《计算机组成原理》教学大纲.doc

计算机组成原理教学大纲一、课程基本信息课程中文名称：计算机组成原理课程英文名称：Principles of Computer Composition 课程编码：课程类型：学科基础课总 学 时：64 理论学时：52 实验学时：12学 分： 4适用专业：计算机类专业先修课程：数字逻辑开课院（部）：计算机科学与工程学院二、课程的性质与任务计算机组成基础是计算机类专业必修的一门学科基础课。本课程介绍计算机系统的组成原理及内部工作机制，包括计算机各大部件的结构、工作原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成计算机整机的技术，旨在使学生掌握计算机硬件各子系统的组成原理及实现技术，深刻理解程序在计算机硬件上被执行的过程，建立计算机系统的整体概念，对培养学生设计开发计算机系统的能力有重要作用。为今后计算机网络、操作系统、计算机体系结构及专业方向课程的学习打好基础。三、课程教学基本要求1、计算机组成原理课程的内容比较抽象，教学中需要结合实际例子进行讲授。2、讲授比较复杂的过程，如指令周期的步骤，可以通过动画演示，帮助学生理解。也可以结合实验，讲解数据通路。3、要求学生课前预习，课后复习，尽量完成课后所有习题，帮助消化理解教学内容。对于典型的习题，应该在习题课上详细讲解。选讲一些综合性的考研试题，帮助学生开拓思路。4、注重实验的教学效果，实验不能仅仅停留在做出结果，一定要让学生知其所以然，并且能初步进行一些设计。四、理论教学内容和基本要求第一章 计算机系统概论（一）讲授内容：1.1 计算机的分类1.2 计算机的发展简史1.3 计算机的硬件1.4 计算机的软件1.5 计算机系统的层次结构（二）基本要求：（1）了解计算机软硬件的概念，软件的分类；（2）理解计算机的系统层次结构，包括计算机硬件的基本组成(五大部件的构成)，以及计算机的基本工作过程；（3）掌握计算机的工作原理、硬件的主要技术指标。（三）重点及难点：重点：计算机的工作原理、计算机的层次结构 第二章 运算方法和运算器（一）讲授内容：2.1 数据与文字的表示方法2.2 定点加法、减法运算2.3 定点乘法运算2.4 定点除法运算2.5 定点运算器的组成2.6 浮点运算方法和浮点运算器（二）基本要求：（1）掌握各种数制及其相互转换的方法、无符号数和有符号数的表示方法。计算机中数据的表示有原码、反码、补码等方法，要搞清楚它们之间的关联与区别。搞清楚真值(实际的数值)和机器数(计算机中表示的数值)之间的关系，特别是负数的各种表示。（2）理解BCD码、字符与字符串的编码方法，以及数据的校验码(奇偶校验、CRC冗余校验等)。（3）掌握定点数的表示和定点数的运算，包括定点数的位移运算、原码定点数的加/减运算、补码定点数的加/减运算、定点数的乘/除运算、溢出概念和判别方法。（4）掌握浮点数的表示(浮点数的表示范围和IEEE754标准)和浮点数的加/减运算。（5）掌握串行加法器和并行加法器、算术逻辑单元ALU的功能和结构。（三）重点及难点：重点：定点数、浮点数的表示及运算、浮点数的范围和精度、IEEE754标准、算术逻辑单元的功能和结构难点：浮点数的范围和精度、浮点数运算第三章 多层次的存储器（一）讲授内容：3.1 存储器概述3.2 SRAM存储器3.3 DRAM存储器3.4 只读存储器和闪速存储器3.5 并行存储器3.6 Cache存储器3.7 虚拟存储器3.8 奔腾系列机的虚存组织 （二）基本要求：（1）理解存储器的层次化结构。从整个计算机的存储体系来看，存储系统可以看成是一个“Cache内存外存”三级结构；（2）掌握存储器的分类以及各类存储器的基本工作原理，包括半导体随机存取存储器(SRAM、DRAM)、只读存储器(ROM)，掌握主存储器(内存)与CPU的连接和数据交换、双口RAM和多模块存储器，还有就是外存储器。（3）理解高速缓冲存储器(Cache)和虚拟存储器的作用。在CPU和内存之间增加一层Cache，其目的是为了解决CPU和内存的速度匹配问题；理解虚拟存储器的基本原理、碎片的处理，各种方法的优点和缺点。