计算机组成原理-课程教学大纲

PAGEPAGE1XX大学“计算机组成原理”课程教学大纲一、课程基本信息课程名称计算机组成原理PrinciplesofComputerOrganization课程代码课程性质必修课程归属部门XX学院课程负责人课程团队授课学期第三学期学分3课内学时48理论学时24实践学时（含实验、实训、实习、设计等）24适用专业计算机科学与技术、软件工程授课语言中文先修课程计算机导论、电子技术及逻辑电路、C语言程序设计后续课程操作系统原理与应用、虚拟化与系统集成、云计算技术及应用课程思政设计本课程将计算机技术发展与家国情怀相融合，以计算机各部件的工作原理和发展为主线，引导学生理解技术迭代背后的工匠精神与责任担当；结合华为、龙芯等国产计算机案例，培养科技报国的家国情怀；在课堂活动中，融入团队协作与故障排查任务，强化工程实践中的集体主义价值观与社会责任感。课程简介《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业的核心课程。课程内容涵盖计算机各主要部件（如中央处理器、存储器、输入输出设备等）的设计原理、实现技术及相互协作方式，帮助学生深入理解计算机硬件系统的构成与运行机制。在本课程，学生将运用已学过的数字逻辑电路、编程基础等知识，构建起完整的计算机系统概念，形成计算机性能优化的迭代意识，为后续专业课程学习和实际应用开发奠定坚实基础。课程内容：本课程以计算机工作原理为主线，以设计模型机为目标。课程内容包括计算机硬件的基本组成、指令系统和指令执行过程、存储器层次结构、总线和输入输出系统、中央处理器，结合虚拟仿真平台与开源协作实践。课程作用：本课程培养学生的工程实践能力与创新思维，助力学生掌握从单个部件到系统整合的完整技术链条，为从事计算机类工作提供必要的知识基础和能力支持。二、课程目标及对培养目标毕业要求指标点的支撑1.学情分析本专业立足于我校应用型本科教育，面向粤港澳大湾区地区信息产业，培养高素质应用型计算机专门人才，学生毕业后可以在电信运营商、系统集成商以及相关企事业单位的IT技术部门，从事计算机工程、网络工程、软件工程、云计算等岗位的技术工作。《计算机组成原理》课程是计算机科学与技术专业的专业核心课程，面向大二第一学期的学生开设。课程面向行业具有“理论性强，实践要求高，技术更新快”的特点，容易出现“因学生基础知识掌握不牢，导致对课程内容理解2.课程目标及对毕业要求指标点的支撑关系表课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求课程目标1：能阐述计算机各部件（如CPU、存储器、I/O系统）的工作原理，准确描述数据表示、运算方法及存储系统结构，体现严谨的科学态度与工匠精神。具备运用数学以及物理等自然科学基础知识表述和凝练计算机工程领域复杂工程问题的能力。能够将工程基础知识用于分析、评价和解决计算机生产、加工、流通等领域的复杂工程问题。能够运用计算机工程专业基础知识表述和解决计算机工程领域复杂工程问题。毕业要求1（工程知识）课程目标2：能应用指令周期和数据存储的原理，设计机器程序并形成方案，展现创新思维与问题解决能力。2.2能够运用计算机科学与技术基本原理、方法、手段正确表达并选择合理方案解决计算机科学与技术领域相关问题。10.2能够就计算机工程领域复杂工程问题按照正确的格式撰写报告和设计文稿，并进行规范的陈述发言，清晰表达或回应指令。毕业要求2（问题分析）毕业要求10（沟通）课程目标3：能完成整机系统建模与仿真测试，验证理论知识的准确性，强化动手能力与技术应用的实操意识。3.2具备针对计算机工程领域特定需求设计单元/部件和系统的能力，在设计环节体现创新意识。4.2能够针对计算机工程复杂问题开发、选择与使用恰当的现代工具与前沿技术，对具体科学问题和复杂工程问题抽提和凝练。