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課程簡介 Course Introduction
《計算機組成原理》是計算機專業本科生核心硬件課程。學習本課程應已具備數字邏輯的基本知識,并掌握數字系統的一般設計方法。通過學習本課程,能了解計算機一般組成原理與內部運行機制,為學習本專業后繼課程和進行與硬件有關的技術工作打好基礎。
本課程主要講述計算機單機硬件系統的基本組成原理與運行機制。課程從組成硬件系統的五大部件出發,講解了各組成部分的工作原理、設計方法以及構成整機系統的基本原理。主要內容有:計算機系統概論;運算方法和運算器;存儲系統;指令系統;中央處理器;系統總線和輸入輸出系統。
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,使學生掌握基本的分析方法、設計方法和互連成整機的技術。具備維護、使用計算機的基本技能,并為具備硬件系統的開發應用能力打下一定的基礎。
教學大綱 Teaching Syllabus




一、課程描述及目標

《計算機組成原理》是計算機科學與技術專業的一門重要學科基礎課。它在先導課和后續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的組成原理及內部工作機制,包括計算機各大部件的結構、工作原理、邏輯實現、設計方法及其互連構成計算機整機的相關技術。

該課程以需求分析引導學生構建單機系統,根據構建好的系統進行部件選擇、互連、測試等操作,最終可以實現目標系統功能。本門課程在理論教學的基礎之上,增加實驗教學環節,使學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,最后通過相關模擬軟件構件自己的理想系統。培養學生自主分析、理解問題、舉一反三、融會貫通、團隊協作、創新精神的能力。

二、課程內容

(一)第1次課 計算機系統概述

主要知識點:

1.1 計算機系統基本概念

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指標

教學要求:通過本次課程的學習,使學生熟悉計算機系統的構成,計算機硬件的主要技術指標,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:計算機如何區分同樣以01代碼的形式存儲在存儲器中的指令和數據。

采用的教學方法:知識點講解、實例演示。

參考案例:單機系統

講授學時:3學時

(二)第2次課 系統總線

主要知識點:

2.1 總線的基本概念

2.2 總線結構

2.3總線控制

教學要求:通過本次課程的學習,使學生熟悉計算機系統中的總線的作用及類別,掌握總線結構對系統性能的影響,熟練掌握總線在控制過程中如何判優和通信。

重點:總線結構,總線控制。

難點:總線結構對性能的影響,總線判優方法和通信控制。

采用的教學方法:知識點講解、實例演示。

參考案例:單機系統

講授學時:3學時

(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存儲器的層次結構

3.3主存儲器芯片介紹

教學要求:通過本次課程的學習,使學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,存儲器的層次結構,RAMROM,芯片刷新。

難點:不同尋址方式尋址范圍的確定,RAM的刷新。

采用的教學方法:知識點講解、實例演示、習題鞏固。

參考案例:211441162716芯片

講授學時:2學時

習題講解:1學時

(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

教學要求:通過本次課程的學習,使學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據時如何確保數據的正確性。

重點:CPU與存儲器的連接,主存儲器的校驗。

難點:RAMROM芯片與CPU連接時有何區別,漢明碼形成及糾錯。

采用的教學方法:知識點講解、實例演示、習題講解。

參考案例:211441162716芯片

講授學時:2學時

習題講解:1學時

(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的工作原理和結構

5.3 Cache-主存地址映射

5.4 替換策略

教學要求:通過本次課程的學習,使學生理解在系統中設置高速緩沖存儲器的目的,熟悉Cache的工作過程和基本結構,學會并掌握如何實現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:在系統中設置Cache的原因,如何實現Cache-主存的地址映射。

采用的教學方法:知識點講解、習題講解。

講授學時:2學時

習題講解:1學時

(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熟悉實驗操作環境

教學要求:通過本次課程的學習,使學生理解在系統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,學會如何進行磁盤中的數據校驗。熟悉硬件實驗箱的基本構成和簡單操作,同時讓學生提前熟悉后續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,16位機的基本結構。

難點:CRC校驗碼,磁盤基本性能指標的計算,動手實踐。

采用的教學方法:知識點講解、習題講解、動手實踐。

講授學時:2學時

習題講解:1學時

實驗學時:2學時

(七)第7次課 計算機的運算方法1

主要知識點:

7.1無符號數和有符號數

7.2數的表示

7.3定點數的加減和邏輯運算

7.4 16位機的加減、邏輯運算

教學要求:通過本次課程的學習,使學生掌握數在計算機中的表示方法,學會并掌握定點數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:數的不同編碼,定點數的邏輯運算,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,數要用不同的類型表示,動手實踐。

采用的教學方法:知識點講解、實例演示、習題講解、動手實踐。

講授學時:3學時

實驗學時:2學時

(八)第8次課 計算機的運算方法2

主要知識點:

