課程簡介
Course Introduction
教學(xué)大綱
Teaching Syllabus
一、課程描述及目標(biāo)
《計算機組成原理》是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要學(xué)科基礎(chǔ)課。它在先導(dǎo)課和后續(xù)課之間起著承上啟下的和繼往開來的作用。該課程全面地介紹了計算機單機系統(tǒng)的組成原理及內(nèi)部工作機制，包括計算機各大部件的結(jié)構(gòu)、工作原理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計方法及其互連構(gòu)成計算機整機的相關(guān)技術(shù)。
該課程以需求分析引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建單機系統(tǒng)，根據(jù)構(gòu)建好的系統(tǒng)進行部件選擇、互連、測試等操作，最終可以實現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)功能。本門課程在理論教學(xué)的基礎(chǔ)之上，增加實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生在掌握基本原理的同時，可以通過具體的硬件實驗箱進行操作，最后通過相關(guān)模擬軟件構(gòu)件自己的理想系統(tǒng)。培養(yǎng)學(xué)生自主分析、理解問題、舉一反三、融會貫通、團隊協(xié)作、創(chuàng)新精神的能力。
二、課程內(nèi)容
主要知識點:
1.1 計算機系統(tǒng)基本概念
1.2 計算機硬件框圖
1.3 計算機工作過程
1.4 計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉計算機系統(tǒng)的構(gòu)成，計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)，掌握計算機的工作過程。
重點:計算機的硬件框圖，計算機的工作過程。
難點:計算機如何區(qū)分同樣以0、1代碼的形式存儲在存儲器中的指令和數(shù)據(jù)。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示。
參考案例:單機系統(tǒng)
講授學(xué)時:3學(xué)時
主要知識點:
2.1 總線的基本概念
2.2 總線結(jié)構(gòu)
2.3總線控制
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉計算機系統(tǒng)中的總線的作用及類別，掌握總線結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能的影響，熟練掌握總線在控制過程中如何判優(yōu)和通信。
重點:總線結(jié)構(gòu)，總線控制。
難點:總線結(jié)構(gòu)對性能的影響，總線判優(yōu)方法和通信控制。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示。
參考案例:單機系統(tǒng)
講授學(xué)時:3學(xué)時
主要知識點:
3.1存儲器的分類
3.2存儲器的層次結(jié)構(gòu)
3.3主存儲器芯片介紹
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生存儲器的基本類別，不同存儲器的功能和層次，掌握常用的主存儲器芯片特性和功能。
重點:存儲器的分類，存儲器的層次結(jié)構(gòu)，RAM、ROM，芯片刷新。
難點:不同尋址方式尋址范圍的確定，RAM的刷新。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示、習(xí)題鞏固。
參考案例:2114、4116、2716芯片
講授學(xué)時:2學(xué)時
習(xí)題講解:1學(xué)時
主要知識點:
4.1存儲器與CPU的連接
4.2主存儲器的校驗
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟練掌握不同類型存儲器與CPU連接時需要注意的事項，以及主存儲器在存儲數(shù)據(jù)時如何確保數(shù)據(jù)的正確性。
重點:CPU與存儲器的連接，主存儲器的校驗。
難點:RAM和ROM芯片與CPU連接時有何區(qū)別，漢明碼形成及糾錯。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示、習(xí)題講解。
參考案例:2114、4116、2716芯片
講授學(xué)時:2學(xué)時
習(xí)題講解:1學(xué)時
主要知識點:
5.1問題的提出
5.2 Cache的工作原理和結(jié)構(gòu)
5.3 Cache-主存地址映射
5.4 替換策略
