《计算机组织与结构》课程教学大纲

1、计算机组织与结构一、课程概况所属专业:软件工程开课单位：数学计算机科学学院课程类型:专业基础课程课程代码:07414090开课学期:3学分：4学时：60+16核心课程:否拟使用教材：袁春风主编,计算机组成与系统结构(第2版),清华大学出版社,2015年国内(外)现有教材：1. HYPERLINK /book/search_pub.php?category=01&key2=%C0%EE%B2%AE%B3%C9&order=sort_xtime_desc t _blank 李伯成, HYPERLINK /book/search_pub.php?category=01&key2=%C0%EE%B8%

2、D6&order=sort_xtime_desc t _blank 李钢编著,计算机组成与系统结构,清华大学出版社,2010年2. 王爱英主编,计算机组成与结构(第4版),清华大学出版社, 2007年3. 美 HYPERLINK /book/search_pub.php?category=01&key2=%CB%B9%CD%D0%C1%D6%CB%B9&order=sort_xtime_desc t _blank 斯托林斯著 HYPERLINK /book/search_pub.php?category=01&key2=%C5%ED%C2%FB%C2%FB&order=sort_xtime_d

3、esc t _blank 彭蔓蔓等译,计算机组成与体系结构：性能设计（原书第8版）, HYPERLINK /book/search_pub.php?category=01&key3=%BB%FA%D0%B5%B9%A4%D2%B5%B3%F6%B0%E6%C9%E7&order=sort_xtime_desc t _blank 机械工业出版社,2011年学习参考资料网络资源类1. 美国UC Berkeley大学“Machine Structure”2013年课程网站： /cs61c/sp13/2. 美国UC Berkeley大学“Components and Design Techniques

4、 for Digital System”2013年课程网站：/cs150/sp13/3. 美国UC Berkeley大学“Computer Architecture and Engineering”2013课程网站：/cs152/sp13/4. 美国Stanford大学“Computer Organization and Systems” 2013年课程网站：/class/cs107/5. 美国Stanford大学“Digital Systems II”2013年课程网站：/class/ee108b/6. 美国Carnegie Mellon 大学“Introduction to Compute

5、r Architecture” 2013年课程网站： HYPERLINK /ece447/ /ece447/二、课程描述计算机组织与结构课程是软件工程专业的学科基础课之一, 本课程的教学目的是让学生了解计算机的组织与结构，掌握计算机系统有效、可靠的组织方法，能够对计算机系统进行可靠性与性能评测,为进一步学习后续课程，以及今后从事计算机的研制、生产、维护和应用开发打下基础。本课程以介绍计算机的组成与结构的基本概念、工作原理和设计方法为主要内容，重点介绍计算机单处理机系统的硬件组成与工作原理，同时介绍当前计算机系统的新技术与发展趋势；帮助学生建立计算机系统的完整概念，学习计算机系统的分析方法和设计

6、方法，了解计算机系统的最新研究成果。该课程将为学生奠定坚实的计算机硬件基础。三、课程目标通过本课程的学习，学生应了解计算机结构、组成和实现三者的定义、内涵和相互影响，掌握计算机系统的基本概念，包括计算机的基本构成、内部数据表示方法；了解指令工作原理，掌握重叠、流水线等组成方式提高系统速度的原理，了解并行处理机结构原理，了解系统结构和并行性的发展；理解存储器层次系统工作原理，理解软件可移植性概念与实现途径；掌握总线带宽、性能指标计算等。四、教学要求授课教师将按照学校本科教学工作有关要求做好计算机组织与结构课程教学各项工作，严格按照课表规定的时间、地点上课，不迟到、不早退，将根据本要求，认真备课完

7、成教案与讲稿编写等各项课前准备工作；授课过程力求内容充实、概念准确、思路清晰、详略得当、逻辑性强、重难点突出，力戒平铺直叙、照本宣科，做到“理论实践一体化，整体目标系统化”，同时重视对学生的学习方法指导和课堂教学效果信息的反馈，实现教与学的双向互动；同时结合以“培养学生现代计算机系统设计能力”为目标，力图根据课程特点和硬件实践能力的要求，做好计算机组织与结构“课程设计”内容的设计，贯彻“强调软/硬件关联与协同、以CPU设计为核心/层次化系统设计的组织思路，有效地增强对学生的计算机系统设计与实现能力的培养”；另外，严格按照本要求做好出勤率统计、作业评价等各项工作。学习是大学生自己的责任和义务，学

