《計(jì)算機(jī)組成原理B》教學(xué)大綱

《計(jì)算機(jī)組成原理B》教學(xué)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(zhì)：學(xué)科基礎(chǔ)必修課學(xué)分：3.5學(xué)分學(xué)時(shí)：56學(xué)時(shí)（理論56學(xué)時(shí)）先修課程：無后續(xù)課程：無適用專業(yè)：數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)開課單位：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院一、課程說明《計(jì)算機(jī)組成原理B》是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)必修課。本課程的教學(xué)目的是使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成原理；掌握計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)類型及指令執(zhí)行原理；掌握程序和數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中如何存儲(chǔ)以及指令在計(jì)算機(jī)中的編譯和執(zhí)行過程；掌握計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的接口技術(shù)與原理；了解計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：深刻理解馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的工作原理，掌握運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、指令系統(tǒng)、控制器、存儲(chǔ)器、總線、輸入/輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；建立軟硬協(xié)同的系統(tǒng)觀，能利用上述知識(shí)和相關(guān)模型對(duì)計(jì)算機(jī)功能部件和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行推理和分析，且具備驗(yàn)證解決方案的合理性和對(duì)方案優(yōu)化的能力。課程目標(biāo)2：掌握CPU性能評(píng)估方法、高速緩沖存儲(chǔ)器、虛擬存儲(chǔ)器的相關(guān)性能分析與計(jì)算，輸入輸出系統(tǒng)等基本量化手段，能運(yùn)用上述量化方法對(duì)計(jì)算機(jī)復(fù)雜工程問題解決過程中的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析并選擇合適的方案。課程目標(biāo)3：掌握滿足特定功能要求的運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器等硬件功能件及計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)過程中培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情懷、科學(xué)精神、工匠精神、創(chuàng)新精神，牢固樹立關(guān)注工程與社會(huì)、環(huán)境的大工程觀思維，培養(yǎng)工程師的責(zé)任感。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《計(jì)算機(jī)組成原理B》課程教學(xué)目標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)支撐強(qiáng)度1.工程知識(shí)1.3掌握相關(guān)自然科學(xué)知識(shí)、工程基礎(chǔ)知識(shí)和思維方法，能夠?qū)⑵溆糜诮鉀Q數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，能夠?qū)?shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)知識(shí)用于對(duì)復(fù)雜工程問題解決方案的分析與優(yōu)化。課程目標(biāo)1：深刻理解馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的工作原理，掌握運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、指令系統(tǒng)、控制器、存儲(chǔ)器、總線、輸入/輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；建立軟硬協(xié)同的系統(tǒng)觀，能利用上述知識(shí)和相關(guān)模型對(duì)計(jì)算機(jī)功能部件和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行推理和分析，且具備驗(yàn)證解決方案的合理性和對(duì)方案優(yōu)化的能力。H2.問題分析2.3能運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)工程科學(xué)基本原理，分析和驗(yàn)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(biāo)2：掌握CPU性能評(píng)估方法、高速緩沖存儲(chǔ)器、虛擬存儲(chǔ)器的相關(guān)性能分析與計(jì)算，輸入輸出系統(tǒng)等基本量化手段，能運(yùn)用上述量化方法對(duì)計(jì)算機(jī)復(fù)雜工程問題解決過程中的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析并選擇合適的方案。M3.設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案3.1能夠針對(duì)大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)滿足特定需求的模塊或算法。課程目標(biāo)3：掌握滿足特定功能要求的運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器等硬件功能件及計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)過程中培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)情懷、科學(xué)精神、工匠精神、創(chuàng)新精神，牢固樹立關(guān)注工程與社會(huì)、環(huán)境的大工程觀思維，培養(yǎng)工程師的責(zé)任感。H注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)理論學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)和評(píng)價(jià)教學(xué)要求：使學(xué)生了解國(guó)際、國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史；掌握馮諾伊曼計(jì)算機(jī)的工作原理、基本組成及各部分的主要功能；了解計(jì)算機(jī)軟/硬件互動(dòng)關(guān)系；熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，了解不同層次的抽象特點(diǎn)；熟悉常見計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，掌握CPU性能公式及性能評(píng)價(jià)方法。