必考課程，在整個學科體系中起著承上啟下的作用。課程基于單處理器計算機系統(tǒng)講解硬件系統(tǒng)中各部件的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、設計思路、邏輯實現(xiàn)方法及相關(guān)關(guān)系，使學生掌握計算機系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)概念、數(shù)據(jù)通路概念以及數(shù)據(jù)流和控制流兩大信息流在機內(nèi)的有序流動，弄清硬件與軟件之間的接口界面，最終建立一個完整的計算機系統(tǒng)的整機概念，從而培養(yǎng)學生對計算機硬件系統(tǒng)的分析、設計能力，提高學生的創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學習準備必要的底層硬件和計算機系統(tǒng)方面的基礎知識。課程的工程性、實踐性和技術(shù)性比較強，因此，課程強調(diào)通過實踐環(huán)節(jié)的訓練，培養(yǎng)學生的工程實踐能力。三、課程目標課程目標1：了解計算機系統(tǒng)的發(fā)展、硬件基本組成、工作過程和計算機硬件的主要技術(shù)指標，建立完整清晰地整機概念并能對系統(tǒng)性能進行評價。（支撐畢業(yè)要求指標點1.4）課程目標2：理解計算機系統(tǒng)中數(shù)據(jù)、字符等信息的表示方式以及數(shù)據(jù)的運算方法，能夠?qū)?shù)據(jù)的不同表示方式在表示范圍、精度以及轉(zhuǎn)換效率方面進行分析。（支撐畢業(yè)要求指標點2.3）課程目標3：通過運算器設計、存儲器設計、控制器設計理論和實驗學習，培養(yǎng)學生運用所學的電路分析、數(shù)字邏輯電路、計算機組成原理等課程知識對任務進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果測試并判斷設計是否正確。（支撐畢業(yè)要求指標點3.2）課程目標4：通過在模型機上設計指令系統(tǒng)并執(zhí)行典型指令構(gòu)成的程序段，理解存儲程序和程序控制以及指令流、數(shù)據(jù)流等重要概念，建立整機概念，培養(yǎng)選擇合適的平臺和工具，對設計方案進行仿真、測試和優(yōu)化的能力。（支撐畢業(yè)要求指標點5.2）四、課程目標對畢業(yè)要求指標點的支撐表4-1課程目標對畢業(yè)要求指標點的支撐畢業(yè)要求畢業(yè)要求指標點課程目標12341工程知識1.4能將相關(guān)知識用于計算機應用系統(tǒng)解決方案的對比，并進行優(yōu)化改進M2問題分析2.3掌握國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并了解解決問題可能存在的各種方案，能通過查閱相關(guān)資料，對復雜工程問題的解決方法進行有效表達；M3設計/開發(fā)解決方案3.2在需求分析基礎上實現(xiàn)網(wǎng)絡模塊或協(xié)議算法分析與設計，并測試正確性，能根據(jù)結(jié)果進行評價M5使用現(xiàn)代工具5.2設計模擬數(shù)據(jù)，能使用合適的軟硬件開發(fā)環(huán)境與工具對計算機應用系統(tǒng)領域復雜工程問題進行預測與仿真；H注：分別用“H、M、L”對應表示“高、中、低”支撐。五、教學內(nèi)容、實施方法和手段表5-1教學內(nèi)容與進度要求章節(jié)小節(jié)內(nèi)容要求具體要求學生成果目標學時第一章計算機系統(tǒng)概論1.1計算機系統(tǒng)簡介認知了解計算機系統(tǒng)軟件硬件基本概念、層次結(jié)構(gòu)了解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)121.2計算機的基本組成對馮?諾伊曼計算機基本組成概要的認識，初步認識計算機內(nèi)部的工作過程。