毕业要求3（设计开发)毕业要求4（研究）PAGEPAGE3三、课程教学模块设计序号教学模块名称参考课时模块教学目标（分类描述）教学内容（知识点、技能点、实验项目、课程思政元素等）教学方式预期学习成果支撑课程目标1计算机系统概念和工作原理4知识目标：能归纳并定义计算机系统层次结构、系统结构、组成与实现；能区分并识别计算机的基本技术指标；能描述计算机发展的历史与应用领域。能力目标：能演绎冯·诺依曼计算机程序执行的工作步骤；能探索计算机应用场景，通过资料分析其实际应用。素养目标：培养良好的绘图习惯与逻辑思维能力；增强对计算机专业人士在社会经济发展中的职业责任感与使命感。知识点：计算机系统层次结构，计算机基本技术指标，计算机发展历史与应用领域。技能点：分析冯·诺依曼计算机的工作原理实验项目：虚拟仿真实验平台使用及多路选择器实验。课程思政元素：①通过分析计算机技术发展史，引导学生理解技术迭代中的工匠精神与创新思维。②引入国产计算机作为发展历史介绍，激发家国情怀。讲授法案例教学法演示法实验教学线上讨论：国产计算机发展现状课堂练习：取数指令和存数指令实验作品：多路选择器的构建12总线、I/O设备及存储器10知识目标：能描述存储器层次结构的组成与功用；能归纳I/O系统的工作原理及性能优化策略；能列举数据传输机制与总线接口技术。能力目标：能计算缓存的相关性能指标并评价效果；能构建存储器电路并操作数据的读写；能运用AI制作趣味视频讲述本模块知识点。素养目标：通过存储器和I/O系统的性能演进，培养精益求精的工匠精神；通过存储操作时序培养严谨的工程思维与问题解决能力。知识点：存储器层次结构，I/O系统的工作原理与性能优化策略，数据传输机制与总线接口技术。技能点：缓存性能分析，存储操作时序。实验项目：存储器连接与读写时序。课程思政元素：引入3D动画讲述当代存储产品原理，接触前沿技术，拓展视野，形成产品迭代的工程思维。讲授法项目式学习小组合作实验教学在线测试线上讨论：计算机存储设备种类课堂练习：缓存性能计算AI视频：趣味视频讲述计算机工作原理知识1/33数值的表示与中央处理器10知识目标：能描述定点数、浮点数在计算机中表示方法；能列举算术逻辑单元的结构与功能。能力目标：能转换现实数值为计算机浮点数；能演绎原码乘法和除法的过程；能构建ALU电路，连接存储器并实现算术和逻辑运算。素养目标：培养严谨的逻辑思维与工程实践能力。知识点：数据在计算机的表示方法及运算，算术逻辑单元技能点：码制转换，浮点数运算，ALU电路连接实验项目：运算器实验课程思政元素：①通过运算练习培养归纳算法的意识；②通过复杂的长运算培养工匠精神。讲授法任务驱动法探究研讨法练习法在线测试实验作品：运算器与存储器电路课堂练习：浮点数转换阶段性学习成果1：计算机各部件及工作原理测试2/34控制单元与指令周期12知识目标：能描述指令的格式与寻址方式；对比RISC的CISC设计差异并列举实例；能描述指令周期。能力目标：能使用元件构建程序计数器并实现取指周期；能依据多重中断优先级设计屏蔽字；能以团队协作的形式演绎指令周期并模拟一道程序的解题过程。素养目标：增强对计算机底层技术的探索精神与创新意识。知识点：指令的结构与指令集架构，CPU的功能与结构，指令周期，系统中断。技能点：演绎指令周期，设计中断屏蔽字。实验项目：程序计数器实验。课程思政元素：通过指令周期演绎，锻炼团队协作的精神，培养性能优化的意识。讲授法案例教学法项目式学习探究研讨法小组合作在线测试课堂练习：寻址方式的计算阶段性学习成果2：设计程序解题并小组协作演绎2/35模型机与指令集12知识目标：能描述微指令控制器的功能与工作原理；能分析控制单元与CPU其他部件的协同机制。能力目标：能依据指令集设计微指令并用微程序控制器控制模型机的数据通路并运行一道程序。