《計算機組成原理B》教學大綱

《計算機組成原理B》教學大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：08130401課程性質：學科基礎必修課學分：3.5學分學時：56學時（理論56學時）先修課程：無后續(xù)課程：無適用專業(yè)：數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術開課單位：計算機科學與技術學院一、課程說明《計算機組成原理B》是計算機類專業(yè)的學科基礎必修課。本課程的教學目的是使學生了解計算機系統(tǒng)的基本組成原理；掌握計算機系統(tǒng)硬件的基本組成和各功能部件的工作原理；掌握信息、數(shù)據(jù)表示與指令結構類型及指令執(zhí)行原理；掌握程序和數(shù)據(jù)在計算機中如何存儲以及指令在計算機中的編譯和執(zhí)行過程；掌握計算機與外部設備之間的接口技術與原理；了解計算機外部設備的基本結構與工作原理。二、課程目標通過本課程的學習，使學生達到如下目標：課程目標1：深刻理解馮諾依曼結構計算機的工作原理，掌握運算器、存儲器、指令系統(tǒng)、控制器、存儲器、總線、輸入/輸出系統(tǒng)的結構和工作原理；建立軟硬協(xié)同的系統(tǒng)觀，能利用上述知識和相關模型對計算機功能部件和計算機系統(tǒng)設計方案進行推理和分析，且具備驗證解決方案的合理性和對方案優(yōu)化的能力。課程目標2：掌握CPU性能評估方法、高速緩沖存儲器、虛擬存儲器的相關性能分析與計算，輸入輸出系統(tǒng)等基本量化手段，能運用上述量化方法對計算機復雜工程問題解決過程中的關鍵影響因素進行分析并選擇合適的方案。課程目標3：掌握滿足特定功能要求的運算器、控制器、存儲器等硬件功能件及計算機硬件系統(tǒng)的設計流程和設計方法，在設計過程中培養(yǎng)學生的愛國情懷、科學精神、工匠精神、創(chuàng)新精神，牢固樹立關注工程與社會、環(huán)境的大工程觀思維，培養(yǎng)工程師的責任感。三、課程目標與畢業(yè)要求《計算機組成原理B》課程教學目標對數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學目標與畢業(yè)要求關系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度1.工程知識1.3掌握相關自然科學知識、工程基礎知識和思維方法，能夠將其用于解決數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術領域的復雜工程問題，能夠將數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)知識用于對復雜工程問題解決方案的分析與優(yōu)化。課程目標1：深刻理解馮諾依曼結構計算機的工作原理，掌握運算器、存儲器、指令系統(tǒng)、控制器、存儲器、總線、輸入/輸出系統(tǒng)的結構和工作原理；建立軟硬協(xié)同的系統(tǒng)觀，能利用上述知識和相關模型對計算機功能部件和計算機系統(tǒng)設計方案進行推理和分析，且具備驗證解決方案的合理性和對方案優(yōu)化的能力。H2.問題分析2.3能運用數(shù)學、自然科學和數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術工程科學基本原理，分析和驗證解決方案的合理性，并能夠掌握解決方案優(yōu)化方法。課程目標2：掌握CPU性能評估方法、高速緩沖存儲器、虛擬存儲器的相關性能分析與計算，輸入輸出系統(tǒng)等基本量化手段，能運用上述量化方法對計算機復雜工程問題解決過程中的關鍵影響因素進行分析并選擇合適的方案。M3.設計/開發(fā)解決方案3.1能夠針對大數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)設計與開發(fā)滿足特定需求的模塊或算法。課程目標3：掌握滿足特定功能要求的運算器、控制器、存儲器等硬件功能件及計算機硬件系統(tǒng)的設計流程和設計方法，在設計過程中培養(yǎng)學生的愛國情懷、科學精神、工匠精神、創(chuàng)新精神，牢固樹立關注工程與社會、環(huán)境的大工程觀思維，培養(yǎng)工程師的責任感。H注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關畢業(yè)要求的關聯(lián)度。四、教學內容、基本要求與學時分配1.理論部分理論部分的教學內容、基本要求與學時分配見表2。表2教學內容、基本要求與學時分配教學內容教學要求，教學重點難點理論學時實驗學時對應的課程目標1.