了解計算機組成框圖1.3計算機硬件的主要技術(shù)指標了解計算機硬件的主要技術(shù)指標如何評價系統(tǒng)性能第二章計算機的發(fā)展及應用2.1計算機的發(fā)展史認知了解計算機的產(chǎn)生、發(fā)展的簡要歷史，目前的應用領域和展望了解計算機換“代”的依據(jù)、摩爾定律122.2計算機的應用2.3計算機的展望第三章系統(tǒng)總線3.1總線的基本概念認知總線概念、功能，信息傳送方式（串行和并行）了解總線概念、串行/并行通信123.2總線的分類理解區(qū)分片內(nèi)總線、系統(tǒng)總線、通信總線區(qū)分三類總線13.3總線特性及性能指標分析了解總線特性、性能指標及常用總線標準會計算總線數(shù)據(jù)傳輸率、帶寬13.4總線結(jié)構(gòu)認知單總線、多總線結(jié)構(gòu)，總線結(jié)構(gòu)舉例了解總線的不同連接方式及特點123.5總線控制理解判優(yōu)控制（鏈式查詢、計數(shù)器定時查詢、獨立請求方式）和通信控制（同步、異步、半同步、分離式）掌握總線判優(yōu)控制和通信控制特點及原理1第四章存儲器4.1概述理解存儲器分類，存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的概念，了解緩存-主存（提高速度）和主存-輔存層次（擴大容量）的作用理解存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的原理和特點314.2主存儲器分析半導體存儲芯片的外特性以及與CPU的連接會設計存儲系統(tǒng)（字、位擴展）334.3高速緩沖存儲器程序訪問的局部性原理與存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的關(guān)系。會分析三種主存-緩存地址映射方式32第五章輸入輸出系統(tǒng)5.1概述理解I/O系統(tǒng)組成、I/O設備和主機的聯(lián)系方式（程序查詢、程序中斷和DMA）三種方式CPU工作效率比較10.55.2I/O設備認知常用的鍵盤、顯示器、打印機等設備與主機信息交換的方式了解它們?nèi)绾闻c主機通信115.3I/O接口接口的功能和組成、分類了解接口的功能和組成、分類11.55.4程序查詢方式理解理解程序查詢方式原理和步驟掌握三種控制方式特點以及各自所需的硬件及軟件支持115.5程序中斷方式理解程序中斷方式原理和步驟、中斷向量的概念、單重中斷和多重中斷的服務流程115.6DMA方式理解DMA與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點。11第六章計算機的運算方法6.1無符號數(shù)和有符號數(shù)理解機器數(shù)與真值的區(qū)別、數(shù)的符號表示、小數(shù)點表示、各種機器數(shù)(原碼、補碼、反碼、移碼)的應用場合及其與真值的相互轉(zhuǎn)換掌握數(shù)的表示和相互轉(zhuǎn)換20.56.2數(shù)的定點表示和浮點表示給定機器字長，定點和浮點中各種機器數(shù)的表示范圍理解數(shù)的表示方法和范圍20.56.3定點運算理解移位運算的特殊作用，不同機器數(shù)的移位規(guī)則。能進行定點補碼加、減（溢出判斷），原碼一位乘法運算能進行簡單運算226.4浮點四則運算掌握浮點補碼加減運算、規(guī)格化、溢出判斷能進行簡單運算226.5算術(shù)邏輯單元理解ALU電路功能，了解如何提高運算器的速度（快速進位鏈的設計）理解ALU功能，了解快速進位鏈的設計31第七章指令系統(tǒng)7.1機器指令分析理解機器指令的一般格式以及指令字中各字段的作用，理解擴展操作碼技術(shù)能按要求設計指令系統(tǒng)427.2操作數(shù)類型和操作類型認知操作數(shù)類型、數(shù)據(jù)在存儲器中的存放方式、操作類型了解指令操作數(shù)類型和操作類型417.3尋址方式分析理解不同的地址格式對訪存次數(shù)、尋址范圍的影響理解不同的尋址方式對操作數(shù)的尋址范圍、所需的硬件支持、信息加工流程以及編程的影響會分析如何得到操作數(shù)，有效地址（EA）的形成427.4指令格式舉例認知設計指令格式考慮的因素了解常見的幾種指令格式40.57.5RISC技術(shù)RISC的主要特點及其與CISC的區(qū)別會對比RISC和CISC40.5第八章CPU的結(jié)構(gòu)和功能8.1CPU的結(jié)構(gòu)認知了解CