计算机基础组成 大纲 -

2/9《计算机组成与结构》教学大纲一、课程基本信息课程中文名：计算机组成与结构课程英文名：ComputerOrganizationandStructure课程代码：课程学分：4总学时数：48课程类别：专业基础课程课程性质：必修适用专业：计算机科学与技术、网络工程、网络空间安全、大数据、人工智能等先修课程：数字逻辑，程序设计语言后续课程：操作系统选用教材：《计算机组成与结构》，王炜等，清华大学出版社，2025.03二、课程性质与课程目标（一）课程性质《计算机组成与结构》是高等学校计算机类专业的一门专业基础必修课。其目的是使学生理解和掌握计算机各大部件的基本组成、基本原理及其相互联系，以及各部件在整机中的作用；培养学生初步的硬件系统分析、设计和使用能力，并为学习后继课程、从事科学研究和工程技术工作打下基础。（二）课程目标课程目标1：掌握计算机系统的基本组成、基本概念，理解存储程序控制原理，从整体上理解计算机系统各部分的功能，分析各部分之间的关系；了解计算机的主要技术指标，识别和判断计算机系统关键环节和影响因素，培养学生全面、系统和辩证分析问题解决问题的能力；了解计算机系统发展现状和趋势。课程目标2：了解基本门电路与基本逻辑，掌握译码器、数据选择器等常见组合逻辑电路和触发器、计数器等常见时序逻辑电路的结构与工作原理，具备基本的数字逻辑电路设计能力；深刻理解先行进位加法器工作原理，掌握加法器的加速方法，理解算术逻辑单元的基本机构，了解ALU扩展方法。课程目标3：掌握基本的数据表示方法，理解各种运算的实现技术，掌握运算器的基本组成、基本原理和基本分析方法，了解数据校验基本原理、基本方法。课程目标4：了解存储器的分类、技术指标，理解主存储器的基本组成与基本操作，掌握半导体存储器的基本组成、基本原理、芯片结构和存储器容量扩展方法，理解存储器时序控制技术和动态随机存储器刷新控制方法，了解并行主存系统。课程目标5：了解指令与指令系统，理解指令与计算机功能、计算机内部结构之间的关系；了解指令格式和常用指令类型；掌握指令和操作数寻址方式、指令操作码扩展技术；理解CISC和RISC的主要区别，了解两种指令集计算机的主要特点。课程目标6：了解中央处理器的微体系结构，理解控制器的基本功能、基本组成，掌握指令执行过程；理解微程序控制计算机、硬布线控制计算基本原理，掌握微程序设计技术，了解硬布线控制器设计思想；掌握指令流水线的基本原理，理解中断原理，了解提高计算机系统性能的基本方法。课程目标7：了解存储系统的层次结构，掌握高速缓冲存储器的工作原理与基本结构、地址映像与变换的方法、Cache替换算法，理解Cache命中率与速度、性能的关系，了解Cache-主存一致性问题；了解虚拟存储器、相联存储器的工作原理和基本组成。课程目标8：掌握输入输出系统的基本组成和基本原理，了解键盘、鼠标、显示器、打印机以及辅助存储器等常用输入输出设备的工作原理。三、课程内容与教学要求第一章计算机系统概论本章支持课程目标1（一）课程内容1.计算机系统简介2.存储程序控制计算机基本结构3.计算机的主要技术指标4.计算机发展、计算机分类与计算机应用（二）教学要求1.了解计算机系统的层次结构，理解存储程序控制原理，掌握计算机硬件的基本组成、计算机的基本工作过程；培养学生全面、系统和辩证的分析问题解决问题的能力。3.掌握计算机的主要性能指标及不同指标之间的相互关系。2.了解计算机的发展历史、计算机分类及计算机的应用与发展趋向；利用辩证主义唯物法分析计算机的发展规律。（三）重点与难点1.重点：存储程序控制原理与存储程序控制计算机基本结构。2.难点：计算机的主要性能指标及相互关系。第二章计算机的逻辑部件本章支持课程目标2（一）课程内容1.数字逻辑基础2常见的组合逻辑电路3常见的时序逻辑部件4加法器及其加速方法5算术逻辑运算单元（二）教学要求1.理解基本门电路和数字逻辑基本公理、定理，能够基于真值表和卡诺图实现完成对简单逻辑功能的描述和逻辑函数的化简，并利用简单的门电路实现基本逻辑功能；2.掌握数据选择器、译码器等基本组合逻辑电路、触发器、寄存器、计数器等基本时序电路的基本结构与工作原理，能够分析利用这些基本部件所构成逻辑电路的功能，能够用这些基本部件设计简单的电路；3.理解先行进位加法器工作原理和算术逻辑单元的基本机构，能够完成ALU位扩展。