計算機原理與結(jié)構(gòu)教學(xué)大綱

1、計算機原理與結(jié)構(gòu)一、課程說明課程編號： 390216X10課程名稱：計算機原理與結(jié)構(gòu)/Computer Principles and Architecture課程類別：學(xué)科基礎(chǔ)課學(xué)時/學(xué)分：32/2先修課程：數(shù)字電子技術(shù)適用專業(yè)：軟件工程 教材、教學(xué)參考書：1 David Money Harris. 數(shù)字設(shè)計和計算機體系結(jié)構(gòu). 北京：機械工業(yè)出版社，2009.2 唐朔飛. 計算機組成原理（第2版）. 北京：高等教育出版社，20083 俸遠禎、閻彗娟等編. 計算機組成原理. 北京：電子工業(yè)出版社出版，2005二、課程設(shè)置的目的意義計算機原理與結(jié)構(gòu)是軟件工程本科專業(yè)的學(xué)科選修課，主要介紹計算機的組

2、成結(jié)構(gòu)以及各組成部分的工作原理，使學(xué)生理解計算機的工作原理，了解計算機各部件的工作性能。本課程的任務(wù)是使學(xué)生獲得計算機系統(tǒng)組成方面的基本理論、基本知識和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生進行計算機硬件分析和設(shè)計的基本技能以及對計算機系統(tǒng)性能的分析能力，為學(xué)生樹立計算機硬件基礎(chǔ)。三、課程的基本要求通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠掌握計算機系統(tǒng)的基本組成和各部分工作的原理，初步掌握計算機系統(tǒng)設(shè)計的典型方法，能完成較為復(fù)雜的計算機系統(tǒng)硬件基本設(shè)計方案，并利用可編程器件，進行基本功能實現(xiàn)，為更深入地學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程打下良好硬件的基礎(chǔ)。具體要求如下：（一）知識學(xué)習(xí)要求1. 了解計算機軟件與硬件系統(tǒng)的組成特點，理解虛擬機器

3、和實際機器的概念，了解計算機的工作過程，了解描述計算機系統(tǒng)的性能參數(shù)；了解計算機系統(tǒng)各方面的發(fā)展歷史，了解計算機系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，對應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”1-；2. 了解系統(tǒng)總線在計算機硬件結(jié)構(gòu)中的地位和作用；了解幾類常用的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)；掌握總線仲裁方式；掌握同步和異步控制的概念；掌握各種存儲設(shè)備的基本概念、工作原理和各自的特點；掌握主存儲器的組織技術(shù)和存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)；了解存儲器的校驗方法；了解提高訪存速度的措施；理解并掌握典型外部設(shè)備包括鍵盤設(shè)備、打印設(shè)備、顯示設(shè)備；從計算機系統(tǒng)整體的觀點認識各個設(shè)備，并且理解必須通過硬件和軟件技術(shù)的配合才能實現(xiàn)這些設(shè)備的功能；了解接口的功能和類型；掌握

4、輸入輸出系統(tǒng)的基本功能；掌握I/O與主機信息傳送的各種控制方式，對應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”1-B；3. 掌握數(shù)據(jù)信息在機器中的表示方法，理解信息編碼原理。本章的重點是在理解一定的算術(shù)邏輯運算方法的基礎(chǔ)上，掌握用硬件實現(xiàn)其算法的基本原理；了解指令格式；掌握指令、數(shù)據(jù)、堆棧的尋址方式；熟悉指令系統(tǒng)；了解設(shè)計指令格式時應(yīng)考慮的各種因素；了解RISC的主要特征；了解CPU的結(jié)構(gòu)；掌握機器完成一條指令的全過程；掌握指令的流水線技術(shù)；了解中斷系統(tǒng)的作用和工作方式；了解控制單元發(fā)出的各種信號；深刻理解指令周期、機器周期、節(jié)拍、工作脈沖與主脈沖，及其與控制信號的關(guān)系；體會控制單元的核心作用；掌握控制器的基本組成

5、及各自的功能，理解組合邏輯控制器實現(xiàn)的方法以及微程序控制器的設(shè)計原理，掌握這兩種方法實現(xiàn)控制的各自特點，對應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”1-B。（二）能力培養(yǎng)要求1. 能夠了解計算機系統(tǒng)各方面的發(fā)展歷史，通過自學(xué)和查閱資料，不斷探索和自我完善自身的計算機系統(tǒng)知識體系，對應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”2-D；2. 能夠根據(jù)所學(xué)的知識，對較為復(fù)雜的計算機系統(tǒng)進行定性的性能分析和簡單的定量分析，解決實際問題，對應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”2-A；3. 初步能夠利用可編程器件，將新技術(shù)和新方法用于計算機系統(tǒng)設(shè)計中，提高計算機系統(tǒng)的效率，對應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”2-；4. 具有一定的團隊合作能力，能夠向公眾展示項目成果，能在