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能和硬件組成了解CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能318.2指令周期理解理解指令周期的基本概念、數(shù)據(jù)流理解CPU工作周期和指令周期的概念428.3指令流水掌握指令流水技術(shù)理解指令流水原理418.4中斷系統(tǒng)分析理解中斷系統(tǒng)的原理和步驟會分析中斷屏蔽字和優(yōu)先級32第九章控制單元的功能9.1微操作命令的分析分析理解不同的指令控制單元應發(fā)出哪些不同的操作命令?？刂茊卧诓煌噶畹娜≈?、間址和中斷周期中發(fā)出哪些相同的操作命令（控制信號）會分析指令對應的控制信號329.2控制單元的功能掌握多級時序系統(tǒng)的作用、控制單元的控制方式。會計算指令周期、機器周期、時鐘周期32第十章控制單元的設計10.1組合邏輯設計綜合能結(jié)合時序系統(tǒng)的概念，對不同指令相應的微操作命令安排節(jié)拍。掌握組合邏輯控制單元的設計思想、設計步驟、硬件組成及其工作原理。能分析得到微指令的控制方式(編碼方式)及后續(xù)微指令地址的形成方式。3210.2微程序設計掌握微程序控制單元的設計思想、設計步驟、硬件組成及其工作原理，比較兩種控制單元微操作命令節(jié)拍安排的區(qū)別能確定微指令格式,編寫微指令的碼點34表5-2實驗教學內(nèi)容與進度要求序號實驗/上機項目實驗內(nèi)容與方法實驗類型學時必做/選做課程目標1全加器實驗掌握全加器的邏輯結(jié)構(gòu)和電路實現(xiàn)方法驗證2必做12運算器實驗掌握算術(shù)邏輯運算功能發(fā)生器74LS181的組合功能驗證2必做13存儲器實驗掌握靜態(tài)隨機存取器RAM6116的工作特性及數(shù)據(jù)讀寫方法驗證2必做14總線與微命令實驗理解總線的概念和作用，掌握微命令和微操作的概念和設計設計2必做25累加器實驗理解累加器的概念和作用，掌握使用微命令執(zhí)行各種操作的方法設計2必做26程序計數(shù)器實驗理解程序計數(shù)器的作用，掌握使用微命令通過程序計數(shù)器從存儲器讀取指令和數(shù)據(jù)的方法設計2必做27微程序控制器實驗掌握指令操作碼與控制存儲器中微程序的對應方法，熟悉根據(jù)指令操作碼從控制存儲器中讀出微程序的過程。設計2必做38簡單模型機實驗通過總線將微程序控制器和運算器、存儲器等連接，組成一臺簡單模型機綜合2必做3表5-3課程實施手段序號采用手段具體目標1以課堂教學為主，理論教學、小組討論與課后作業(yè)相結(jié)合。強化學生工程觀點的建立和工程分析能力的培養(yǎng)。2課堂教學采用多媒體課件、電子教案、傳統(tǒng)教學方法和線上教學輔助結(jié)合。提高效率，增強教學的直觀性和課堂教學的信息量。3小組討論采用啟發(fā)式教學，通過學生協(xié)作、自主學習的答辯模式進行。讓學生自主分工、查閱資料、研究分析與制作匯報報告，培養(yǎng)學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。課程思政表6-1課程思政內(nèi)容課程思政教學內(nèi)容=1\*GB3①誠信：認真付出，努力做事，堅持科學觀和實事求是精神。=2\*GB3②友善：保持平和、寬容的心去對人做事，團結(jié)協(xié)作，尊長愛幼。=3\*GB3③愛崗：富有不斷學習和探索進取的工作態(tài)度，熱愛本專業(yè)。=4\*GB3④敬業(yè)：做事可以吃苦耐勞，工作能夠精益求精。=5\*GB3⑤其它：科學發(fā)展觀及積極向上的人生觀。表6-2課程思政案例序號案例名稱所屬章節(jié)/實驗實踐項目案例教學目標、原理案例教學內(nèi)容1存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)第四章存儲器目標：計算機組成的發(fā)展規(guī)律、設計方法學原理：內(nèi)因與外因、整體與部分、矛盾分析存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)由寄存器、Cache、主存、磁盤、光盤、磁帶等不同的存儲介質(zhì)組成。每一種都有缺點，但是組合在一起作為一個整體，可以達到速度快、容量大、價格便宜的要求。2RISC設計思路第七章指令系統(tǒng)目標：計算機組成的發(fā)展規(guī)律、設計方法學原理：矛盾分析、內(nèi)因與外因RISC的設計初衷針對CISC

