计算机组成原理课程介绍.ppt

1、,精品课程建设中的体会,哈尔滨工业大学 唐朔飞 2009年10月30日, 计算机组成原理课程介绍,精品课程建设中的体会,课程目标和定位 课程内容 教材建设 教学方法 教学手段 实践教学 教学队伍,计算机组成原理课程,一、课程目标和定位,同一名称的课程，不同的学校，不同的培养目标，不 同的学生基础，在课程的深度和广度上应该不同。,计算机组成原理课程,哈工大是国家 “985” 重点建设的大学，哈工大计算机 科学与技术学科被认定为国家一级重点学科，我们的人才 培养理念是 “研究型、个性化、精英式” 人才。,一、课程目标和定位,本课程围绕单CPU计算机硬件系统的基本组成和工作原理，系统地讲述计算机硬件

2、系统及其功能部件的内部结构、功能特征、工作原理、交互方式和基本设计方法，通过课堂教学和实践环节，使学生系统地理解计算机硬件系统的组织结构和工作原理，掌握计算机硬件系统的基本分析与设计方法，为进一步学习计算机系统结构、操作系统等后续课程，全面培养对计算机软硬件系统的 认知、设计 与 创新 能力奠定良好的基础。,计算机组成原理课程,一、课程目标和定位,计算机组成原理课程,认知能力：通过对计算机组成原理的分析、讲解和配套实验，培养学生计算机硬件的系统级认知能力。 设计能力：掌握必要的硬件描述语言、设计工具及仿真环境，体验计算机硬件系统的设计过程，掌握相关硬件设计技术与方法，达到验证功能部件和系统功能

3、的目的。 创新能力：体会前人在特定的技术条件下的创新思维，结合新技术的介绍，大胆畅想未来的技术发展趋势，引领学生突破思维定势。,二、课程内容,计算机组成原理课程,符合教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会发布的高等学校计算机科学与技术专业公共核心知识体系与课程和高等学校计算机科学与技术专业实践教学体系和规范,二、课程内容,计算机组成原理课程,重点：计算机几大部件（存储器、运算器、控制器、输入输出系统及总线）的内部结构、组织方式和工作原理，以及部件和单元电路的设计思想。,难点：如何以控制流和数据流为主线，将计算机各大部件联系起来，建立整机概念。如CPU与存储器、CPU和I/O、存储器与I/

4、O之间的逻辑关系，控制器如何控制每一条指令的执行过程，控制单元的设计思想和实现方案等。,三、教材建设,计算机组成原理课程,贯穿激发学生主动探求知识的理念，采用从整体框架入手，自顶向下，由表及里，层层细化的分析方法，详述计算机组成原理，诱发学生主动思索、激励学生主动探求解决各类问题的途径和手段。,计算机组成原理第 2 版（唐朔飞编著，高等教育出版社）是 “十一五” 国家级规划教材，自 2008 年 1 月出版至今，已印刷 5 次，共 90000 余册。,四、教学方法,计算机组成原理课程,填鸭似的 灌入式 学生参与思索的 启发式 激发学生主动探求答案积极性的 激发式 老师授课时 在每个章节处安排疑

5、点 在每一堂课的前后连接处提出悬念 激发学生学习的兴趣和探索的欲望，引导学生主动思考,五、教学手段,计算机组成原理课程,配套的电子课件（随书出版）,辅助教材,计算机组成原理 学习指导与习题解答 （唐朔飞，高教出版社 2005 年出版）,化解课程中遇到的重点和难点，达到 “自检” 学习的效果,试题库 为教师提供试题参考,教学网站,提供教学大纲、教学设计、教学日历、学习指导、实验大纲、 习题精选、互动论坛等,各种教学资源集成发展,有助于学生消化、吸收、理解、掌握课程内容,六、实践教学,计算机组成原理课程,第一阶段 基本技能的培养,第二阶段 部件综合设计能力的培养,第三阶段 系统设计能力的培养,通过

6、实验课，结合实验台完成验证型、设计型、 综合型三种实验，进一步加深课堂教学的感性认识,通过课程设计或 “计算机设计实践” 后续课完成,通过 “计算机设计与实践”后续课完成,六、实践教学,计算机组成原理课程,“计算机设计与实践”是一门实践性很强的计算机组成原理的后续课程，实践环节占80%。要求学生学会一种硬件描述语言，熟练使用指定的芯片级开发工具和相应的调试手段，掌握系统级设计的过程和深入领会芯片级设计的层次化思想，设计并实现指定功能的处理器芯片，再利用该芯片搭建一个系统，完成访存控制操作和基本 I/O 控制操作，建立整机概念。,六、实践教学,计算机组成原理课程,通过计算机部件设计和处理器设计，

