計(jì)算機(jī)組成原理課程介紹

精品課程建設(shè)中的體會(huì)哈爾濱工業(yè)大學(xué)唐朔飛2009年10月30日——

計(jì)算機(jī)組成原理課程介紹精品課程建設(shè)中的體會(huì)課程目標(biāo)和定位課程內(nèi)容教材建設(shè)教學(xué)方法教學(xué)手段實(shí)踐教學(xué)教學(xué)隊(duì)伍計(jì)算機(jī)組成原理課程一、課程目標(biāo)和定位

同一名稱(chēng)的課程，不同的學(xué)校，不同的培養(yǎng)目標(biāo)，不同的學(xué)生基礎(chǔ)，在課程的深度和廣度上應(yīng)該不同。計(jì)算機(jī)組成原理課程

哈工大是國(guó)家“985”

重點(diǎn)建設(shè)的大學(xué)，哈工大計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科被認(rèn)定為國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科，我們的人才培養(yǎng)理念是“研究型、個(gè)性化、精英式”人才。一、課程目標(biāo)和定位

本課程圍繞單CPU計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成和工作原理，系統(tǒng)地講述計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及其功能部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能特征、工作原理、交互方式和基本設(shè)計(jì)方法，通過(guò)課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生系統(tǒng)地理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本分析與設(shè)計(jì)方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等后續(xù)課程，全面培養(yǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的認(rèn)知、設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力奠定良好的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)組成原理課程一、課程目標(biāo)和定位計(jì)算機(jī)組成原理課程認(rèn)知能力：通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理的分析、講解和配套實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)硬件的系統(tǒng)級(jí)認(rèn)知能力。設(shè)計(jì)能力：掌握必要的硬件描述語(yǔ)言、設(shè)計(jì)工具及仿真環(huán)境，體驗(yàn)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，掌握相關(guān)硬件設(shè)計(jì)技術(shù)與方法，達(dá)到驗(yàn)證功能部件和系統(tǒng)功能的目的。創(chuàng)新能力：體會(huì)前人在特定的技術(shù)條件下的創(chuàng)新思維，結(jié)合新技術(shù)的介紹，大膽暢想未來(lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，引領(lǐng)學(xué)生突破思維定勢(shì)。

二、課程內(nèi)容計(jì)算機(jī)組成原理課程

符合教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)發(fā)布的《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)公共核心知識(shí)體系與課程》和《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系和規(guī)范》二、課程內(nèi)容計(jì)算機(jī)組成原理課程

重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)幾大部件（存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器、輸入輸出系統(tǒng)及總線）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組織方式和工作原理，以及部件和單元電路的設(shè)計(jì)思想。

難點(diǎn)：如何以控制流和數(shù)據(jù)流為主線，將計(jì)算機(jī)各大部件聯(lián)系起來(lái)，建立整機(jī)概念。如CPU與存儲(chǔ)器、CPU和I/O、存儲(chǔ)器與I/O之間的邏輯關(guān)系，控制器如何控制每一條指令的執(zhí)行過(guò)程，控制單元的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方案等。三、教材建設(shè)計(jì)算機(jī)組成原理課程

貫穿激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探求知識(shí)的理念，采用從整體框架入手，自頂向下，由表及里，層層細(xì)化的分析方法，詳述計(jì)算機(jī)組成原理，誘發(fā)學(xué)生主動(dòng)思索、激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)探求解決各類(lèi)問(wèn)題的途徑和手段。

《計(jì)算機(jī)組成原理第2版》（唐朔飛編著，高等教育出版社）是“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，自2008年1月出版至今，已印刷5

次，共90000

余冊(cè)。

四、教學(xué)方法計(jì)算機(jī)組成原理課程填鴨似的灌入式學(xué)生參與思索的啟發(fā)式激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探求答案積極性的激發(fā)式老師授課時(shí)在每個(gè)章節(jié)處安排疑點(diǎn)在每一堂課的前后連接處提出懸念激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和探索的欲望，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考

五、教學(xué)手段計(jì)算機(jī)組成原理課程配套的電子課件（隨書(shū)出版）輔助教材

《計(jì)算機(jī)組成原理——

學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答》

（唐朔飛，高教出版社2005

年出版）

化解課程中遇到的重點(diǎn)和難點(diǎn)，達(dá)到“自檢”學(xué)習(xí)的效果試題庫(kù)為教師提供試題參考教學(xué)網(wǎng)站

提供教學(xué)大綱、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)日歷、學(xué)習(xí)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)大綱、習(xí)題精選、互動(dòng)論壇等

各種教學(xué)資源集成發(fā)展

有助于學(xué)生消化、吸收、理解、掌握課程內(nèi)容六、實(shí)踐教學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理課程第一階段基本技能的培養(yǎng)第二階段部件綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)第三階段系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)課，結(jié)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型、綜合型三種實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步加深課堂教學(xué)的感性認(rèn)識(shí)

通過(guò)課程設(shè)計(jì)或“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)踐”后續(xù)課完成

通過(guò)“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐”后續(xù)課完成六、實(shí)踐教學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理課程