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解在系統(tǒng)中設(shè)置高速緩沖存儲器的目的，熟悉Cache的工作過程和基本結(jié)構(gòu)，學(xué)會并掌握如何實現(xiàn)Cache-主存的地址映射，熟練掌握常用的替換策略。
重點:Cache的工作原理，Cache-主存地址映射。
難點:在系統(tǒng)中設(shè)置Cache的原因，如何實現(xiàn)Cache-主存的地址映射。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、習(xí)題講解。
講授學(xué)時:2學(xué)時
習(xí)題講解:1學(xué)時
主要知識點:
6.1輔助存儲器的類別
6.2磁盤記錄方式
6.3 磁盤的校驗方式
6.4光盤存儲器
6.5熟悉實驗操作環(huán)境
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解在系統(tǒng)中增加輔助存儲器的必要性和重要性，不同輔助存儲器的功能和基本工作原理，掌握磁盤的幾種記錄方式，學(xué)會如何進行磁盤中的數(shù)據(jù)校驗。熟悉硬件實驗箱的基本構(gòu)成和簡單操作，同時讓學(xué)生提前熟悉后續(xù)實驗所使用的軟件工具。
重點:磁盤的記錄方式，磁盤的校驗方法，磁盤的基本性能指標(biāo)，16位機的基本結(jié)構(gòu)。
難點:CRC校驗碼，磁盤基本性能指標(biāo)的計算，動手實踐。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、習(xí)題講解、動手實踐。
講授學(xué)時:2學(xué)時
習(xí)題講解:1學(xué)時
實驗學(xué)時:2學(xué)時
主要知識點:
7.1無符號數(shù)和有符號數(shù)
7.2數(shù)的表示
7.3定點數(shù)的加減和邏輯運算
7.4 16位機的加減、邏輯運算
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握數(shù)在計算機中的表示方法，學(xué)會并掌握定點數(shù)的加減運算和邏輯運算；并用實際的實驗箱完成簡單的加減運算。
重點:數(shù)的不同編碼，定點數(shù)的邏輯運算，實驗箱具體操作。
難點:為什么在運算的過程中要用補碼運算，數(shù)要用不同的類型表示，動手實踐。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示、習(xí)題講解、動手實踐。
講授學(xué)時:3學(xué)時
實驗學(xué)時:2學(xué)時
主要知識點:
8.1浮點數(shù)的基本表示
8.2浮點數(shù)的加減運算
8.3算術(shù)邏輯單元
8.4 16位機的移位運算、標(biāo)志控制
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握浮點數(shù)在計算機中的表示方法，浮點數(shù)的加減運算過程，數(shù)的移位運算和標(biāo)志控制。
重點:浮點數(shù)的表示和運算，算術(shù)邏輯單元，動手實踐數(shù)的移位運算和標(biāo)志控制。
難點:浮點數(shù)運算中的溢出判斷，算術(shù)邏輯單元的構(gòu)成，動手實踐。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示、動手實踐。
講授學(xué)時:2學(xué)時
習(xí)題講解:1學(xué)時
實驗學(xué)時:2學(xué)時
主要知識點:
9.1定點數(shù)的乘除運算
9.2 第6章習(xí)題講解
9.3軟件仿真實現(xiàn)運算器
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生學(xué)會定點數(shù)的一位乘除法運算，通過習(xí)題講解鞏固計算機中不同類型數(shù)的基本運算；學(xué)會使用一種軟件仿真工具實現(xiàn)簡單的運算器。
重點:定點數(shù)乘除運算，軟件仿真。
難點:定點數(shù)乘除運算過程中的移位操作，仿真軟件的使用。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示、習(xí)題講解、動手實踐。
講授學(xué)時:1學(xué)時
習(xí)題講解:2學(xué)時
實驗學(xué)時:2學(xué)時
主要知識點:
10.1計算機系統(tǒng)概述
10.2 系統(tǒng)總線
10.3存儲器
10.4 計算機的運算方法
10.5 準(zhǔn)雙向I/O口實驗
教學(xué)要求:通過本次課程熟悉學(xué)生對已學(xué)知識點的掌握情況，為后續(xù)教學(xué)安排提供依據(jù)；掌握準(zhǔn)雙向I/O的輸入/輸出特性。
重點:已學(xué)各章知識點，I/O特性操作實踐。
難點:動手實踐。
采用的教學(xué)方法:隨堂考核、動手實踐。
考核學(xué)時:3學(xué)時
