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課程簡介 Course Introduction
《計算機組成原理》是計算機專業(yè)本科生核心硬件課程。學(xué)習(xí)本課程應(yīng)已具備數(shù)字邏輯的基本知識,并掌握數(shù)字系統(tǒng)的一般設(shè)計方法。通過學(xué)習(xí)本課程,能了解計算機一般組成原理與內(nèi)部運行機制,為學(xué)習(xí)本專業(yè)后繼課程和進行與硬件有關(guān)的技術(shù)工作打好基礎(chǔ)。
本課程主要講述計算機單機硬件系統(tǒng)的基本組成原理與運行機制。課程從組成硬件系統(tǒng)的五大部件出發(fā),講解了各組成部分的工作原理、設(shè)計方法以及構(gòu)成整機系統(tǒng)的基本原理。主要內(nèi)容有:計算機系統(tǒng)概論;運算方法和運算器;存儲系統(tǒng);指令系統(tǒng);中央處理器;系統(tǒng)總線和輸入輸出系統(tǒng)。
通過對計算機各部件工作原理、信息加工處理及控制過程的分析,使學(xué)生掌握基本的分析方法、設(shè)計方法和互連成整機的技術(shù)。具備維護、使用計算機的基本技能,并為具備硬件系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用能力打下一定的基礎(chǔ)。
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

(一)第1次課 計算機系統(tǒng)概述

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01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

(二)第2次課 系統(tǒng)總線

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

(三)第3次課 主存儲器1

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),RAMROM,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:211441162716芯片

講授學(xué)時:2學(xué)時

習(xí)題講解:1學(xué)時

(四)第4次課 主存儲器2

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:RAMROM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:211441162716芯片

講授學(xué)時:2學(xué)時

習(xí)題講解:1學(xué)時

(五)第5次課 高速緩沖存儲器

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

(六)第6次課 輔助存儲器

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

(七)第7次課 計算機的運算方法1

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

(八)第8次課 計算機的運算方法2

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

(九)第9次課 計算機的運算方法3

主要知識點:

9.1定點數(shù)的乘除運算

9.2 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

(十)第10次課 期中小考

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

(十一)第11次課 輸入輸出系統(tǒng)

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

(十二)第12次課 I/O控制方式

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

(十三)第13次課 指令系統(tǒng)1

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

(十四)第14次課 指令系統(tǒng)2

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

(十五)第15次課 CPU的結(jié)構(gòu)和功能

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

(十六)第16次課 期末復(fù)習(xí)、答疑

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。



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