“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐”是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)組成原理的后續(xù)課程，實(shí)踐環(huán)節(jié)占80%。要求學(xué)生學(xué)會(huì)一種硬件描述語(yǔ)言，熟練使用指定的芯片級(jí)開(kāi)發(fā)工具和相應(yīng)的調(diào)試手段，掌握系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的過(guò)程和深入領(lǐng)會(huì)芯片級(jí)設(shè)計(jì)的層次化思想，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)指定功能的處理器芯片，再利用該芯片搭建一個(gè)系統(tǒng)，完成訪存控制操作和基本I/O控制操作，建立整機(jī)概念。六、實(shí)踐教學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理課程

通過(guò)計(jì)算機(jī)部件設(shè)計(jì)和處理器設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力以及運(yùn)用知識(shí)求解問(wèn)題的能力。

通過(guò)硬件描述語(yǔ)言的學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)工具的使用，訓(xùn)練學(xué)生的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與調(diào)試能力，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高工程素質(zhì)。七、教學(xué)隊(duì)伍計(jì)算機(jī)組成原理課程

教師隊(duì)伍的建設(shè)是能否確保教學(xué)事業(yè)持續(xù)發(fā)展和不斷創(chuàng)新的根本保證。

強(qiáng)調(diào)教師隊(duì)伍的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

注重培養(yǎng)年輕教師的能力，要求他們不僅會(huì)“教”，還要求他們會(huì)“導(dǎo)”，參與本課程的各個(gè)環(huán)節(jié)，（聽(tīng)課、答疑、批改作業(yè)、講習(xí)題、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)等），貫徹老帶中、中帶新，層層有指導(dǎo)，有督察。精品課程建設(shè)中的體會(huì)課程目標(biāo)和定位課程內(nèi)容教材建設(shè)教學(xué)方法教學(xué)手段實(shí)踐教學(xué)教學(xué)隊(duì)伍計(jì)算機(jī)組成原理課程計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)哈爾濱工業(yè)大學(xué)唐朔飛2009年10月30日計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)課程的內(nèi)容體系教材選擇課程講授作業(yè)安排實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考題設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定一、課程的內(nèi)容體系

1．基本描述計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)課程名稱(chēng)：計(jì)算機(jī)組成原理課程英文名稱(chēng)：PrinciplesofComputerOrganization課程性質(zhì)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)必修的核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課總學(xué)時(shí)：68講課學(xué)時(shí)：52實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：16先修課程：計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)后續(xù)課程：計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等一、課程的內(nèi)容體系

2．教學(xué)定位計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)中的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中占有重要地位和作用。學(xué)習(xí)本課程旨在使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件各子系統(tǒng)的組成原理及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力有重要作用。該課程為今后學(xué)習(xí)接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等后續(xù)課程，全面培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)認(rèn)識(shí)、設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力奠定良好的基礎(chǔ)。一、課程的內(nèi)容體系計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念（3學(xué)時(shí)）計(jì)算機(jī)軟硬件概念；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)；計(jì)算機(jī)的基本組成；馮?諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)；計(jì)算機(jī)的硬件框圖及工作過(guò)程；計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)；計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用。（2）總線（3學(xué)時(shí)）總線的基本概念；總線的分類(lèi)；總線特性及性能指標(biāo)；總線結(jié)構(gòu)；總線的判優(yōu)控制和通信控制。

3．知識(shí)點(diǎn)與學(xué)時(shí)分配一、課程的內(nèi)容體系計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)（3）存儲(chǔ)器（10學(xué)時(shí)）存儲(chǔ)器分類(lèi)和存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)；主存儲(chǔ)器（包括半導(dǎo)體儲(chǔ)芯片簡(jiǎn)介、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器與CPU的連接、存儲(chǔ)器的校驗(yàn)、提高訪存速度措施）；高速緩沖存儲(chǔ)器（包括Cache的基本結(jié)構(gòu)及工作原理、Cache-主存地址映射、替換算法）；輔助存儲(chǔ)器（包括輔助存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及主要技術(shù)指標(biāo)、磁記錄原理和記錄方式、磁盤(pán)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)、光盤(pán)存儲(chǔ)器的存取原理）。

3．知識(shí)點(diǎn)與學(xué)時(shí)分配一、課程講授的內(nèi)容體系計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)（4）輸入輸出系統(tǒng)（8學(xué)時(shí)）輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況及組成、I/O與主機(jī)的編址方式、傳送方式、聯(lián)絡(luò)方式以及設(shè)備尋址；外部設(shè)備分類(lèi)及簡(jiǎn)介；Ｉ/O接口的功能及基本組成；程序查詢方式的工作原理及程序查詢接口電路；程序中斷方式的工作原理及程序中斷接口電路、中斷服務(wù)流程；DMA方式的特點(diǎn)、DMA接口電路的功能、組成、類(lèi)型及DMA的工作過(guò)程。