理解不同性能評(píng)價(jià)方法的局限性。重點(diǎn)：馮諾伊曼計(jì)算機(jī)的工作原理；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。難點(diǎn)：CPU性能公式及CPU性能評(píng)價(jià)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(yàn)教學(xué)要求：使學(xué)生熟練掌握數(shù)據(jù)的編碼表示（原碼、反碼、補(bǔ)碼、移碼）；掌握定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)表示及范圍的計(jì)算方法、規(guī)格化浮點(diǎn)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(yàn)、海明校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)的方法、特點(diǎn)。重點(diǎn)：補(bǔ)碼及其性質(zhì)；校驗(yàn)碼的原理與特點(diǎn)。難點(diǎn)：浮點(diǎn)數(shù)表示范圍；校驗(yàn)電路設(shè)計(jì)方法。81、23.運(yùn)算方法與運(yùn)算器3.1計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算3.2定點(diǎn)加減法運(yùn)算3.3定點(diǎn)乘法運(yùn)算3.4定點(diǎn)除法運(yùn)算3.5浮點(diǎn)運(yùn)算3.6運(yùn)算器教學(xué)要求：使學(xué)生掌握定點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算方法、溢出檢測(cè)及實(shí)現(xiàn)；掌握定點(diǎn)數(shù)乘法、除法方法及實(shí)現(xiàn)；掌握定點(diǎn)運(yùn)算器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法；掌握浮點(diǎn)數(shù)加、減運(yùn)算及溢出判斷方法；了解浮點(diǎn)數(shù)乘、除運(yùn)算。重點(diǎn)：定點(diǎn)數(shù)加、減運(yùn)算及其運(yùn)算器設(shè)計(jì)；定點(diǎn)數(shù)乘、除運(yùn)算及其運(yùn)算器設(shè)計(jì)。難點(diǎn)：溢出檢測(cè)；并行進(jìn)位電路設(shè)計(jì)。101、2、34.存儲(chǔ)系統(tǒng)4.1存儲(chǔ)器概述4.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)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(chǔ)器4.6虛擬存儲(chǔ)器教學(xué)要求：使學(xué)生掌握存儲(chǔ)體系的工作原理、構(gòu)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(kuò)展與控制方法；熟悉相聯(lián)存儲(chǔ)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(chǔ)器的工作原理；熟悉輔助存儲(chǔ)器的種類與技術(shù)指標(biāo)；了解磁盤陣列技術(shù)與容錯(cuò)支持。重點(diǎn)：存儲(chǔ)擴(kuò)展與地址計(jì)算；Cache的工作原理；頁式虛擬存儲(chǔ)器的工作原理。難點(diǎn)：包含TLB、Cache和主存的存儲(chǔ)體系的工作原理與地址轉(zhuǎn)換；Cache的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)5.6CISC和RISC教學(xué)要求：使學(xué)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(diǎn)及實(shí)現(xiàn)機(jī)制；深刻理解不同數(shù)據(jù)尋址方式的特點(diǎn)；掌握指令格式及其優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法；了解CISC與RISC的概念及特點(diǎn)；掌握MIPS指令格式及特點(diǎn)。重點(diǎn)：操作數(shù)尋址方式；指令格式設(shè)計(jì)。難點(diǎn)：操作碼擴(kuò)展；指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(shí)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(xué)要求：使學(xué)生熟悉中央處理器的基本功能及其基本結(jié)構(gòu)；掌握指令周期的概念，理解指令周期不同階段的任務(wù)；掌握指令執(zhí)行全過程的分析與數(shù)據(jù)通路分析與設(shè)計(jì)方法；掌握微程序控制器的工作原理及微程序控制器的設(shè)計(jì)方法；掌握硬布線控制的工作原理及硬布線控制器的設(shè)計(jì)方法；能熟練使用CPU設(shè)計(jì)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(diǎn)；掌握單周期、多周期MIPSCPU的設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)：指令執(zhí)行全過程的分析與數(shù)據(jù)通路分析與設(shè)計(jì)；微程序控制、硬布線控制器的工作原理。難點(diǎn)：?jiǎn)沃芷?、多周期MIPSCPU的設(shè)計(jì)。82、37.總線系統(tǒng)7.1總線概述7.2總線傳輸機(jī)制7.3總線結(jié)構(gòu)7.3常用總線教學(xué)要求：使學(xué)生了解總線的特性、總線分類；熟悉總線性能指標(biāo)及計(jì)算方法；掌握總線的常見連接方式及其特點(diǎn)；熟悉總線的仲裁方式及特點(diǎn)；熟悉總線的定時(shí)與數(shù)據(jù)傳輸方式；了解總線的標(biāo)準(zhǔn)。重點(diǎn)：總線連接與仲裁方式。難點(diǎn)：總線性能指標(biāo)及其計(jì)算。41、38.輸入輸出系統(tǒng)8.1輸入輸出設(shè)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(xué)要求：使學(xué)生了解接口的功能、基本結(jié)構(gòu)、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(qǐng)求與響應(yīng)的原理與過程；掌握DMA方式的工作原理。重點(diǎn)：中斷的基本概念、中斷請(qǐng)求與響應(yīng)的原理與過程；常見輸入輸出方式的性能計(jì)算。難點(diǎn)：中斷機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。