（4）掌握程序访问的局部性原理(时间局部性、空间局部性)、Cache的基本工作原理(命中率)、Cache和主存之间的映射方式、Cache中主存块的替换算法，以及Cache写策略。（5）掌握虚拟存储器的基本概念及种类，包括页式虚拟存储器、段式虚拟存储器、段页式虚拟存储器、TLB(快表)等。（三）重点及难点：重点：存储系统的组成，Cache和虚存的作用；SRAM和DRAM的区别；存储器和CPU的连接；并行存储器及存储器性能指标的计算；Cache-主存映射、替换算法、Cache写策略难点：存储器和CPU的连接；Cache-主存映射第四章 指令系统（一）讲授内容：4.1 指令系统的发展与性能要求4.2 指令格式4.3 操作数类型4.4 指令和数据的寻址方式4.5 典型指令4.6 ARM汇编语言 （二）基本要求：（1）掌握指令的格式(包括指令的基本格式、定长操作码指令格式、扩展操作码指令格式)和各种寻址方式，还要能够区分数据寻址和指令寻址的区别。（2）掌握CISC(复杂指令系统计算机)和RISC(精简指令系统计算机)的基本概念、特征，以及它们之间的主要区别。（3）理解典型指令系统的组成及设计指令系统需要考虑的原则。（4）了解ARM指令格式。（三）重点及难点：重点：指令格式的设计和分析；指令寻址和操作数寻址；RISC和CISC指令系统的区别。难点：指令格式的设计；指令寻址第五章 中央处理器（一）讲授内容：5.1 CPU的功能和组成5.2 指令周期5.3 时序产生器和控制方式5.4 微程序控制器5.5 硬连线控制器5.6 流水CPU5.7 RISC CPU （二）基本要求：（1）掌握CPU的功能和基本结构，以及工作原理。包括指令执行过程、数据通路的功能和基本结构、控制器的功能和工作原理(硬布线控制器、微程序控制器)。（2）理解为什么需要流水线，流水线有哪些优势，哪些因素会影响流水线。（3）掌握流水线的基本概念(包括超标量和动态流水线)，流水线的评价指标，如流水线的周期、吞吐率、加速比等。（4）掌握微操作命令的分析，包括取指周期、间址周期、执行周期和中断周期。（5）掌握控制单元的外特性，多级时序系统的分析。（6）掌握微程序、微指令和微命令，微指令的编码方式，以及微地址的形式方式。（7）理解微程序控制计算机的基本工作原理。（8）了解组合逻辑设计控制单元的方法。（9）理解微程序设计的基本技术。（三）重点及难点：重点：CPU的基本组成；典型指令的指令周期；微程序控制和组合逻辑控制；流水线技术难点：时序信号产生器；流水线技术第六章 总线系统（一）讲授内容：6.1 总线的概念和结构形态6.2 总线接口6.3 总线的仲裁6.4 总线的定时和数据传送模式6.5 HOST总线和PCI总线6.6 InfiniBand标准（二）基本要求：（1）掌握总线的基本概念，总线的分类，以及总线的组成和性能指标(例如，各类总线的宽度会影响哪些部件的性能等)；（2）掌握总线的结构，各结构的特点；（3）掌握总线仲裁方法(包括集中仲裁方式和分布仲裁方式)和总线操作及定时(包括同步定时方式和异步定时方式)；（4）了解总线标准(正式标准和工业标准) ，总线标准主要规定总线的机械结构规范、功能结构规范和电气规范。（三）重点及难点：重点：总线基本概念，总线的分类；总线总裁方法第七章 外存与I/O设备（一）讲授内容：7.1 外围设备概述7.2 磁盘存储设备7.3 磁盘存储设备的技术发展7.4 磁带存储设备7.5 光盘和磁光盘存储设备7.6 显示设备7.7 输入设备和打印设备（二）基本要求：（1）掌握I/O系统的基本概念；（2）理解各种外部设备的基本工作原理和常见的性能指标。包括输入设备(键盘、鼠标、扫描仪等)、输出设备(显示器、打印机等)、外存储器(硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器等)。（3）掌握磁盘的有关读写过程(寻道时间、等待时间等)，磁盘的读写时间等。