CPU復雜的弊端，選擇一些可以在單個CPU周期完成的指令，以降低CPU的復雜度，將復雜性交給編譯器。3美國制裁中興、華為事件第八章CPU的結(jié)構(gòu)和功能目標：計算機組成的價值評判原理：矛盾分析、內(nèi)因與外因、價值觀、人生觀只有從源頭上掌握芯片核心技術(shù)，從設計到制造都有自主知識產(chǎn)權(quán)，才能不受制于人。落后就要挨打。七、考核及成績評定方式1、考核方法本課程考核采用平時成績+實驗成績+期末考試的綜合考核方式，即：總成績=平時成績*20%+實驗成績*30%+期末考試成績*50%平時成績分為3部分：課后作業(yè)（5%）、課堂測試（10%）小組討論（5%）。各考核環(huán)節(jié)及權(quán)重如表7-1所示。表7-1考核環(huán)節(jié)及權(quán)重表課程目標支撐畢業(yè)要求評價方式及成績比例（%)成績比例（%）平時成績實驗成績（4）期末成績（5）課后作業(yè)（5%）課堂測試（10%）小組討論（5%）課程目標1指標點1.4--5----510課程目標2指標點2.32------57課程目標3指標點1.4，5.235--152043課程目標4指標點1.4，3.2----5152040合計510530501002、考核內(nèi)容及評價標準①實驗成績：占總成績的30%。主要考核操作實驗平臺工具的能力、分析設計能力、語言表達與溝通能力、實驗報告撰寫與文字表達能力。實驗考核評價的依據(jù)包括實驗報告、現(xiàn)場實驗完成情況。評分標準如表7-2所示。表7-2實驗成績評定標準課程目標考核內(nèi)容考核標準90-100（優(yōu)）80-89（良）70-79（中）60-69（及格）0-59（不及格）31.驗證算術(shù)邏輯運算功能發(fā)生器74LS181的組合功能2.掌握靜態(tài)隨機存取器RAM工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法3.設計一個控制邏輯實現(xiàn)總線優(yōu)先級排隊4.編寫CPLD芯片設計程序，實現(xiàn)存儲器的先進先出5.用ABLE語言編寫功能描述程序，設計高速四位乘法器獨立完成實驗，并能解決實驗過程中出現(xiàn)的問題；能夠獨立完成預習報告的撰寫，內(nèi)容全面；能夠詳細記錄實驗過程，對實驗數(shù)據(jù)進行正確分析、討論，并能得到有效結(jié)論。獨立完成實驗，并能解決實驗過程中出現(xiàn)的部分問題；能夠獨立完成預習報告的撰寫，內(nèi)容比較全面；實驗過程記錄比較詳細，分析、討論比較得當，并能得到有效結(jié)論。在同學、老師的幫助下完成實驗步驟；能夠獨立完成預習報告的撰寫，內(nèi)容基本全面；實驗過程記錄基本詳細，分析、討論基本得當，能夠得到部分有效結(jié)論。在同學、老師的幫助下完成實驗步驟；能夠獨立完成預習報告的撰寫，內(nèi)容不夠全面；實驗過程記錄不夠詳細，分析、討論不夠得當，實驗結(jié)論不夠合理。未做實驗或未交實驗報告41.掌握硬布線控制器的組成原理、設計方法2.編寫微程序、觀察微程序的執(zhí)行3.通過總線將微程序控制器和運算器、存儲器等連接，組成一臺模型機②期末考試成績：占總成績50%。主要對學生學習情況的全面檢查，其內(nèi)容覆蓋各章知識點，主要考核學生的分析、設計能力,題型主要為計算機系統(tǒng)分析、設計類應用題。期末考核評價依據(jù)主要是期末考試試卷，采用閉卷形式,考試時間120分鐘，成績采用百分制，卷面成績總分100分。具體考試時間安排在期末考試周由教務處統(tǒng)一通知。③平時成績：占總成績20%。平時考核占貫穿整個學習期間,考核內(nèi)容包括章節(jié)知識點掌握情況,特別是涉及不易在限定時間內(nèi)完成,需要查閱相關(guān)資料,需要考慮非技術(shù)因素,需要考慮對問題的分析與建模能力的內(nèi)容。平時考核評價主要依據(jù)作業(yè)完成情況、課堂測試、小組討論等。