7、培养学生的系统分析与设计能力以及运用知识求解问题的能力。 通过硬件描述语言的学习和开发工具的使用，训练学生的系统开发与调试能力，培养理论联系实际的能力，提高工程素质。,七、教学队伍,计算机组成原理课程,教师队伍的建设是能否确保教学事业持续发展和不断创新的根本保证。,强调教师队伍的知识结构。,注重培养年轻教师的能力，要求他们不仅会 “教”，还要求他们 会 “导”，参与本课程的各个环节，（听课、答疑、批改作业、讲习题、指导实验等），贯彻老带中、中带新，层层有指导，有督察。,精品课程建设中的体会,课程目标和定位 课程内容 教材建设 教学方法 教学手段 实践教学 教学队伍,计算机组成原理课程,计算机组

8、成原理教学设计,哈尔滨工业大学 唐朔飞 2009年10月30日,计算机组成原理教学设计,课程的内容体系 教材选择 课程讲授 作业安排 实验环节 考题设计 成绩评定,一、课程的内容体系,1基本描述,计算机组成原理教学设计,课程名称：计算机组成原理 课程英文名称：Principles of Computer Organization 课程性质：计算机科学与技术专业必修的核心专业基础课 总学时：68 讲课学时：52 实验学时：16 先修课程：计算机导论、数字逻辑设计、汇编语言程序设计 后续课程：计算机接口技术、计算机系统结构、操作系统等,一、课程的内容体系,2教学定位,计算机组成原理教学设计,计算机

9、组成原理是计算机科学与技术专业本科教学中的一门重要专业基础课，在计算机科学与技术专业的教学计划中占有重要地位和作用。学习本课程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，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。该课程为今后学习接口技术、计算机系统结构、嵌入式系统、操作系统、计算机网络等后续课程，全面培养学生计算机软硬件系统认识、设计与创新能力奠定良好的基础。,一、课程的内容体系,计算机组成原理教学设计,（1）计算机系统的基本概念（3 学时） 计算机软硬件概念；计算机系统的层次结构；计算机的基本组成；冯诺依曼计算机的特点；计算机的硬件框图及工作过程；计算

10、机硬件的主要技术指标；计算机的发展及应用。 （2）总线（3 学时） 总线的基本概念；总线的分类；总线特性及性能指标；总线结构；总线的判优控制和通信控制。,3知识点与学时分配,一、课程的内容体系,计算机组成原理教学设计,（3）存储器（10 学时） 存储器分类和存储器的层次结构；主存储器（包括半导体储芯片简介、静态随机存取存储器和动态随机存取存储器 、只读存储器、存储器与 CPU 的连接、存储器的校验、提高访存速度措施）；高速缓冲存储器（包括 Cache 的基本结构及工作原理、Cache -主存地址映射、替换算法）；辅助存储器（包括辅助存储器的特点及主要技术指标、磁记录原理和记录方式、磁盘存储器的

11、结构、光盘存储器的存取原理）。,3知识点与学时分配,一、课程讲授的内容体系,计算机组成原理教学设计,（4）输入输出系统（8 学时） 输入输出系统的发展概况及组成、I/O 与主机的编址方式、传送方式、联络方式以及设备寻址；外部设备分类及简介；/O接口的功能及基本组成；程序查询方式的工作原理及程序查询接口电路；程序中断方式的工作原理及程序中断接口电路、中断服务流程；DMA 方式的特点、DMA 接口电路的功能、组成、类型及 DMA 的工作过程。,3知识点与学时分配,一、课程的内容体系,计算机组成原理教学设计,（6）计算机中数的表示（4 学时） 计算机中有符号数（原码、补码、反码、移码）和无符号数的表

12、示；计算机中数的定点表示和浮点表示。 （7）计算机的运算方法和运算器（8 学时） 定点运算（算术移位和逻辑移位、补码加减、原码补码乘法、原码补码除法）及相应的硬件配置；浮点四则运算；算术逻辑单元及进位链。,3知识点与学时分配,一、课程的内容体系,计算机组成原理教学设计,（7）指令系统（4 学时） 机器指令的一般格式；操作数类型和操作类型；指令的地址格式和寻址方式；指令格式举例；RISC 技术概述。 （8）CPU 的结构和功能（4 学时） CPU 的功能及结构框图；指令周期；指令流水；中断系统（包括引起中断的各种因素，中断系统所需解决的共性问题，如：中断请求标记、中断判优、中断响应、中断服务、中

13、断返回、多重中断等）。,3知识点与学时分配,一、课程的内容体系,计算机组成原理教学设计,（9）控制单元（4 学时） 微操作命令的分析（按取指周期、间指周期、执行周期和中断周期分析不同指令的微操作命令）；控制单元的外特性；多级时序系统；控制方式；控制信号实例分析。,3知识点与学时分配,一、课程的内容体系,计算机组成原理教学设计,（10）控制单元的设计（4 学时） 组合逻辑设计：组合逻辑控制单元框图、微操作节拍安排、组合逻辑设计举例。 微程序设计：微程序控制单元框图及工作原理、微指令的编码方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序设计举例。,3知识点与学时分配,二、教材选择,选用普通高等教育