8、生应根据课程要求制定本门课程学习计划，加强学业管理，严格自我要求，提升自主学习能力，主动适应课程学习要求。参与课堂教学活动不迟到、不早退，无正当理由不请假，上课认真听讲，不做任何与课堂教学无关事宜，不使用手机，积极与授课教师进行教学互动，同时利用课余时间做好预习、复习、课外书籍阅读等工作，主动与同学开展合作学习，认真完成任课教师布置的课程作业。五、考核方式及要求为实现课程教学目标，本门课程采用过程性考核和期末考核结合的方式进行考核。过程性考核占总成绩40%，其中：考勤占10%，随机点到，每人不少于3次；课程作业按批改成绩折算占20%，作业6-7次；课堂测验1次，占10%，测验时间和内容根据教学

9、进度由教师安排；期末考核占总成绩60%，为闭卷考试。六、课程内容第一章：计算机系统概述（授课时间：第三学期第一周）教学目标：了解整个计算机系统全貌以及本课程内容在计算机系统中的位置， 掌握简单评价计算机系统性能的方法。教学重点：计算机系统结构、组成和实现，计算机的多层次结构，计算机系统的性能评价指标。教学难点：计算机系统结构的概念学 时：课堂教学4学时，课外自主学习时间不少于2学时教学方法：讲授法、演示法主要内容：（1）计算机的发展历程 （2）计算机系统的基本组成（3）计算机系统的层次结构 （4）程序开发与执行过程（5）计算机系统性能评价课后作业：完成练习35题，并在下周课前提交。第二章：数据

10、的机器级表示（授课时间：第三学期第二周）教学目标：掌握计算机内部各种数据的机器级表示方法，并能将这些知识熟练运用到高级语言和机器级语言的编程和调试工作中。教学重点：数值的表示、数据的宽度、数据的存储排列和数据的校验方式教学难点：数据校验码学 时：课堂教学4学时，课外自主学习时间不少于2学时教学方法：讲授法、演示法主要内容：（1）数制和编码（2）整数的表示 （3）实数的表示（4）十进制数的表示 （5）非数值数据的编码表示（6）数据的宽度和存储（7）数据校验码课后作业：完成练习35题，并在下周课前提交。第三章：运算方法和运算部件（授课时间：第三学期第三到五周）教学目标：掌握核心运算部件ALU以及计

11、算机内部各种基本运算算法和运算部件的相关知识，能够运用所学知识分析和解释高级语言程序设计中遇到的各种问题和相应的执行结果。教学重点：定点数的移位操作，补码加减运算方法，补码一位乘法（布斯乘法）基本原理，原码除法运算的基本原理，各类定点数运算的溢出判断方法；浮点数加减运算过程和方法；算术逻辑单元ALU的功能和结构。 教学难点：原码和补码运算、溢出判断、浮点数阶码表示方法学 时：课堂教学6学时，课外自主学习时间不少于6学时教学方法：讲授法、演示法主要内容：（1）高级语言和机器指令中的运算（2）基本运算部件 （3）定点数运算（4）浮点数运算（5）运算部件的组成课后作业：完成练习35题，并在下周课前提

12、交。第四章：指令系统（授课时间：第三学期第六到七周）教学目标：了解高级语言与汇编语言之间、汇编语言与机器语言之间的关系；掌握指令系统设计中有关指令格式、操作数类型、寻址方式、操作类型等内容；了解高级语言源程序如何转换为机器级代码；深刻理解CISC和RISC之间的差别。教学重点：机器指令的一般格式以及指令中各字段的作用；不同的地址格式对访存次数、寻址范围的影响；不同的寻址方式对操作数寻址范围以及对编程的影响；RISC的主要特点及其与CISC的区别。教学难点：设计指令格式的方法；扩展操作码技术的运用。学 时：课堂教学6学时，课外自主学习时间不少于6学时教学方法：讲授法、演示法主要内容：（1）指令格

13、式设计（2）指令系统设计 （3）指令系统实例（4）程序的机器级表示课后作业：完成练习35题，并在下周课前提交。第五章：中央处理器数据通路和控制器（授课时间：第三学期第八到十周）教学目标：了解CPU的主要功能、CPU的内部结构、指令的执行过程、数据通路的基本组成、数据通路的定时、数据通路中信息的流动过程、控制器的实现方式、硬连线路控制器的设计、微控制器的设计、异常和中断的概念等，为进一步深入理解流水线CPU的设计原理和高级流水线技术打下基础。教学重点：数据通路的定时、单周期数据通路、单周期控制器、微程序概念和带异常和中断处理和处理器实现。教学难点：异常和中断的处理。学 时：课堂教学8学时，课外自

