算机组成原理》课程教学大纲.doc

计算机组成原理课程教学大纲Computer Organization开课系信息技术系课程类别必修课修订时间2010年12月学分3总学时54理论42实验/上机12课 程 简 介“计算机组成原理”是计算机系主干课和重要基础课。它主要针对寄存器传送及以上层来讲述单机计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互联系，包括数的表示及其运算、指令系统的一般构成、数据通路和指令控制流程、控制器的设计、微程序设计原理、存储器的层次结构、总线互连、中断和输入输出组织等，为后续课程的学习准备必要的硬件方面的基础知识。在此前提下，还要保证教学内容的先进性，对当前计算机组成方面的最新成果，教学内容也应有涉及。课 程 大 纲一、课程的性质与任务：计算机组成原理是计算机科学技术专业的一门核心专业基础课程，在多门课程中占有举足轻重的地位。它是属于技术性、工程性和实践性很强的一门课。通过学习本课程，能了解计算机一般组成原理与内部运行机理，为学习本专业后继课程和进行与硬件有关的技术工作打好基础。 该课程的任务是使学生掌握计算机常用的逻辑器件、部件的原理、参数及使用方法，学懂简单、完备的单台计算机的基本组成原理，学习计算机设计中的入门性知识，掌握维护、使用计算机的基本技能。 二、课程的目的与基本要求：对于“计算机组成原理”这门课程，要求学生掌握以下几方面内容：1.熟练掌握：计算机常用的逻辑器件、部件的原理、参数及使用方法；数据信息和控制信息在计算机中的基本表示形式；计算机中数据四则运算方法和逻辑实现；计算机硬件系统中各大功能部件的工作原理和组成原理。 2. 掌握单台计算机的内部运行机制及维护、使用计算机的基本技能。3. 掌握现代计算机中的一些核心技术：流水、Cache、并行等。熟悉硬件设计与调试。4. 了解计算机系统的最新发展, 培养学生分析问题，解决问题的能力,最后能达到能独立设计一台完整的简单计算机的水平。作业：每章布置3-5道习题，以巩固学生的学习效果，促进其多思考，培养学生的设计能力。期中进行一次测验，检查学生对所学内容的掌握程度。考试：“计算机组成原理”期末考试目的是考核学生掌握计算机组成原理的基本理论，基本知识和基本技能的程度和运用所学知识解决实际问题的能力。考试试题应当反映本课程的主要内容和要求，考题内容就能覆盖教材的各章节。平时成绩（作业和实验）占30%，期末考试占70%。三、先修课程：高等数学、大学物理、模拟电子技术、数字逻辑、汇编语言等。四、修读专业：计算机科学与技术五、本课程与其它课程的联系：计算机组成原理是计算机专业本科生必修的一门硬件专业基础课，其先修课包括数字逻辑、汇编语言程序设计等，后续课还有计算机系统结构、微型计算机系统与设计、微型计算机接口技术，关系密切一点的还有操作系统等课程。六、教学内容安排、要求、学时分配及作业：第一章、计算机系统概论 （2学时） 1.计算机的分类及应用 2.计算机的硬件及软件 3.计算机系统的层次结构教学要求：理解：计算机系统的层次结构。 了解：计算机的分类和应用，计算机的软、硬件的组成与发展。 作业：1.数字计算机如何分类，依据是什么？ 2.名词解释：存储容量、单元地址、数据字、指令字。 3.计算机的系统软件包括哪几类，说明其用途。第二章、运算方法与运算器 （12学时） 1、数据表示方法 2、定点加减法 3.定点乘法4.定点除法 5.定点运算器 6.浮点运算方法与浮点运算器教学要求：掌握：数据的表示、定点和浮点运算。 理解：运算器的功能与组成，运算器的工作原理，校验码。 了解：运算器的设计。 作业：1.将十进制数27/64表示成IEEE754标准的32位浮点规格化数。 2.已知x0.11011，y-0.11111，用变形补码计算xy，同时指出运算结果是否溢出。 3.已知x0.11011，y-0.11111用原码阵列乘法器、补码阵列乘法器分别计算xy。 4.已知x2-0110.100101，y2-010(-0.011110)，设阶码3位，尾数6位，按浮点运算方法，完成运算x+y，x-y。第三章、存储系统 （10学时） 1.存储器概述 2.随机读写存储器 3.只读存储器4.闪速存储器 5.高速存储器 6.cache；7.虚拟存储器 8.存储保护教学要求：掌握：主存储器组成与设计。Cache存储器的工作原理。 理解：随机读写存储器、只读存储器、闪速存储器、高速存储器和虚拟存储器的工作原理。 了解：存储器的分类、分级及技术指标。 作业：1设有一个具有24位地址和8位字长的存储器，问：该存储器能够存储多少字节的信息？如果存储器由4M1位的RAM芯片组成需要多少片？