能运用AI辅助扩展虚拟仿真实验平台的代码，为平台增加功能。素养目标：培养全局的系统思维，锻炼勇于面对复杂问题的工程师素养。知识点：控制单元的功能与工作原理，控制单元与CPU其他部件的协同机制，系统级控制逻辑技能点：设计微指令，运行模型机，开源代码扩展。实验项目：微指令控制器实验，模型机实验。课程思政元素：①通过分析控制单元设计，鼓励学生敢于分解复杂工程问题；②通过微指令设计，形成全局思维。讲授法实验教学翻转课堂项目式学习在线测试线上作业：根据指令集完成微指令的设计。阶段性学习成果3：模型机电路与扩展的仿真电子元件代码讨论：如何借AIGC使用不熟悉的编程语言解题。1/3四、考核项目及评价标准1.课程目标对应的考核内容及考核项目课程目标（支撑毕业要求指标点）考核内容考核项目及权重(%)权重(%)计算机组成部件及工作原理计算机运算及协同过程虚拟仿真平台模型机构建综合性考核课程目标1（CPU、存储器、I/O系统）的工作原理，准确描述数据表示、运算方法及存储系统结构，体现严谨的科学态度与工匠精神(支撑毕业要求指标点1.1，1.2，1.3)。根据情景，描述计算机相关部件的功能和结构，比较其工作原理的异同，完成码制转换和浮点数运算，以及计算机性能相关的计算。能按要求参与全程讨论、汇报，按时出勤。101001636课程目标2能应用指令周期和数据存储的原理，设计机器程序并形成方案，展现创新思维与问题解决2.2，10.2)。根据解题需求，演绎计算机的指令周期，设计微指令和计算机程序；运用AI工具完成课程知识点的趣味视频；运用AI辅助对虚拟仿真平台的代码进行扩写，增加可用的实验元件和功能。能按要求参与全程讨论、汇报，按时出勤。101001636课程目标3能完成整机系统建模与仿真测试，验证理论知识的准确性，强化动手能力与技术应用的实操意识(支撑毕业要求指标点3.2，4.2)。根据设计目标，独立完成一台模型机的构建，运行程序解题。能正确地连接硬件，撰写规范的设计文档。有良好的的课堂参与表现。0020828合计20202040100PAGEPAGE52.各考核项目评价标准（1）阶段性学习成果考核：阶段性学习成果考核1：用测试的形式，考察学生对于计算机系统各部件组成以及工作原理的达成情况，检查答案中的计算、推导和解释是否准确，并确保所有问题都得到了适当的回答。在规定的时间内完成题目。具体评分标准如下：课程目标要求权重（课程目标要求权重（%）90-1000-59完全准确地回答了所有问题，包括计算和推导题目的正确结果。能正确回答大部分问题，但存在少量计算或解释错误。能够基本正确回答半数以上的问题，但存在明显错误或遗漏。回答错误较多，未能完成大部分问题。课程目标1对测试中的每个问题都提供了清晰、详细、准确的解答，包括适当的解释和论证。对测试中的大部分问题都提供了较清晰、详细、准确的解答，解释和论证不够详细，但核心概念理解正确。对测试中的大部分问题都提供了较准确的解答，但解释和论证不完整，核心概念理解不清晰。对测试中的计算和推导完全错误，或未提供有效解释，核心概念理解严重缺失。50规范专业的绘图，计算与分析详实、正确；图表清晰。规范的绘图，计算与分析正确；图表工整。绘图欠缺规范，图表基本完整。绘图不规范，图表不完整。课程目标2能够熟练地进行各种码制转换运算。能够清晰地解释指令执行过程、数据存储和访问等原理。能够完成大部分码制转换和指令执行过程的解释，但存在少量错误或细节缺失。对指令执行过程、数据存储和访问等原理解释和论证基本清晰，但部分细节未充分展开。部分码制转换或指令执行过程存在明显错误。对指令执行过程、数据存储和访问等原理解释和论证不完整，码制转换和指令执行过程基本错误。对指令执行过程、数据存储和访问等原理解释和论证完全缺失，核心概念理解严重缺失，未完成或未提供有效回答。50总计10080-89