（三）重点与难点1.重点：译码器、数据选择器以及加法器、算术逻辑单元ALU等基本组合电路和触发器、计数器等基本逻辑部件的结构与工作原理。2.难点：触发器结构与工作原理、加法器加速方法。第三章运算方法和运算器本章支持课程目标3（一）课程内容1.信息表示2带符号二进制数据表示及定点数加减法运算3二进制乘法运算4二进制除法运算5浮点数运算方法6运算部件7数据校验码（二）教学要求1.了解计算机中信息表示的基本方法，理解真值与机器数，理解机器数补码表示的基本性质，掌握定点数和浮点数的表示方法，能够理解C语言中数据类型在计算机中的表现形式；2.理解定点数四则运算的实现技术，掌握定点运算器的基本组成，能够模拟计算机进行定点数的四则运算并分析运算结果是否溢出等特征；理解各种运算方法的硬件实现，并能够根据运算电路的结构，分析数据加工的过程；理解常见的加速运算的方法，能够根据需要选择合适的设计方案，优化性能、成本等设计目标，培养学生运用思辨的方法分析事物的能力；3.能够进行浮点数的四则运算并规格化；了解浮点数的加/减运算的硬件实现；4.能够分析运算器数据通路的信息加工过程，具有初步的ALU和运算器数据通路的设计能力；5.理解奇偶校验法、掌握校验法、了解循环冗余校验法。（三）重点与难点1.重点：运算方法及溢出判断。2.难点：各种运算方法的硬件实现。第四章存储器本章支持课程目标4（一）课程内容1.存储器概述2主存储器的基本组成与基本操作3半导体随机存储器（RAM）4半导体只读存储器（ROM）5存储器容量扩展以及存储器与CPU的连接6存储控制7并行主存系统（二）教学要求1.理解存储器在计算机中的作用；了解存储器的性能指标；存储器的分类；2.掌握SRAM和DRAM存储器的工作原理；掌握存储器芯片的外部特性，能够根据应用需求选择合适的存储器芯片；3.掌握非易失性存储器的特点，能够根据应用场合选择合适的非易失性存储器；4.掌握主存储器的组织方法，具有初步的设计能力。（三）重点与难点1.重点：半导体随机存储器的结构及主存储器的组织。2.难点：主存储器与CPU的连接。第五章指令系统本章支持课程目标5（一）课程内容1.指令系统概述2指令格式3寻址方式4指令的类型5指令系统发展（二）教学要求1.理解指令系统的基本概念，掌握指令和数据的寻址方式，理解指令格式和指令扩展操作码技术，能够根据寻址方式确定操作数和下一条指令地址，能够根据需求完成指令格式设计；2.了解汇编语言程序设计的基本方法；理解CISC与RISC的主要区别，了解X86指令集、RISC-V指令集基本结构及其主要特点。（三）重点与难点1.重点：寻址方式、扩展操作码技术2.难点：寻址方式第六章中央处理单元本章支持课程目标6（一）课程内容1.控制器的功能与组成2微程序控制计算机基本原理3微程序设计技术4硬布线控制计算机5流水线工作原理6中断原理（二）教学要求1.理解控制器的基本功能与基本组成，掌握指令控制的基本概念；理解时序系统的基本概念，了解时序信号的产生方法和机器周期确定原则；理解控制器控制方式和控制器组成方式；2.掌握CPU数据通路的基本组成和信息加工处理的基本方法；掌握指令流程的分析方法，能够依据数据通路分析信息加工（即指令执行）的过程；3.掌握微程序控制的有关概念，理解微指令格式及微程序控制基本原理，掌握微程序设计技术（微指令编译法、微指令流控制、微指令时序控制），能够综合运用寻址方式、指令执行流程、CPU数据通路等知识进行微程序设计；4.理解硬布线控制计算机的工作原理和硬布线控制器设计技术，掌握硬布线控制器的基本组成；5.理解流水线的基本原理，了解流水线的性能指标，理解指令流水线的相关与冲突；6.理解中断的概念，能利用中断屏蔽技术动态改变中断处理次序。（三）重点与难点1.重点：指令执行过程分析、微程序控制器与微程序设计技术2.难点：微程序设计技术第七章存储体系本章支持课程目标7（一）课程内容1.存储系统层次结构2高速缓冲存储器Cache3虚拟存储器4相联存储器5存储保护（二）教学要求1.理解存储器的层次结构，理解程序访问局部性原理；2.掌握高速缓存（Cache）的基本组成和工作原理，能够根据Cache和主存之间的映像方式、Cache中主存块的替换算法，分析CPU访问主存时Cache的工作过程；3.掌握虚拟存储器的基本概念，了解页式虚拟存储器、段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器基本原理；4.