需要多少位作芯片选择？2某SRAM芯片有17位地址线和4位数据线。用这种芯片为32位字长的处理器构成1M32bit的存储器，并采用模块板结构。问：若每个模块板为256K32bit，共需几块板？每块板内共需多少片这样的芯片？所构成的存储器需要用多少片这样的芯片？共需多少位地址线，各完成什么功能？3某DRAM芯片内部的存储单元为128128结构。该芯片每隔2ms至少要刷新一次，且刷新是通过顺序对所有128行的存储单元进行内部读操作和写操作实现的。设存储器周期为500ns。求其刷新的开销（也即进行刷新操作的时间所占的百分比）。4某计算机系统的内存储器由cache和主存构成，cache的存取周期为45ns，主存的存取周期为200ns。已知在一段给定的时间内，CPU共访问内存4500次，其中340次访问主存。问：cache的命中率是多少？CPU访问内存的平均时间是多少？cache主存系统的效率是多少？第四章、指令系统 （2学时） 1.指令系统的发展、指令格式 2.寻址方式、堆栈寻址方式、典型指令 教学要求： 掌握：指令格式与寻址方式。 理解：指令系统的设计。 了解：指令的分类，指令系统的发展，CISC与RISC的概念与特点。 作业：1.指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。 15 10 9 7 4 3 0OP源寄存器变址寄存器位移量（16）2.某机的16位单字长访内指令格式如下： 4 2 1 1 8OPM1XA其中，A为形式地址，补码表示（其中一味符号位）；I为直接/间接寻址方式：I1为间接寻址，I0为直接寻址方式；M为寻址模式：0为绝对寻址，1为基地址寻址，2为相对寻址，3为立即寻址；X为变址寻址。设PC，Rz，Rb，分别为指令计数器、变址寄存器，基地址寄存器，E为有效地址，试解答如下问题：该指令格式能定义多少种不同的操作？立即数的寻址范围是多少？在非间址情况下，写出各计算有效地址的表达式。设基址寄存器14位，在非变址直接基地址寻址时，确定存储器可寻址的地址范围。间接寻址时，寻址范围是多少？3.某机器的指令格式如下所示： 15 10 9 8 7 0操作码XDD：位移量 X：寻址特征位X=00：直接寻址；X=01：用变址寄存器X1进行变址；X=10：用变址寄存器X2进行变址；X=11：相对寻址；设（PC）1234H，（X1）0037H，（X2）1122H（H代表十六进制），请确定下列指令的有效地址。4420H 2244H 1322H 3521H 6723H第五章、中央处理器 （10学时） 1.CPU的功能与组成 2.指令周期 3.时序产生器4.微程序控制器与设计技术 5.硬布线控制器6.流水CPU、RISC CPU 7.多媒体CPU教学要求：掌握：指令周期。CPU的基本组成与功能。微程序控制器的工作原理。 理解：时序信号的作用。微程序控制器的设计原理。 了解：硬布线控制器。传统CPU、流水CPU、RISC CPU和多媒体CPU。 作业：1.已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量为51248（位）。微程序可在整个控制存储器中实现转移，转移控制条件共4个，微指令采用水平型格式，后继微指令地址采用断定方式，如下图所示。微命令字段判别测试字段下地址字段微指令中的三个字段分别应为多少位？2某32位机共有微操作控制信号52个，构成5个相斥类的微命令组，各组分别包含4个、5个、15个和20个微命令。已知可判定的外部条件有CY和ZF两个，微指令字长29位。给出采用断定方式的水平型微指令格式。求控制存储器的容量第六章、总线系统 （2学时） 1.总线的概念和结构 2.总线接口3.总线的仲裁、定时和数据传送模式 4. PCI总线 教学要求：掌握：总线的基本概念、连接方式。总线接口。 理解：总线的仲裁、定时和数据传送方式。 了解：PCI总线、ISA总线和Futurebus+总线。 作业：1.同步通信之所以比异步通信具有较高的传输频率，是因为同步通信 A.不需要应答信号 B.总线长度较短 C.用一个公共时钟信号进行同步 D.各部件存取时间比较接近2.系统总线中地址线的功能是 A.选择主存单元地址 B.选择进行信息传输的设备 C.选择外存地址 D.指定主存和I/O设备接口电路地址3.系统总线中控制线的功能是 A.提供主存、I/O接口设备的控制信号和响应信号 B.提供数据信息C.提供时序信号 D.提供主存、I/O接口设备的响应信号第七章、外围设备 （2学时） 1.外围设备概述 2.显示设备 3.打印设备4.