（三）重点及难点：重点：外围设备的概念及分类；磁盘的工作原理及技术指标（计算）第八章 输入输出系统（一）讲授内容：8.1 外围设备的速度分级与信息交换方式8.2 程序查询方式8.3 程序中断方式8.4 DMA方式8.5 通道方式8.6 通用I/O标准接口（二）基本要求：（1）掌握I/O接口(I/O控制器)的功能和基本结构、I/O端口及其编址方式。（2）掌握程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式的基本概念、工作原理和过程，以及这些方式之间的区别、各自的优点和缺点、应用场合。（3）掌握中断的基本概念、中断响应过程、中断处理过程、多重中断和中断屏蔽的概念。（三）重点及难点：重点：CPU和外围设备交换信息的方式；中断的基本概念，中断屏蔽、中断判优、中断响应；中断优先级的判别，中断向量和中断服务程序入口。难点：中断判优电路的设计和分析第九章 并行组织与结构（一）讲授内容：9.1 体系结构中的并行性9.2 多线程与超线程处理机9.3 多处理机9.4 多核处理机9.5 多核处理机实例（二）基本要求：（1）理解同时和并发；多线程与超线程；多处理机和多核处理机的概念；（2）了解流行的多核处理器组成结构。（三）重点及难点： 重点：体系机构中的并行性五、实验教学内容和基本要求实验教学内容：（1）系统认识及运算器实验（2学时，基础性实验）：熟悉组成原理实验环境；掌握运算器的数据传输格式，验证运算功能发生器及进位控制的组合功能；完成算术、逻辑、移位运算实验（实验指导书P10），熟悉ALU运算控制器的运用。（2）寄存器和I/O实验（2学时，基础性实验）：熟悉通用寄存器的数据通路；了解通用寄存器的构成和运用；熟悉准双向I/O口的构成原理；掌握通用寄存器R3R0的读写操作；掌握准双向I/O口的输入输出特性。（3）存储器实验（2学时，基础性实验）：熟悉和了解地址总线的组成结构、地址来源及集合原理；掌握程序段与数据段的寻址规则及地址部件的运用技巧；通过地址形成部件实验，建立“段”概念，学会“段”运用；熟悉和了解存储器组织与总线组成的数据通路；按照实验步骤完成实验项目，掌握存储部件在原理计算机中的运用。（4）微控制器实验（2学时，基础性实验）：熟悉微控制器的的控制原理。掌握微控制器的实现方法；熟悉和了解时序发生器及启停电路的工作原理，掌握三级时序系统的实现机制及运用规则。（5）基本模型机设计与实现（4学时，综合性实验）：熟悉微控制器的的控制原理；掌握微控制器的实现方法；在掌握部件单元电路实验的基础上，构造一台基本模型计算机；为其定义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。基本要求：（1）学生根据实验指导书的要求在实验课前认真做好预习工作，并做好实验准备工作。复习教材中相关知识，并根据需要查找资料。明确实验目的、任务，拟订实验方案。（2）学生认真进行实验、验证实验结果，仔细分析实验原理，并能调整实验方案，解决类似问题。实验中遇到问题，应积极和老师、同学讨论。（3）学生要独立写出有理论分析的实事求是的实验报告，准确回答每次实验中老师给出的思考题，按规定时间提交报告。教师课后进行批改。实验安排：本课程共安排5个实验项目，其中基础性实验4个、综合性实验1个。共分6次实验课进行，每次2学时，共计12学时。六、课外教学内容和基本要求无七、有关教学环节的要求本课程是计算机类专业重要的学科基础课程，采用传统教学与多媒体教学相结合的方式组织教学。教学中注重以实例讲解帮助学生理解、掌握抽象概念，通过课程实验进一步理解理论、原理，并掌握计算机系统的设计方法。教师课后需布置一定题量的作业，并认真批改。在课程教学中安排期中测验一次，闭卷笔试。教师根据教学进度决定随堂或者另选课外时间进行测验，其成绩不计入学生课程总评成绩，仅供教师和学生参考。参加合作联盟统考，考试成绩作为最终的课程成绩。八、学时分配建议章节主要内容各教学环节学时分配作业题量备注讲授实验上机习题讨论课外小计1计算机系统概论2222运算方法和运算器8212103多层次的存储器10221484指令系统6655中央处理器10621430期中考试2随堂闭卷考试6