8.1浮點數的基本表示

8.2浮點數的加減運算

8.3算術邏輯單元

8.4 16位機的移位運算、標志控制

教學要求:通過本次課程的學習,使學生掌握浮點數在計算機中的表示方法,浮點數的加減運算過程,數的移位運算和標志控制。

重點:浮點數的表示和運算,算術邏輯單元,動手實踐數的移位運算和標志控制。

難點:浮點數運算中的溢出判斷,算術邏輯單元的構成,動手實踐。

采用的教學方法:知識點講解、實例演示、動手實踐。

講授學時:2學時

習題講解:1學時

實驗學時:2學時

(九)第9次課 計算機的運算方法3

主要知識點:

9.1定點數的乘除運算

9.2 6章習題講解

9.3軟件仿真實現運算器

教學要求:通過本次課程的學習,使學生學會定點數的一位乘除法運算,通過習題講解鞏固計算機中不同類型數的基本運算;學會使用一種軟件仿真工具實現簡單的運算器。

重點:定點數乘除運算,軟件仿真。

難點:定點數乘除運算過程中的移位操作,仿真軟件的使用。

采用的教學方法:知識點講解、實例演示、習題講解、動手實踐。

講授學時:1學時

習題講解:2學時

實驗學時:2學時

(十)第10次課 期中小考

主要知識點:

10.1計算機系統概述

10.2 系統總線

10.3存儲器

10.4 計算機的運算方法

10.5 準雙向I/O口實驗

教學要求:通過本次課程熟悉學生對已學知識點的掌握情況,為后續教學安排提供依據;掌握準雙向I/O的輸入/輸出特性。

重點:已學各章知識點,I/O特性操作實踐。

難點:動手實踐。

采用的教學方法:隨堂考核、動手實踐。

考核學時:3學時

實驗學時:2學時

(十一)第11次課 輸入輸出系統

主要知識點:

11.1 I/O系統的基本組成

11.2 I/O 與主機的聯系方式

11.3 I/O接口

11.4 地址、數據總線實驗

教學要求:通過本次課程的學習,使學生I/O系統的基本組成,理解并掌握I/O與主機的聯系方式,掌握I/O接口的基本組成,建立“段”的概念并學會運用,建立“奇偶”概念并領會字尋址中對字節操作的動態定義。

重點:I/O與主機的聯系方式,地址、數據總線實驗。

難點:處理I/O終端的各類軟、硬件技術的運用,DMA與主存交換數據的三種方法各自的特點,動手實踐。

采用的教學方法:知識點講解、動手實踐。

講授學時:3學時

實驗學時:2學時

(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習題講解

12.3存儲器讀寫實驗

教學要求:通過本次課程的學習,使學生理解I/O與主機交換信息的三種控制方式的特點及區別,掌握CPU響應中斷請求和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響應中斷請求和DMA請求的時間,動手實踐。

采用的教學方法:知識點講解、實例演示。

講授學時:3學時

習題講解:1學時

實驗學時:2學時

(十三)第13次課 指令系統1

主要知識點:

13.1指令格式

13.2數據存儲方法

13.3尋址方式

13.4 指令總線運用實驗

教學要求:通過本次課程的學習,使學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、尋址范圍的影響,理解并掌握不同的尋址方式對操作數的尋址范圍、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,領會“操作碼段”和“操作數段”的用途。

重點:指令格式,尋址方式,指令總線運用實驗。

難點:設計指令格式的方法,擴展操作碼技術的運用,動手實踐。

采用的教學方法:知識點講解、實例演示。

講授學時:3學時

實驗學時:2學時

(十四)第14次課 指令系統2

主要知識點:

14.1RISC技術

14.2指令格式舉例

14.3講解第7章習題

14.4 綜合實驗

教學要求:通過本次課程的學習,使學生熟悉RISC技術,掌握設計指令格式應考慮的各種因素。通過簡單模型機的基本操作,讓學生學會模型機的設計過程和基本方法。

重點:RISC技術,設計指令要考慮的因素,模型機設計的過程和方法。

難點:動手實踐。

采用的教學方法:知識點講解、實例演示、習題講解。

講授學時:1學時

習題講解:2學時

實驗學時:2學時

(十五)第15次課 CPU的結構和功能

主要知識點:

15.1CPU結構

15.2指令周期

15.3綜合實驗

教學要求:通過本次課程的學習,使學生掌握機器完成一條指令的全過程,以及如何提高數據的處理能力、開發系統的并行性所采取的基本技術。

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,中斷系統需要解決的問題和實施方案。

難點:各種中斷技術,動手實踐。

采用的教學方法:知識點講解、實例演示。

講授學時:3學時

實驗學時:2學時

(十六)第16次課 期末復習、答疑

教學內容:隨堂復習各章知識點,針對學生疑問答疑,實驗課上對學生的綜合實驗情況進行檢查。

講授學時:1學時

答疑學時:2學時

綜合實驗:2學時

布置時間:根據教學進度,可在講解第10次課時布置綜合實驗,指導學生課下實踐,在第16次課驗收綜合實驗。



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