實驗學(xué)時:2學(xué)時
主要知識點:
11.1 I/O系統(tǒng)的基本組成
11.2 I/O 與主機的聯(lián)系方式
11.3 I/O接口
11.4 地址、數(shù)據(jù)總線實驗
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生I/O系統(tǒng)的基本組成，理解并掌握I/O與主機的聯(lián)系方式，掌握I/O接口的基本組成，建立“段”的概念并學(xué)會運用，建立“奇偶”概念并領(lǐng)會字尋址中對字節(jié)操作的動態(tài)定義。
重點:I/O與主機的聯(lián)系方式，地址、數(shù)據(jù)總線實驗。
難點:處理I/O終端的各類軟、硬件技術(shù)的運用，DMA與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點，動手實踐。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、動手實踐。
講授學(xué)時:3學(xué)時
實驗學(xué)時:2學(xué)時
主要知識點:
12.1I/O與主機交換信息的三種控制方式
12.2習(xí)題講解
12.3存儲器讀寫實驗
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解I/O與主機交換信息的三種控制方式的特點及區(qū)別，掌握CPU響應(yīng)中斷請求和DMA請求的時間；掌握存儲部件在計算機中的運用。
重點:I/O控制方式，存儲器運用實驗。
難點:周期挪用的含義，CPU響應(yīng)中斷請求和DMA請求的時間，動手實踐。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示。
講授學(xué)時:3學(xué)時
習(xí)題講解:1學(xué)時
實驗學(xué)時:2學(xué)時
主要知識點:
13.1指令格式
13.2數(shù)據(jù)存儲方法
13.3尋址方式
13.4 指令總線運用實驗
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握指令的基本格式以及各字段的作用，理解不同的地址格式對訪存次數(shù)、尋址范圍的影響，理解并掌握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。建立“指令暫存”概念，領(lǐng)會“操作碼段”和“操作數(shù)段”的用途。
重點:指令格式，尋址方式，指令總線運用實驗。
難點:設(shè)計指令格式的方法，擴展操作碼技術(shù)的運用，動手實踐。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示。
講授學(xué)時:3學(xué)時
實驗學(xué)時:2學(xué)時
主要知識點:
14.1RISC技術(shù)
14.2指令格式舉例
14.3講解第7章習(xí)題
14.4 綜合實驗
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉RISC技術(shù)，掌握設(shè)計指令格式應(yīng)考慮的各種因素。通過簡單模型機的基本操作，讓學(xué)生學(xué)會模型機的設(shè)計過程和基本方法。
重點:RISC技術(shù)，設(shè)計指令要考慮的因素，模型機設(shè)計的過程和方法。
難點:動手實踐。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示、習(xí)題講解。
講授學(xué)時:1學(xué)時
習(xí)題講解:2學(xué)時
實驗學(xué)時:2學(xué)時
主要知識點:
15.1CPU結(jié)構(gòu)
15.2指令周期
15.3綜合實驗
教學(xué)要求:通過本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握機器完成一條指令的全過程，以及如何提高數(shù)據(jù)的處理能力、開發(fā)系統(tǒng)的并行性所采取的基本技術(shù)。
重點:CPU的功能和硬件組成，CPU工作周期和指令周期的概念，一個完整的指令周期中的信息流程，指令流水技術(shù)，中斷系統(tǒng)需要解決的問題和實施方案。
難點:各種中斷技術(shù)，動手實踐。
采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示。
講授學(xué)時:3學(xué)時
實驗學(xué)時:2學(xué)時
教學(xué)內(nèi)容:隨堂復(fù)習(xí)各章知識點，針對學(xué)生疑問答疑，實驗課上對學(xué)生的綜合實驗情況進行檢查。
講授學(xué)時:1學(xué)時
答疑學(xué)時:2學(xué)時
綜合實驗:2學(xué)時
布置時間:根據(jù)教學(xué)進度，可在講解第10次課時布置綜合實驗，指導(dǎo)學(xué)生課下實踐，在第16次課驗收綜合實驗。