A、課堂測試：占總成績的10%。課堂上可通過在線平臺進行針對本次或之前授課內(nèi)容進行測試，題型一般為單選題、多選題、判斷題和填空題等，學生通過移動端平臺登陸，測試的結(jié)果同時可以作為課堂考勤依據(jù)。課堂測試考核方案和評價標準如表7-3所示。表7-3課堂測試考核方案和評價標準課程目標考核內(nèi)容評價標準1計算機硬件的基本組成、主要技術(shù)指標；客觀題通過平臺自動評分，主觀題由老師在平臺手動評分，然后在平臺上發(fā)布學生分數(shù)3CPU和存儲器之間的連接；存儲器的位擴展、字擴展和字位擴展方式；CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要寄存器的作用；設計指令流程圖；微命令、微指令及微程序的設計；定點運算器的基本結(jié)構(gòu)；微程序控制器的結(jié)構(gòu)；硬布線控制器的結(jié)構(gòu)和原理；串行通信和并行通信；同步通信和異步通信4程序查詢方式的原理；中斷的概念、中斷優(yōu)先級以及中斷處理的過程；DMA的過程以及基本DMA控制器結(jié)構(gòu)；I/O接口的結(jié)構(gòu)；I/O系統(tǒng)組成；B、課后作業(yè)：占總成績的5%。課后定期的布置作業(yè)，布置次數(shù)不低于5次，每次作業(yè)的占比均分，根據(jù)學生作業(yè)是否按時上交、是否獨立完成以及作業(yè)完成準確性與可讀性評分。作業(yè)考核方案和評價標準如表7-4所示。表7-4作業(yè)考核方案和評價標準課程目標考核內(nèi)容考核標準90-100（優(yōu)）80-89（良）70-79（中）60-69（及格）0-59（不及格）2定點數(shù)表示方式和浮點數(shù)表示方式；常用的信息編碼的計算方法和轉(zhuǎn)換方法；定點數(shù)的運算方法；浮點數(shù)的運算過程；按時足量提交，90以上的概念與計算正確，方案合理，書寫清晰、規(guī)范按時足量提交，80%以上的概念與計算正確，方案較合理，書寫比較清晰、規(guī)范缺量提交，70%以上的概念與計算正確，方案基本合理，書寫基本清晰、規(guī)范補交，60%以上的概念與計算正，方案不夠合理，書寫不夠清晰、規(guī)范不交作業(yè)3CPU和存儲器之間的連接；存儲器的位擴展、字擴展和字位擴展方式；CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要寄存器的作用；設計指令流程圖；微命令、微指令及微程序的設計；定點運算器的基本結(jié)構(gòu)；微程序控制器的結(jié)構(gòu)；硬布線控制器的結(jié)構(gòu)和原理；串行通信和并行通信；同步通信和異步通信；C、小組討論：占總成績的5%。根據(jù)學生課堂回答問題和小組討論課上表現(xiàn)評分，每次課堂通過小型答辯完成；匯報小組按照學號輪流方式進行，采用組內(nèi)推薦方式確定具體匯報人。評分按查閱文獻情況、團隊協(xié)作、素材準備、問題分析、現(xiàn)場敘述交流和回答問題情況等進行評價。小組討論考核方案和評價標準如表7-5所示。表7-5小組討論考核方案和評價標準課程目標考核內(nèi)容評價標準考核項比例優(yōu)良中差4指令尋址方式和操作數(shù)尋址方式；指令格式的分析素材準備15%12-159-116-80-5團隊協(xié)作15%12-159-116-80-55程序查詢方式的原理；中斷的概念、中斷優(yōu)先級以及中斷處理的過程；DMA的過程以及基本DMA控制器結(jié)構(gòu)；I/O接口的結(jié)構(gòu)；I/O系統(tǒng)組成；問題分析25%21-2514-208-130-7報告交流25%21-2514-208-130-7問題回答20%16-2011-156-100-5④按照工程教育認證標準和學校人才培養(yǎng)要求，考核以學生能力是否有效達成為基準。為保障學生課程培養(yǎng)能力的達成，規(guī)定期末考試卷面成績低于45分（不含45分）總評成績一律為不及格。⑤考核周期為一個學年。為使評價結(jié)果盡快反饋給各個教學環(huán)節(jié)，促使各個教學環(huán)節(jié)盡快改進，保證教學效果的快速提升。⑥考核依據(jù)《計算機與