14、“十一五” 国家级规划教材计算机组成原理第 2 版（唐朔飞编著，高等教育出版社， 2008 年 1月）该教材是面向 21 世纪课程教材计算机组成原理的第 2 版。 该教材根本上扭转了从二进制数制码制开始，接着按运算器、存储器、控制器、输入输出系统的顺序，逐一讲述计算机中各部件的传统写法，致使学生往往学了半个学期，仍不知其所以然，直到最后才将全部的内容连贯起来。这种自底向上的讲述方法，不易激发学生主动探求知识，也不利于 “以学生为主” 的教学方式。,计算机组成原理课程,二、教材选择,本教材定位在原理和性能分析上。首先把学生领到计算机整体框架的制高点上，然后带领学生自顶向下，由表及里，层层细化，一

15、步一步进入到计算机的内核，更有利于学生对计算机工作原理的理解。在深化过程中，每走一步会出现一系列悬念，每一个悬念又都启发学生主动从下一篇章寻求答案。因此在大框架的指导下，在深入细化的过程中，学生自觉的加深了对计算机的理解。在此过程中，由于突出了激发式教育，学生经过主动探求，使知识掌握得更加牢固。,计算机组成原理课程,三、课程讲授,1重点与难点,计算机组成原理教学设计,第 1 章 计算机系统概论,重点：计算机组成的概貌和框图；主机完成一条指令的 信息流程,难点：如何区分存放在存储器中的指令和数据,第 2 章 计算机的发展及应用,本章属于综述性内容不存在重点及重点,三、课程讲授,1重点与难点,计算

16、机组成原理教学设计,第 3 章 系统总线,重点：总线的功能与结构；总线的性能指标；总线的 判优控制和通信控制；如何克服总线的瓶颈,难点：总线的通信控制,三、课程讲授,1重点与难点,计算机组成原理教学设计,第 4 章 存储器,重点：存储系统的层次结构；主存、Cache 的工作原理及 技术指标；半导体体存储芯片的外特性及与 CPU 的连接；提高访存速度的措施。,难点：对于一定容量的存储器，按字节或字访问的寻址范 围；多体并行结构存储器顺序编址和交叉编址对访 存速度的影响； Cache 主存地址映射。,三、课程讲授,1重点与难点,计算机组成原理教学设计,第 5 章 输入输出系统,重点：主机与 I/O

17、 交换信息的三种控制方式；程序查询 方式、程序中断方式和 DMA 方式的各自特点、 接口电路和工作原理。,难点：处理 I/O 中断的各类软、硬件技术的运用； DMA 与主存交换数据的三种方法各自的特点；周期窃取 的含义； CPU 响应中断请求和 DMA 请求的时间。,三、课程讲授,1重点与难点,计算机组成原理教学设计,第 6 章 计算机的运算方法,重点：有符号数、无符号数、定点数和浮点数的表示；移 位运算、定点补码加、减、乘、除运算；浮点补码 加减运算；提高运算速度的措施。,难点：机器字长相同的条件下， 补码比原码和反码能多表 示一个负数 ；区分浮点数和补码表示的浮点规格化 数 ；在定点机和浮

18、点机中，如何判断运算结果溢出； 不同的机器数运算规则不同，直接影响运算器的硬件 组成。,三、课程讲授,1重点与难点,计算机组成原理教学设计,第 7 章 指令系统,重点：指令格式，寻址方式,难点：设计指令格式 扩展操作码技术的运用 在可按字节和字寻址的存储器中，不同的机器 其数据的存放方式是不同的,三、课程讲授,1重点与难点,计算机组成原理教学设计,第 8 章 CPU 的结构和功能,重点：CPU 的功能和硬件组成； CPU 工作周期和指令 周期的概念；一个完整的指令周期中的信息流程； 指令流水；中断系统需要解决的问题及实施方案。,难点：影响指令流水线性能的因素；超标量、超流水、 超长指令字的特点

19、 ；各种中断技术和实现多重中断 所需配置的硬件；响应优先级和处理优先级的区别。,三、课程讲授,1重点与难点,计算机组成原理教学设计,第 9 章 控制单元的功能,重点：控制单元对不同的指令在取指、间址和中断周期中， 发出哪些相同的操作命令 ；多级时序系统；控制单 元的控制方式（同步、异步、联合）。,难点：指令周期、机器周期、时钟周期与控制信号的关系； 中央控制和局部控制相结合的同步控制方式；不同 结构的计算机（总线结构和非总线结构） 控制信号 的特点。,三、课程讲授,1重点与难点,计算机组成原理教学设计,第 10 章 控制单元的设计,重点：微操作命令的节拍安排；两种控制器的设计思想、 设计步骤、 组成原理；两种控制单元微操作命令 节拍安排的区别。,难点：微指令的控制方式（编码方式）及后续微指令地址 的形成方式；编写微指令的码点。,三、课程讲授,2讲授中应注意的方法,计算机组成原理教学设计,教师本身必须对本课程的基本内容非常熟悉，并能融会贯通 讲授本课程必须从宏观到微观，使学生学会用辩证唯物主义的思维方法去认识、了解并掌握计算机的组成及其工作原理 在宏观认识整机概貌的基础上，带领学生逐级剖析计算机的基本组成，使学生更牢固