14、主学习时间不少于6学时教学方法：讲授法、演示法主要内容：（1）CPU概述（2）单周期处理器的设计（3）多周期处理器的设计（4）微程序控制器设计（5）异常和中断处理课后作业：完成练习35题，并在下周课前提交。第六章：指令流水线（授课时间：第三学期第十一到十二周）教学目标：深刻理解现代计算机的CPU是如何执行指令的，包括指令流水线基本原理、流水线寄存器的概念、流水线数据通路的设计、流水线的控制信号、结构冒险及其处理、数据冒险及其处理、转发技术、控制冒险及其处理、分支预测原理、超标量和动态流水线的概念；了解在指令流水线中如何处理异常和中断，以及各类存储器访问缺失对指令流水线的影响。教学重点：指令流水

15、线的设计与实现、指令流水线的局限性、流水线冒险的检测与处理、高级流水线技术。教学难点：流水线冒险的检测与处理学 时：课堂教学6学时，课外自主学习时间不少于6学时教学方法：讲授法、演示法主要内容：（1）流水线概述（2）流水线处理器的实现（3）流水线冒险及其处理（4）高级流水线技术课后作业：完成练习35题，并在下周课前提交。第七章：存储器层次结构（授课时间：第三学期第十三到十五周）教学目标：掌握构成存储器分层体系结构的几类存储器的工作原理和组织形式。深刻理解程序访问局部性的意义，学会利用时间局部性和空间局部性编写高效的程序；了解指令执行过程中访问数据的整个过程，以及存储访问过程中硬件和软的分工和联

16、系，并深刻理解提高访问命中率的意义；了解虚拟存储管理的必要性和实现思路，为学习操作系统中的存储管理等内容打下坚实基础。教学重点：半导体随机访问存储器、cache存储器和虚拟存储器教学难点：Cache存储器和虚拟存储器学 时：课堂教学10学时，课外自主学习时间不少于10学时教学方法：讲授法、演示法主要内容：（1）存储器概述（2）半导体随机存取存储器（3）存储器芯片的扩展及其与CPU的连接（4）半导体只读存储器和Flash存储器（5）并行存储器结构技术（6）高速缓冲存储器（7）虚拟存储器课后作业：完成练习35题，并在下周课前提交。第八章：互连及输入输出组织（授课时间：第三学期第十六到十七周）教学目

17、标：了解输入/输出系统涉及的软硬件概念和知识体系，为学习操作系统中的存储管理和设备管理内容打下坚实基础；掌握现代计算机中各主要模块之间的总线互连方式，包括总线的基本概念、总线的分类、总线的组成及性能指标、总线的裁决、总线的定时方式、总线标准及其现代计算机的总线互连结构。教学重点：输入和输出工作方式，设备接口、总线的结构形态，总线接口，总线的仲裁、定时和数据传输模式教学难点：输入和输出工作方式、总线的仲裁、定时和数据传输模式学 时：课堂教学6学时，课外自主学习时间不少于6学时教学方法：讲授法、演示法主要内容：（1）外部设备的分类与特点（2）输入设备和输出设备（3）外部存储设备（4）外设与CPU、

18、主存的互连（5）I/O接口（6）I/O数据传送方式（7）I/O子系统概述（8）内核空间I/O软件课后作业：完成练习35题，并在下周课前提交。实验一：电路仿真基础验证性实验 （授课时间：第三学期第四到五周）教学目标：掌握电路仿真软件使用方法。主要内容：通过在Vivado仿真软件上设计一个简单的数字电路，使学生初步了解仿真实验设备的工作原理，掌握使用仿真软件仿真电路输入输出波形的方法。学 时：课内4学时，课外不少于2学时教学方法：演示法/讲授/现场指导实验类型：验证性实验实验二：全加器电路设计设计性实验 （授课时间：第三学期第七到八周）教学目标：掌握全加器的电路设计实验目的：学习使用Vivado设计计算机电路构件，使学生了解仿真软件设计基本器件的方法，掌握半加器、全加器的工作原理，验证运算器的工作逻辑。学 时：课内4学时，课外不少于2学时教学方法：讲授/现场指导实验类型：设计性实验实验三：存储器电路设计设计性实验