計算機系統(tǒng)概述1.1計算機發(fā)展歷程1.2計算機系統(tǒng)組成1.3計算機系統(tǒng)的層次結構1.4計算機的性能指標和評價教學要求：使學生了解國際、國內計算機發(fā)展的歷史；掌握馮諾伊曼計算機的工作原理、基本組成及各部分的主要功能；了解計算機軟/硬件互動關系；熟悉計算機系統(tǒng)的層次結構，了解不同層次的抽象特點；熟悉常見計算機系統(tǒng)的性能評價指標，掌握CPU性能公式及性能評價方法。理解不同性能評價方法的局限性。重點：馮諾伊曼計算機的工作原理；計算機系統(tǒng)的層次結構。難點：CPU性能公式及CPU性能評價方法。412.數(shù)據(jù)信息的表示2.1數(shù)據(jù)表示的作用2.2數(shù)據(jù)的表示2.3非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示2.4數(shù)據(jù)信息的校驗教學要求：使學生熟練掌握數(shù)據(jù)的編碼表示（原碼、反碼、補碼、移碼）；掌握定點數(shù)與浮點數(shù)數(shù)據(jù)表示及范圍的計算方法、規(guī)格化浮點數(shù)的概念及規(guī)格化方法；了解非數(shù)值信息的編碼表示，尤其是漢字編碼；掌握奇偶校驗、海明校驗、CRC校驗的方法、特點。重點：補碼及其性質；校驗碼的原理與特點。難點：浮點數(shù)表示范圍；校驗電路設計方法。81、23.運算方法與運算器3.1計算機中的運算3.2定點加減法運算3.3定點乘法運算3.4定點除法運算3.5浮點運算3.6運算器教學要求：使學生掌握定點數(shù)的加減運算方法、溢出檢測及實現(xiàn)；掌握定點數(shù)乘法、除法方法及實現(xiàn)；掌握定點運算器結構及設計方法；掌握浮點數(shù)加、減運算及溢出判斷方法；了解浮點數(shù)乘、除運算。重點：定點數(shù)加、減運算及其運算器設計；定點數(shù)乘、除運算及其運算器設計。難點：溢出檢測；并行進位電路設計。101、2、34.存儲系統(tǒng)4.1存儲器概述4.2半導體存儲器4.3主存的組織及與CPU的連接4.4并行主存系統(tǒng)4.5高速緩沖存儲器4.6虛擬存儲器教學要求：使學生掌握存儲體系的工作原理、構成及各層次的作用；掌握SRAM、DRAM的工作原理；了解ROM的工作原理與分類；掌握主存的組成、擴展與控制方法；熟悉相聯(lián)存儲器的工作原理；掌握Cache的工作原理、常見地址映射方式、替換算法；掌握頁式虛擬存儲器的工作原理；熟悉輔助存儲器的種類與技術指標；了解磁盤陣列技術與容錯支持。重點：存儲擴展與地址計算；Cache的工作原理；頁式虛擬存儲器的工作原理。難點：包含TLB、Cache和主存的存儲體系的工作原理與地址轉換；Cache的設計。101、2、35.指令系統(tǒng)5.1指令系統(tǒng)概述5.2指令格式5.3尋址方式5.4指令類型5.5指令格式設計5.6CISC和RISC教學要求：使學生掌握指令格式及各部分的作用；掌握指令和數(shù)據(jù)的尋址方式；深刻理解指令尋址方式的特點及實現(xiàn)機制；深刻理解不同數(shù)據(jù)尋址方式的特點；掌握指令格式及其優(yōu)化設計的基本方法；了解CISC與RISC的概念及特點；掌握MIPS指令格式及特點。重點：操作數(shù)尋址方式；指令格式設計。難點：操作碼擴展；指令格式的優(yōu)化設計。81、2、36.中央處理器6.1中央處理器概述6.2指令周期6.3數(shù)據(jù)通路及指令操作流程6.4時序與控制6.5硬布線控制器6.6微程序控制器6.7異常與中斷處理教學要求：使學生熟悉中央處理器的基本功能及其基本結構；掌握指令周期的概念，理解指令周期不同階段的任務；掌握指令執(zhí)行全過程的分析與數(shù)據(jù)通路分析與設計方法；掌握微程序控制器的工作原理及微程序控制器的設計方法；掌握硬布線控制的工作原理及硬布線控制器的設計方法；能熟練使用CPU設計的常用工具；理解多周期與單周期的概念、熟悉單周期與多周期CPU的特點；掌握單周期、多周期MIPSCPU的設計方法。重點：指令執(zhí)行全過程的分析與數(shù)據(jù)通路分析與設計；微程序控制、硬布線控制器的工作原理。難點：單周期、多周期MIPSCPU的設計。82、37.總線系統(tǒng)7.1總線概述7.2總線傳輸機制7.3總線結構7.3常用總線教學要求：使學生了解總線的特性、總線分類；熟悉總線性能指標及計算方法；掌握總線的常見連接方式及其特點；熟悉總線的仲裁方式及特點；熟悉總線的定時與數(shù)據(jù)傳輸方式；了解總線的標準。重點：總線連接與仲裁方式。難點：總線性能指標及其計算。41、38.輸入輸出系統(tǒng)8.1輸入輸出設備與特性8.2I/O接口8.3數(shù)據(jù)傳輸控制方式8.4程序控制方式8.5程序中斷控制方式8.6DMA方式8.7通道方式教學要求：使學生了解接口的功能、基本結構、接口編址；熟悉查詢輸入輸出方式的工作原理；掌握中斷的基本概念、中斷請求與響應的原理與過程；掌握DMA方式的工作原理。