《計算機組成原理》教學(xué)大綱

1、計算機組成原理（Principles of Computer Composition）課程代碼：2151035學(xué)分：4 學(xué)時：64（其中：課程教學(xué)學(xué)時：48，實驗學(xué)時：16）先修課程：計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)導(dǎo)論、電子技術(shù)基礎(chǔ)適用專業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù)教材：計算機組成原理（第三版），華中科技大學(xué)出版社，薛勝軍，2010.3開課學(xué)院：計算機與軟件學(xué)院一、課程性質(zhì)與課程目標(biāo)課程性質(zhì)計算機組成原理是計算機專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)必修課程。在計算機專業(yè)的各門課程中起著承上啟下的重要作用。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解單處理器計算機系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計算機系統(tǒng)的整機

2、概念。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生從形象思維向抽象思維過渡，掌握自頂向下分析和解決問題的能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及畢業(yè)后從事計算機開發(fā)應(yīng)用和科研工作打下基礎(chǔ)。課程目標(biāo)計算機組成原理主要介紹計算機的基本組成、計算機中各種數(shù)據(jù)的表示方法、運算器的功能、組成及工作原理、各類半導(dǎo)體存儲器的工作原理和特性、主存儲器系統(tǒng)的設(shè)計、多級存儲器層次結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、格式及常用尋址方式、CPU的組成、CPU各部件在計算機運行過程中的作用、指令的實現(xiàn)、系統(tǒng)的總線和總線的通訊方式等內(nèi)容。課程目標(biāo)包括知識目標(biāo)和能力目標(biāo)，具體如下：課程目標(biāo)1：掌握計算機系統(tǒng)性能評測指標(biāo)、數(shù)的編碼、指令格式、高級語言與匯編語言、機器語

3、言之間的轉(zhuǎn)換、單周期及多周期處理器的設(shè)計、磁盤的容量與訪問、輸入輸出系統(tǒng)和并行處理系統(tǒng)。課程目標(biāo)2：掌握由基本數(shù)字電路模塊構(gòu)建各種存儲器、處理器、總線及計算機的基本理論與設(shè)計方法；分析各種方案在硬件資源、設(shè)計復(fù)雜性、性能方面的利弊，選擇性價比高的處理器設(shè)計方法。課程目標(biāo)3：能夠針對具體運算器和運算方法問題，對計算電路進行設(shè)計、分析、驗證，對指令進行設(shè)計與分析。課程目標(biāo)4：根據(jù)多種存儲結(jié)構(gòu)進行存儲器設(shè)計并給出方案；能對基本部件進行簡單設(shè)計，能構(gòu)建一臺基本的計算機。課程目標(biāo)與專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點的對應(yīng)關(guān)系本課程支撐計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)計劃中的畢業(yè)要求指標(biāo)點1.4、3.1、3.4和4.2。畢業(yè)要求

4、指標(biāo)點1.4：系統(tǒng)掌握計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論及專業(yè)知識，包括計算機硬件、軟件及系統(tǒng)等方面內(nèi)容，具備理解計算機網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜工程問題的能力，能夠運用所學(xué)知識進行計算機問題求解。畢業(yè)要求指標(biāo)點3.1：理解計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從電子電路到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)組成的基本理論與設(shè)計方法。畢業(yè)要求指標(biāo)點3.4：在充分理解計算機網(wǎng)絡(luò)軟硬件及系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，能夠針對計算機網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜工程問題的設(shè)計解決方案，設(shè)計或開發(fā)滿足特定需求和約束條件的軟硬件系統(tǒng)、模塊或算法流程，并能夠進行模塊和系統(tǒng)級優(yōu)化。畢業(yè)要求指標(biāo)點4.2 具有計算機網(wǎng)絡(luò)軟硬件及系統(tǒng)相關(guān)的工程基礎(chǔ)能力，能夠針對計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)問題，進行實驗驗證與實現(xiàn)，利用理論分析手段，能夠?qū)嶒?/p>