评分标准

60-79阶段性学习成果考核2：考核以小组协作形式进行。设定一台计算机的存储字长和指令字长，在由老师提供的多个题目中抽取一道，设计程序，并通过角色扮演的形式演绎程序运行的全过程，以验证其正确性。具体评分标准如下：课程目标要求权重（课程目标要求权重（%）90-1000-59课程目标1演绎符合冯诺依曼模型机特点，创新性融入合理，关注程序性能。演绎基本符合冯诺依曼模型机的特点，但部分步骤或部件解释不完整，对程序性能缺少关注。部分演绎不符合冯诺依曼模型机的特点，部分步骤或部件未正确演绎，关键部件功能描述不清晰，创新性缺失。演绎未完成或严重错误，无法体现基本程序执行逻辑。5080-89

评分标准

60-79课程目标2能够完全准确地演绎程序执行过程，清晰解释辑。基本能演绎程序执行过程，解释了各部件功能及交互逻辑。演绎完成但部分步骤或部件未正确演绎，关键部件功能描述不清晰，创新性缺失。未完成或严重错误，无法体现基本程序执行逻辑。50总计100阶段性学习成果考核3：要求学生在规定的时间内通过虚拟仿真平台完成特定的模型机构建任务，并要求学生撰写总结报告，其中包括模型机设计、操作步骤、结果等内容。具体评分标准如下：课程目标要求权重（课程目标要求权重（%）90-1000-59课程目标3模型机构建设计合理，操作步骤规范，结果分析准确，报告完整且逻辑清晰，体现创新性。模型机构建基本完成，操作步骤基本正确，但存在部分细节不足或分析不深入。模型机构建存在明显错误或遗漏，操作步骤不完整，结果分析不清晰。未完成模型机构建任务或严重错误，报告未提交或内容严重缺失。100总计10080-89

评分标准

60-79（2）期末综合性考核：课程目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59课程目标1能够准确无误地进行二进制运算，转换为不同进制；能细述对计算机系统组成、总线、存储器层次结构等概念；在笔试中能够准确解答与存储器工作、总线分类等相关问题。对指令系统、指令执行过程和CPU内部结构有深刻认识；在笔试中能够准确解答与指令系统、指令执行过程和CPU内部结构相关问题。能够正确进行大部分二进制运算；能描述对计算机系统组成、总线、存储器层次结构等；在笔试中能够基本正确解答与存储器工作、总线分类等相关问题。对指令系统、指令执行过程和CPU内部结构有一定认识；在笔试中能够基本正确解答与指令系统、指令执行过程和CPU内部结构相关问题。能够进行简单的二进制运算，转换时可能有错误；能简述对计算机系统组成、总线、存储器层次结构；在笔试中能够简要回答与存储器工作、总线分类等相关问题。对指令系统、指令执行过程和CPU内识；在笔试中能够简要回答与指令系统、指令执行过程和CPU内部结构相关问题。对二进制运算和计算机系统基本概念认识有限；在笔试中未能正确回答与存储器管理、总线分类等相关问题。对指令系统、指令执CPU内部结构认识有限；在笔试中未能正确回答与指令系统、指令执行过CPU内部结构相关问题。40课程目标2能够熟练进行各种数制转换，无错误；对计算机系统的工作原理有深入认识，能够详细解释指令执行过程、数据存储和访问、输入输出操作等。能够基本准确进行各种数制转换，可能有少