3．知識(shí)點(diǎn)與學(xué)時(shí)分配一、課程的內(nèi)容體系計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)（6）計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示（4學(xué)時(shí)）計(jì)算機(jī)中有符號(hào)數(shù)（原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼）和無(wú)符號(hào)數(shù)的表示；計(jì)算機(jī)中數(shù)的定點(diǎn)表示和浮點(diǎn)表示。（7）計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法和運(yùn)算器（8學(xué)時(shí)）定點(diǎn)運(yùn)算（算術(shù)移位和邏輯移位、補(bǔ)碼加減、原碼補(bǔ)碼乘法、原碼補(bǔ)碼除法）及相應(yīng)的硬件配置；浮點(diǎn)四則運(yùn)算；算術(shù)邏輯單元及進(jìn)位鏈。

3．知識(shí)點(diǎn)與學(xué)時(shí)分配一、課程的內(nèi)容體系計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)（7）指令系統(tǒng)（4學(xué)時(shí)）機(jī)器指令的一般格式；操作數(shù)類(lèi)型和操作類(lèi)型；指令的地址格式和尋址方式；指令格式舉例；RISC技術(shù)概述。（8）CPU的結(jié)構(gòu)和功能（4學(xué)時(shí)）

CPU的功能及結(jié)構(gòu)框圖；指令周期；指令流水；中斷系統(tǒng)（包括引起中斷的各種因素，中斷系統(tǒng)所需解決的共性問(wèn)題，如：中斷請(qǐng)求標(biāo)記、中斷判優(yōu)、中斷響應(yīng)、中斷服務(wù)、中斷返回、多重中斷等）。

3．知識(shí)點(diǎn)與學(xué)時(shí)分配一、課程的內(nèi)容體系計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)（9）控制單元（4學(xué)時(shí)）微操作命令的分析（按取指周期、間指周期、執(zhí)行周期和中斷周期分析不同指令的微操作命令）；控制單元的外特性；多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)；控制方式；控制信號(hào)實(shí)例分析。

3．知識(shí)點(diǎn)與學(xué)時(shí)分配一、課程的內(nèi)容體系計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)（10）控制單元的設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）組合邏輯設(shè)計(jì)：組合邏輯控制單元框圖、微操作節(jié)拍安排、組合邏輯設(shè)計(jì)舉例。微程序設(shè)計(jì)：微程序控制單元框圖及工作原理、微指令的編碼方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序設(shè)計(jì)舉例。

3．知識(shí)點(diǎn)與學(xué)時(shí)分配二、教材選擇

選用普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《計(jì)算機(jī)組成原理第2版》（唐朔飛編著，高等教育出版社，2008年1月）該教材是面向21世紀(jì)課程教材《計(jì)算機(jī)組成原理》的第2版。該教材根本上扭轉(zhuǎn)了從二進(jìn)制數(shù)制碼制開(kāi)始，接著按運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入輸出系統(tǒng)的順序，逐一講述計(jì)算機(jī)中各部件的傳統(tǒng)寫(xiě)法，致使學(xué)生往往學(xué)了半個(gè)學(xué)期，仍不知其所以然，直到最后才將全部的內(nèi)容連貫起來(lái)。這種自底向上的講述方法，不易激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探求知識(shí)，也不利于“以學(xué)生為主”的教學(xué)方式。

計(jì)算機(jī)組成原理課程二、教材選擇

本教材定位在原理和性能分析上。首先把學(xué)生領(lǐng)到計(jì)算機(jī)整體框架的制高點(diǎn)上，然后帶領(lǐng)學(xué)生自頂向下，由表及里，層層細(xì)化，一步一步進(jìn)入到計(jì)算機(jī)的內(nèi)核，更有利于學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)工作原理的理解。在深化過(guò)程中，每走一步會(huì)出現(xiàn)一系列懸念，每一個(gè)懸念又都啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)從下一篇章尋求答案。因此在大框架的指導(dǎo)下，在深入細(xì)化的過(guò)程中，學(xué)生自覺(jué)的加深了對(duì)計(jì)算機(jī)的理解。在此過(guò)程中，由于突出了激發(fā)式教育，學(xué)生經(jīng)過(guò)主動(dòng)探求，使知識(shí)掌握得更加牢固。計(jì)算機(jī)組成原理課程三、課程講授

1．重點(diǎn)與難點(diǎn)計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)組成的概貌和框圖；主機(jī)完成一條指令的

信息流程

難點(diǎn)：如何區(qū)分存放在存儲(chǔ)器中的指令和數(shù)據(jù)

第2章計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用本章屬于綜述性內(nèi)容不存在重點(diǎn)及重點(diǎn)三、課程講授

1．重點(diǎn)與難點(diǎn)計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)第3章系統(tǒng)總線重點(diǎn)：總線的功能與結(jié)構(gòu)；總線的性能指標(biāo)；總線的判優(yōu)控制和通信控制；如何克服總線的瓶頸

難點(diǎn)：總線的通信控制三、課程講授

1．重點(diǎn)與難點(diǎn)計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)設(shè)計(jì)第4章存儲(chǔ)器重點(diǎn)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)；主存、Cache的工作原理及技術(shù)指標(biāo)；半導(dǎo)體體存儲(chǔ)芯片的外特性及與CPU

的連接；提高訪存速度的措