重點：中斷的基本概念、中斷請求與響應的原理與過程；常見輸入輸出方式的性能計算。難點：中斷機制的實現(xiàn)。41、3合計56五、教學方法及手段本課程以課堂講授為主，結合討論、案例、視頻資源共享等教學手段完成課程教學任務和相關能力的培養(yǎng)。通過相關教學活動，幫助學生理解馮諾依曼結構計算機的工作原理，掌握計算機基本組成部件的結構、工作原理、內部運行機制及硬件功能部件和硬件系統(tǒng)的設計方法。建立硬/軟件協(xié)同的整機概念，提升學生計算機系統(tǒng)的分析與設計能力。六、課程資源1.推薦教材（1）譚志虎.計算機組成原理（微課版）[M].人民郵電出版社，2021.2.參考書（1）張基溫.計算機組成原理（第9版）[M].北京：清華大學出版社，2021.（2）王萬生.彭雅琴.計算機組成原理實用教程[M].北京：清華大學出版社，2021.（3）白中英.計算機組成原理（第6版）[M].科學出版社，2019.3.期刊（1）朱惠娟;戴麗麗;徐謙等.計算機組成原理虛擬仿真實驗的設計與實現(xiàn)[J].電子技術與軟件工程,2020(14):38-41.（2）楊皓;楊忠;杜華.孟銳.獨立學院“計算機組成原理”課程教學改革的研究[J].計算機時代,2019,10(022):78-79+82.（3）馮國富,馬玉奇,易叢琴等.面向數(shù)字邏輯與計算機組成原理銜接的實踐環(huán)節(jié)[J].計算機教育,2017,02:141-145.（4）劉昆.一種運算器驗證實驗的設計[J].電腦知識與技術,2017,13(06):172-173.（5）ShanD,XiongS,LiH.ExplorationofTeachingReformintheCourseofComputerCompositionPrinciplesBasedonEngineeringEducationCertification[J].TeacherEducationandCurriculumStudies,2023,8(2):103.4.網絡資源（1）中國大學MOOC.計算機組成原理[EB/OL]./course/HUST-1003159001,2022-01-1/2022-5-12（2）中國大學MOOC.計算機組成[EB/OL]./course/PKU-1205809805,2022-01-1/2022-5-12（3）中國大學MOOC.計算機硬件系統(tǒng)設計[EB/OL]./course/HUST-1205809816,2022-01-1/2022-5-12七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關系見表3。表3課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課堂表現(xiàn)15（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√753作業(yè)20（1）主要考核學生對各章節(jié)知識點的復習、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?055階段測試15（1）主要考核學生對階段所學內容的復習、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次測試單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以測試成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√852期末考核50（1）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核計算機體系結構、運算方法和運算器、存儲器、CPU和指令、總線與外設、輸入輸出系統(tǒng)等內容。（3）考試題型為：填空題、選擇題、判斷題、計算題、簡答題和設計題等?！獭獭?52510合計：100分404020考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、作業(yè)、階段測試、期末考試等方式對學生進行考核評價。考核基本要求：考核總成績由期末試卷成績和過程性考核成績組成。其中：期末試卷成績?yōu)?00分（權重50%），試題類型為填空題、選擇題、判斷題、計算題、簡答題和設計題等類型。試卷中基本知識、基本理論、基本技能的試題分值不超過50%，綜合型或分析型題目分值不低于50%；課堂表現(xiàn)、作業(yè)、階段測試等過程性考核成績?yōu)?00分（權重50%）；過程性考核和考試試題分值分配應與教學大綱各章節(jié)的學時基本成比例。2.過程性考核成績的標準過程