41、3合計(jì)56五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，結(jié)合討論、案例、視頻資源共享等教學(xué)手段完成課程教學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。通過相關(guān)教學(xué)活動(dòng)，幫助學(xué)生理解馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的工作原理，掌握計(jì)算機(jī)基本組成部件的結(jié)構(gòu)、工作原理、內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制及硬件功能部件和硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。建立硬/軟件協(xié)同的整機(jī)概念，提升學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力。六、課程資源1.推薦教材（1）譚志虎.計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)組成原理（第9版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2021.（2）王萬生.彭雅琴.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2021.（3）白中英.計(jì)算機(jī)組成原理（第6版）[M].科學(xué)出版社，2019.3.期刊（1）朱惠娟;戴麗麗;徐謙等.計(jì)算機(jī)組成原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2020(14):38-41.（2）楊皓;楊忠;杜華.孟銳.獨(dú)立學(xué)院“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)改革的研究[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代,2019,10(022):78-79+82.（3）馮國(guó)富,馬玉奇,易叢琴等.面向數(shù)字邏輯與計(jì)算機(jī)組成原理銜接的實(shí)踐環(huán)節(jié)[J].計(jì)算機(jī)教育,2017,02:141-145.（4）劉昆.一種運(yùn)算器驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2017,13(06):172-173.（5）ShanD,XiongS,LiH.ExplorationofTeachingReformintheCourseofComputerCompositionPrinciplesBasedonEngineeringEducationCertification[J].TeacherEducationandCurriculumStudies,2023,8(2):103.4.網(wǎng)絡(luò)資源（1）中國(guó)大學(xué)MOOC.計(jì)算機(jī)組成原理[EB/OL]./course/HUST-1003159001,2022-01-1/2022-5-12（2）中國(guó)大學(xué)MOOC.計(jì)算機(jī)組成[EB/OL]./course/PKU-1205809805,2022-01-1/2022-5-12（3）中國(guó)大學(xué)MOOC.計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[EB/OL]./course/HUST-1205809816,2022-01-1/2022-5-12七、課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐課程成績(jī)由過程性考核成績(jī)和期末考核成績(jī)兩部分構(gòu)成，具體考核/評(píng)價(jià)細(xì)則及對(duì)課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表3。表3課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評(píng)價(jià)細(xì)則課程目標(biāo)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(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時(shí)考核成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭獭?53作業(yè)20（1）主要考核學(xué)生對(duì)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨(dú)評(píng)分，取各次成績(jī)的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。（3）以作業(yè)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)。√√√1055階段測(cè)試15（1）主要考核學(xué)生對(duì)階段所學(xué)內(nèi)容的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次測(cè)試單獨(dú)評(píng)分，取各次成績(jī)的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。（3）以測(cè)試成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭獭?52期末考核50（1）卷面成績(jī)100分，以卷面成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)。（2）主要考核計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)算方法和運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、CPU和指令、總線與外設(shè)、輸入輸出系統(tǒng)等內(nèi)容。（3）考試題型為：填空題、選擇題、判斷題、計(jì)算題、簡(jiǎn)答題和設(shè)計(jì)題等?！獭獭?52510合計(jì)：100分404020考核與成績(jī)?cè)u(píng)定1.考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、作業(yè)、階段測(cè)試、期末考試等方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核評(píng)價(jià)?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽?jī)由期末試卷成績(jī)和過程性考核成績(jī)組成。其中：期末試卷成績(jī)?yōu)?00分（權(quán)重50%），試題類型為填空題、選擇題、判斷題、計(jì)算題、簡(jiǎn)答題和設(shè)計(jì)題等類型。試卷中基本知識(shí)、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(cè)試等過程性考核成績(jī)?yōu)?00分（權(quán)重50%）；過程性考核和考試試題分值分配應(yīng)與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時(shí)基本成比例。2.過程性考核成績(jī)的標(biāo)準(zhǔn)過程