5、數(shù)據(jù)進行解釋與對比分析，給出實驗的結(jié)論。課程目標(biāo)畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3課程目標(biāo)4畢業(yè)要求1.4畢業(yè)要求3.1畢業(yè)要求3.4畢業(yè)要求4.2二、課程內(nèi)容及教學(xué)要求本課程主要介紹計算機系統(tǒng)概述、數(shù)據(jù)的機器級表示、運算方法與運算部件、指令系統(tǒng)、中央處理器、指令流水線、存儲器分層體系結(jié)構(gòu)、互連及輸入輸出組織、并行處理系統(tǒng)等內(nèi)容。為后續(xù)課程（如操作系統(tǒng)、匯編語言、微機原理與接口技術(shù)、計算機體系結(jié)構(gòu)等）提供必要的專業(yè)基礎(chǔ)知識。此外，通過一系列計算機組成原理實驗和課程設(shè)計，結(jié)合實際硬件，進一步鞏固課堂所教的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生具有初步的處理器及計算機最小系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)技能。概述教學(xué)內(nèi)容計

6、算機的發(fā)展歷史；計算機的組成；電子計算機分類；多媒體技術(shù)。教學(xué)要求簡單了解計算機的發(fā)展歷程，掌握馮諾依曼計算機結(jié)構(gòu)的特點，計算機硬件的基本組成與功能；計算機系統(tǒng)的組成（硬件+軟件）及其層次結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，計算機的基本工作原理，程序執(zhí)行原理；掌握計算機的性能評價，具體指標(biāo)包括CPU執(zhí)行時間、指令的CPI及計算機系統(tǒng)中平均CPI、時鐘周期、指令執(zhí)行性能的MIPS指標(biāo)、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS等重點與難點1.重點計算機的硬件組成，馮諾依曼型計算機的工作原理，計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)。2.難點馮諾依曼型計算機的工作原理，計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)。運算方法與運算器教學(xué)內(nèi)容字符信息屬于符號

7、數(shù)據(jù)；定點數(shù)的組成；定點數(shù)的位移運算；運算器的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法；芯片功能；運算器構(gòu)造原則；浮點運算方法和浮點運算器。教學(xué)要求了解字符信息屬于符號數(shù)據(jù)，是處理非數(shù)值領(lǐng)域的問題；掌握定點數(shù)的二進制編碼、原碼、補碼、移碼、帶符號整數(shù)和無符號整數(shù)的表示；掌握一個定點數(shù)由符號位和數(shù)值域兩部分組成。掌握定點數(shù)的位移運算；原碼定點數(shù)的加/減運算；補碼定點數(shù)的加/減運算；定點數(shù)的乘/除運算；溢出概念和判別方法；了解運算器的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法，了解芯片功能；理解為運算器構(gòu)造的簡單性，運算方法中算術(shù)運算通常采用補碼加、減法，原碼乘除法或補碼乘除法；為了運算器的高速性和控制的簡單性，采用了先行進位、陣列乘除法、流

8、水線等并行技術(shù)措施。熟悉算術(shù)移位規(guī)則與舍入規(guī)則；熟悉尾數(shù)的規(guī)格化；浮點數(shù)的表示范圍；浮點數(shù)的運算步驟。重點與難點1.重點定點數(shù)的表示與加減乘除運算，運算中的相應(yīng)規(guī)則。2.難點定點數(shù)的表示，定點數(shù)的加法運算。存儲器及存儲系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容存儲器分類；存儲器分化結(jié)構(gòu)；存儲器的要求（容量大、速度快、成本低）；SRAM和DRAM存儲器及各自的工作原理；虛擬存儲器的基本概念；聯(lián)存儲器的存儲方式；存儲保護的概念；奇偶校驗編碼。教學(xué)要求了解存儲器的分類及其分層結(jié)構(gòu)；半導(dǎo)體存儲器隨機訪問存儲器的組織；只讀存儲器及主存的主要技術(shù)指標(biāo)等；掌握存儲器芯片與CPU的連接，多模塊存儲器的交叉存儲；掌握CPU對高速緩沖存儲器及

9、主存的基本訪存過程；掌握虛擬存儲器的基本概念，三種實現(xiàn)方案，缺頁的處理以及快表TLB的工作原理，了解存儲保護；掌握奇偶校驗編碼；掌握常用的糾錯碼中的海明碼和循環(huán)碼的編碼和糾錯能力。重點與難點1.重點存儲器的分類，存儲器的層次化結(jié)構(gòu)，存儲器的組成與工作原理，存儲器地址映射方式，校驗編碼與糾錯碼，多級存儲體系結(jié)構(gòu)。2.難點存儲器的分類，存儲器的層次化結(jié)構(gòu)，存儲器的組成與工作原理，存儲器地址映射方式，校驗編碼與糾錯碼，多級存儲體系結(jié)構(gòu)。指令系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容指令系統(tǒng)的概念；指令格式概念；指令的基本格式；定長操作碼指令格式；定長操作碼指令格式；尋址技術(shù)概念及工作原理；有效地址的概念；RISC指令系統(tǒng)的優(yōu)點。