能够根据存储系统（包括Cache和虚拟存储器）的管理方式、映像策略等，确定CPU所需访问的内容是否在Cache或主存中；5.了解相联存储器；了解存储保护的基本方式。（三）重点与难点1.重点：高速缓冲存储器2.难点：高速缓冲存储器的访问过程第八章辅助存储器本章支持课程目标8（一）课程内容1.辅存的种类与技术指标2磁表面存储器3光盘存储器（二）教学要求1.掌握辅助存储器的种类与技术指标；2.理解磁记录原理与记录方式，了解硬盘存储器的基本结构；3.了解光盘存储器的种类、组成和工作原理。（三）重点与难点1.重点：硬盘存储器的基本结构2.难点：磁记录方式第九章输入输出设备本章支持课程目标8（一）课程内容1.输入输出设备概述2常用的输入设备3常用的输出设备（二）教学要求1.了解键盘、鼠标、触摸屏等常见输入设备的结构与工作原理；2.了解显示器、打印机等常见输出设备的结构工作原理。（三）重点与难点1.重点：键盘、显示器工作原理2.难点：无第十章输入输出系统本章支持课程目标8（一）课程内容1.输入输出系统概述2主机与外设间数据传送控制方式3总线4设备接口（二）教学要求1.掌握输入输出系统基本组成；2.掌握利用程序查询、程序中断和DMA方式进行主机与外设间数据传送的原理和工作过程，了解程序中断接口和DMA接口的基本组成；3.了解总线的基本概念，理解总线结构与总线控制方式；4.了解常用的总线标准；了解微机中常见的接口标准。（三）重点与难点1.重点：主机与外设间数据传送的5种基本方式、总线结构与总线控制2.难点：程序中断与DMA方式四、学时分配、教学方法及支撑课程目标章（按序填写）教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目标第1章计算机系统概述2讲授法1第2章计算机的逻辑部件6讲授法2第3章运算方法与运算器10讲授法、研究型教学方法3第4章主存储器4讲授法4第5章指令系统2讲授法、讨论法5第6章中央处理器14讲授法、研究型教学方法6第7章存储系统4讲授法7第8章辅助存储器1研究型教学方法8第9章输入/输出设备1研究型教学方法8第10章输入/输出系统4讲授法、研究型教学方法8合计48讲授法注：1.课程实践学时按相关专业培养计划列入表格；2.主要教学方法包括讲授法、讨论法、演示法、研究型教学方法（基于问题、项目、案例等教学方法）等。五、课程考核（一）考核方式考核方式或途径考核要求考核权重考核对应的

课程目标备注平时作业总计不少于10次作业10%2，3，4，5，6，7研讨查阅文献，写小论文或者做PPT进行小组汇报，体现思政10%1期中考试闭卷20%2，3，4，5期末考试闭卷60%1，2，3，4，5，6，7注：1.课程考核应做到过程性考核与终结性考核相结合。2.考核形式主要包括课堂表现、平时作业、阶段测试、期中考试、期末考试、大作业、小论文、项目设计和作品等。3.考核要求包括作业次数、考试方式（开卷、闭卷）、项目设计要求等。4.考核权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。5.考核内容须包含课程思政成效考核。（二）本课程毕业要求达成度计算课程目标的达成值是由全部被评价学生的各评价项的平均考核成绩来计算的。计算方法为该课程目标各评价项的平均得分与对应权重系数的乘积之和除以各评价项的应得分与对应权重系数的乘积之和其中，评价项平均分=评价项对应项目的全班平均分，为该评价项的数量，为该评价项的考核权重。毕业要求指标点的达成情况评价值为支撑该指标点的所有课程对该指标的目标值乘以课程达成值之和七、参考书目及学习资料1.《计算机组成与设计：硬件/软件接口（原书第5版·RISC-V版）》，[美]DavidA.Patterson&JohnL.Hennessy著，易江芳、刘先华等译，机械工业出版社，2020.052.《计算机组成原理（第3版）》，唐朔飞，高等教育出版社，2020.103.《深入理解计算机系统（原书第3版）》，[美]RBryant&DO'Hallaron著，龚奕利等译，机械工业出版社，2016.11八、大纲说明1.采用多媒体授课，运用讲授、启发式、案例式等多种教学手段。2.课后需要完成一定数量的习题或测试，以加深学生对所学内容的理解和掌