硬/软磁盘设备、光盘设备 教学要求： 理解：显示设备、输入设备、打印设备、硬磁盘存储设备、软磁盘存储设备、磁带存储设备和光盘存储设备的工作原理。了解：外围设备概述。作业：1.计算机的外围设备是指 A.输入/输出设备 B.外存设备 C.输入/输出设备及外存储器 D.除了CPU和内存以外的其他设备2.打印机根据印字方式可以分为 和 两大类，在 类打印机中，只有 型打印机能打印汉字，请从下面答案中选择填空。A.针型打印机 B.活字型打印机 C.击打式 D.非击打式第八章、输入输出系统(2学时) 1.CPU对外设的管理方式 2.程序中断方式 3.DMA方式4.通道方式 5.通用IO标准接口 教学要求：掌握：程序中断方式、DMA方式和通道方式。 了解：外围设备的定时方式。通用I/O标准接口。作业：1.中断向量地址是 A.子程序入口地址 B.中断服务程序入口地址 C.中断服务程序入口地址指示器 D.例行程序入口地址2.采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据就要占用一个 的时间。A.指令周期 B.机器周期 C.存储周期 D.总线周期3.通道的功能是：(1) ，(2) 。按通道的工作方式分，通道 通道、 通道和 通道三种类型。七、实验内容与要求：序号实验名称学时实验类别1运算器组成实验2验证型2存储器实验2验证型3数据通路组成实验2验证型4微控制器实验2验证型5基本模型机设计与实现4综合型注：实验类别指：演示型、操作型、验证型、综合型、设计型、研究创新型八、实验目的、内容与要求：实验1 运算器实验实验目的掌握算术逻辑运算单元的工作原理熟悉简单运算器的数据传输通路验证运算功能发生器(74181)的组合功能按给定的数据完成几种特定的算术逻辑运算单元通过对74LS181 和74LS299 的使用，了解并掌握ALU 及移位寄存器的功能实验内容基本内容：用手动操作设计并实现两个8 位二进制数进行不同的算术运算和逻辑运算。扩充内容：验证74LS181 算术运算和逻辑运算功能。实验要求做好实验预习，掌握运算器的工作原理完成不带进位及带进位算术运算实验、逻辑运算实验写出实验报告实验2 存储器实验实验目的掌握实验设备的组成及使用方法。掌握静态存储器的工作原理与使用方法。了解存储器和总线组成的硬件电路。实验内容将实验系统的工作方式切换到手动状态后完成下列操作：内部总线数据写入存储器向存储器0105H 五个地址单元中分别写入数据1A、1B、1C、1D、1E。读存储器中数据至总线依次读出0105H 五个单元中的内容并查看其各单元中的内容是否与自己写入的内容一致。实验要求做好实验预习，掌握存储的存储原理按照实验步骤完成实验项目，记录故障现象,排除故障的分析思路,故障定位及故障的性质;写出实验报告实验3 数据通路组成实验实验目的将双端口通用寄存器堆RF和双端口存储器模块联机;进一步熟悉计算机的数据通路;掌握数字逻辑电路中故障的一般规律,以及排除故障的一般原则和方法;锻炼分析问题与解决问题的能力,在出现故障的情况下,独立分析故障现象,并排除故障。实验内容基本内容：用手动操作设计并实现向双端口寄存器堆中写入数据，并实现其与双端口存储器互相传送数据;扩充内容：验证向RF寄存器堆中并行输入输出数据实验要求做好实验预习，掌握存储的存储原理按照实验步骤完成实验项目，利用存储器和总线传输数据写出实验报告实验4 微控制器实验实验目的掌握时序产生器的组成原理掌握微过程控制器的组成原理及微代码写入并观察微程序的运行实验内容根据微程序流程图及其微指令的格式写出微程序将微程序写入微程序控制存储器并验证是写入否正确单步、连续运行微程序并观察运行的情况实验要求做好实验预习，掌握微程序和时序产生器的工作原理据实验任务所提题的要求，在实验进行前列好所有表格、数据和理论分析值写出实验报告实验5 基本模型机的设计与实现实验目的学习和调试计算机的基本步骤和方法，提高使用集成电路和常用测试仪器的基本技能加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，从而清晰地建立计算机的整机概念培养独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践和经验实验内容在掌握计算机各部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算机。定义5条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试掌握整机概念。实验要求做好实验预习，掌握整机的工作原理在组装调试成功的基础上，整理出设计图纸和提交如下内容：总框图（数据通路图）微程序流程图微指令