10、教學(xué)要求了解指令格式的設(shè)計；尋址技術(shù)概念及工作原理；掌握指令系統(tǒng)的設(shè)計原則；熟悉指令分析。重點與難點1.重點指令格式，基本尋址技術(shù)及其工作原理。2.難點指令格式，有效地址，尋址技術(shù)及其工作原理。中央處理器教學(xué)內(nèi)容CPU的基本概念；CPU的組成；指令執(zhí)行過程；數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)；時序有關(guān)的實現(xiàn)電路的設(shè)計、改錯、分析、描述，對微指令集合的確定；時序信號的產(chǎn)生及作用；指令后期的概念；微程序、微指令和微命令的概念；微程序的特性；硬布線控制器的功能和工作原理；指令流水線的基本概念；超標(biāo)量和動態(tài)流水線的基本概念；指令流水線中的主要問題及解決方法；流水CPU的基本概念。教學(xué)要求了解CPU是計算機的中央

11、處理部件；熟悉CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)；指令執(zhí)行過程；數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)；了解與時序有關(guān)的實現(xiàn)電路的設(shè)計、改錯、分析、描述，對微指令集合的確定；理解時序信號產(chǎn)生器提供CPU周期(也稱機器周期)所需的時序信號。掌握CPU從存儲器取出一條指令并執(zhí)行這條指令的時間和稱為指令周期。熟悉微程序、微指令和微命令；微指令的編碼方式；微地址的形成方式；CPU周期與微指令周期的關(guān)系；機器指令與微指令的關(guān)系；用方框圖語言表示指令周期；微程序控制器原理框圖；掌握微程序設(shè)計操作控制器的功能和工作原理；熟悉硬布線控制器的功能和工作原理；了解指令流水線的基本概念；超標(biāo)量和動態(tài)流水線的基本概念；掌握流水CPU是以時間并

12、行性為原理構(gòu)造的處理器。重點與難點1.重點微程序設(shè)計技術(shù)，硬布線控制器的基本思想，CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)，微指令周期。2.難點微程序設(shè)計技術(shù)，CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)，微指令周期。系統(tǒng)總線教學(xué)內(nèi)容總線及總線標(biāo)準(zhǔn)化的概念；總線的連接方式；總線對于計算機的意義；總線的性能指標(biāo)；總線的特點；常見的總線實例。教學(xué)要求掌握總線基本概念及總線標(biāo)準(zhǔn)化；掌握信息傳送的方式；熟悉總線的連接方式單總線結(jié)構(gòu)、雙總線結(jié)構(gòu)、三總線結(jié)構(gòu)；理解總線結(jié)構(gòu)對計算機系統(tǒng)性能的影響；總線的性能指標(biāo)；了解總線的分類、總線通道的組成、總線上的設(shè)備、總線接口、總線控制器；了解流行總線的特點及其帶寬；掌握接口的基本概念及基本組成；掌握總線仲

13、裁方式、定時方式和信息的傳送；掌握典型的微型機系統(tǒng)總線和使用最廣泛的接口。重點與難點1.重點總線相關(guān)的基本概念，信息傳送的方式，接口的概念及組成。2.難點總線仲裁方式、定時方式和信息的傳送。三、本課程開設(shè)的實驗項目編號實驗項目名稱學(xué)時類型要求支撐的課程目標(biāo)1算術(shù)邏輯運算單元實驗通用寄存器單元實驗2驗證性必做課程目標(biāo)32存儲器和總線實驗2驗證性必做課程目標(biāo)33堆棧寄存器實驗進位控制、通用寄存器判零實驗2驗證性必做課程目標(biāo)34微程序控制單元實驗指令部件模塊實驗2驗證性必做課程目標(biāo)35模型機的總體設(shè)計CPU及總線電路2設(shè)計性必做課程目標(biāo)45模型機的總體設(shè)計存儲器電路2設(shè)計性必做課程目標(biāo)45模型機的總