6、項目組中開展與項目有關(guān)的各項工作，并善于通過溝通交流解決項目中出現(xiàn)的問題，對應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”2-C、2-。（三）素質(zhì)培養(yǎng)要求1. 能夠針對計算機系統(tǒng)設(shè)計方案，使用批判性思維方法，不斷完善和豐富設(shè)計方案，對應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”3-；2. 培養(yǎng)團隊協(xié)作意識，理解團隊合作的作用和意義，對應(yīng)培養(yǎng)方案“培養(yǎng)要求”3-B、3-C。四、教學(xué)內(nèi)容、重點難點及教學(xué)設(shè)計章節(jié)教學(xué)內(nèi)容總學(xué)時學(xué)時分配教學(xué)重點教學(xué)難點教學(xué)方案設(shè)計（含教學(xué)方法、教學(xué)手段）講課(含研討)實踐第1章計算機系統(tǒng)概論110軟硬件概念、基本組成、技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)教學(xué)思路：通過視頻等展示計算機系統(tǒng)的硬件組成和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，再結(jié)合三維動畫展示軟

7、件在計算機系統(tǒng)中的作用，討論軟硬件在計算機系統(tǒng)中的角色。教學(xué)方法：講授、課堂討論教學(xué)手段：PPT、視頻第2章計算機的發(fā)展及應(yīng)用及硬件描述語言簡介110發(fā)展史、應(yīng)用教學(xué)思路：通過計算機發(fā)展的歷史事件來講述計算機發(fā)展的歷程，并通過查閱文獻來了解計算機的應(yīng)用，要求學(xué)生制作討論PPT.教學(xué)方法：講授、課堂討論教學(xué)手段：PPT第3章系統(tǒng)總線330性能指標(biāo)、總線結(jié)構(gòu)、總線控制總線控制教學(xué)思路：通過案例講解系統(tǒng)總線的作用，討論性能指標(biāo)的含義，并通過虛擬實驗平臺闡述總線結(jié)構(gòu)及總線控制，課堂討論個總線結(jié)構(gòu)的差別及對性能的影響。教學(xué)方法：講授、案例分析、課堂討論教學(xué)手段：PPT、虛擬實驗第4章存儲器550RAM、

8、ROM、cache、輔助存儲器cache教學(xué)思路：首先闡述存儲器在計算機系中的作用，然后闡述存儲器的分類，課堂討論每一種存儲器的特點。教學(xué)方法：講授、課堂討論教學(xué)手段：PPT第5章輸入輸出系統(tǒng)220I/O接口；程序查詢方式；程序中斷方式；DMA方式DMA方式教學(xué)思路：從計算機系統(tǒng)輸入輸出的特點入手，講述I/O接口的類型及各種輸入輸出方式，并通過虛擬實驗平臺演示，組織課堂討論各種輸入輸出方式的特點。教學(xué)方法：講授、課堂討論教學(xué)手段：PPT、虛擬實驗第6章計算機的運算方法862定點運算、浮點運算、算術(shù)邏輯單元浮點運算教學(xué)思路：從定點計算機運算入手，講述算術(shù)邏輯運算單元，然后討論否點運算如何轉(zhuǎn)化成定

9、點運算。教學(xué)方法：講授、課堂討論教學(xué)手段：PPT第7章指令系統(tǒng)420機器指令；尋址方式尋址方式教學(xué)思路：從匯編語言入手，闡述機器語言與匯編語言的關(guān)系，進一步討論尋址方式，并通過實例程序進行講解，討論各尋址方式的特點。教學(xué)方法：講授、案例分析課堂討論教學(xué)手段：PPT第8章CPU的結(jié)構(gòu)和功能332指令周期；指令流水；中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)專題式教學(xué)第9章控制單元的功能110微操作、控制單元專題式教學(xué)第10章控制單元的設(shè)計422微程序控制器及微程序設(shè)計微程序控制器專題式教學(xué)注：實踐包括實驗、上機等實踐教學(xué)內(nèi)容和基本要求要求通過完成課內(nèi)實驗作業(yè)，掌握算術(shù)邏輯單元、指令系統(tǒng)和控制單元的設(shè)計，能夠通過使用有關(guān)工

10、具和硬件描述語言，掌握簡單CPU實現(xiàn)的基本技能。課內(nèi)實驗內(nèi)容如下表所示。實驗名稱實驗內(nèi)容學(xué)時基本要求計算機組成工具使用FPGA開發(fā)工具使用方法2掌握QuartusII、Modelsim、Verilog等工具的使用方法算術(shù)邏輯運算器設(shè)計利用Verilog設(shè)計算術(shù)邏輯運算器2掌握算術(shù)邏輯運算器的設(shè)計方法、熟悉算術(shù)邏輯運算器的結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)及CPU設(shè)計利用Verilog進行指令的譯碼和控制單元設(shè)計2掌握指令系統(tǒng)設(shè)計的基本方法、熟悉譯碼器和控制器的設(shè)計、了解指令的運行微程序設(shè)計利用有限的指令系統(tǒng)，設(shè)計并觀察微程序運行2掌握微程序的設(shè)計方法，了解存儲器、CPU和寄存器之間的聯(lián)系及數(shù)據(jù)變化要求在課外，學(xué)生能針對一個具體實際的案例，通過團隊協(xié)作，利用FPGA完成簡單CPU的開發(fā)，提交規(guī)范、清晰的文檔，并進行課堂演示講解，便于學(xué)生之間相互交流切磋。六、考核方式及成績評定