14、體設(shè)計外圍電路2設(shè)計性必做課程目標(biāo)45模型機的總體設(shè)計完成SCH-PCB圖2設(shè)計性必做課程目標(biāo)4實驗1：算術(shù)邏輯運算單元實驗和通用寄存器單元實驗實驗?zāi)康募耙笳莆蘸唵芜\算器的數(shù)據(jù)傳輸方式；掌握74LS181的功能和應(yīng)用；了解通用寄存器的組成和硬件電路，利用通用寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的置數(shù)、左移、右移等功能；熟悉帶進位控制的算術(shù)邏輯運算器的組成和硬件電路，用進位寄存器來實現(xiàn)進位的左移、右移；實驗主要內(nèi)容不帶進位的位邏輯或；不帶進位位加法；數(shù)據(jù)輸入通用寄存器；寄存器內(nèi)容邏輯移位實驗；寄存器內(nèi)容循環(huán)移位實驗；算術(shù)邏輯單元帶進位位的加法運算實驗；帶進位移位實驗。實驗2：存儲器和總線實驗實驗?zāi)康募耙笫煜ご鎯ζ?/p>

15、和總線的硬件電路；實驗主要內(nèi)容存儲器的寫操作；讀存儲器的數(shù)據(jù)到總線上；實驗3：堆棧寄存器實驗和進位控制、通用寄存器判零實驗實驗?zāi)康募耙笫煜ざ褩５母拍?；熟悉堆棧寄存器的組成和硬件電路；熟悉判零線路；實驗主要內(nèi)容對4個寄存器進行寫入操作；對4個寄存器進行讀出操作；實驗4：微程序控制單元實驗和指令部件模塊實驗實驗?zāi)康募耙笫煜の⒊绦蚩刂破鞯脑?；掌握微程序編制、寫入并觀察運行狀態(tài)；2. 實驗主要內(nèi)容微地址打入操作；微地址+1操作；實驗5-8：模型機的總體設(shè)計實驗?zāi)康募耙笳莆樟烁鱾€單元模塊的工作原理，進一步將其組成完整的系統(tǒng)，構(gòu)造成1臺基本的模型計算機；實驗主要內(nèi)容模型機的總體設(shè)計CPU及總線電路

16、；模型機的總體設(shè)計存儲器電路；模型機的總體設(shè)計外圍電路；模型機的總體設(shè)計完成SCH-PCB圖；注：本課程為專業(yè)課，授課對象為大三學(xué)生，實驗類型主要包括驗證性和設(shè)計性實驗，存儲器和總線實驗，微程序控制單元實驗，模型機的總體設(shè)計實驗需要提交實驗報告，實驗報告主要包括實驗?zāi)康?、要求和?nèi)容，數(shù)據(jù)的分析以及思考題的回答。實驗評價內(nèi)容和評分細則參見附錄1。四、學(xué)時分配及教學(xué)方法章教學(xué)形式及學(xué)時分配主要教學(xué)方法支撐的課程目標(biāo)課堂教學(xué)實驗上機課程實踐小計第1章概述44多媒體講授、案例、自學(xué)課程目標(biāo)1、2第2章運算方法與運算器10212多媒體講授、案例、習(xí)題、實驗課程目標(biāo)1、2、3第3章存儲器及存儲系統(tǒng)1241

17、6多媒體講授、案例、設(shè)計、實驗課程目標(biāo)1、2、3、4第4章指令系統(tǒng)8412多媒體講授、案例、設(shè)計、實驗課程目標(biāo)1、2、3第5章中央處理器12416多媒體講授、案例、設(shè)計、實驗課程目標(biāo)1、2、3、4第6章系統(tǒng)總線224多媒體講授、討論、自學(xué)、實驗課程目標(biāo)1、2、4合計481664五、課程考核 1. 課程考核方式包括期末考試、平時作業(yè)及階段測試情況考核（其中包括筆記、大作業(yè)等）和實驗情況考核?？己诵问娇己艘罂己藱?quán)重備注平時作業(yè)及階段測試共將布置五次課后作業(yè)，主要考核學(xué)生對每節(jié)課知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握度，計算全部作業(yè)的平均成績再按20%計入總成績；可讓學(xué)生查閱資料，了解本課程相關(guān)技術(shù)發(fā)展情況，自

18、主學(xué)習(xí)并完成。20%根據(jù)平時作業(yè)得分取平均值或結(jié)合平時測試情況實驗完成5個實驗，主要訓(xùn)練學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識構(gòu)建實驗系統(tǒng)，并進行實驗的能力，最后按20%計入課程總成績。20%評分細則見附錄1期末考試明確課程考核成績由幾個部分構(gòu)成，考核的側(cè)重點，相對于知識單元（或課程的各個構(gòu)成部分）大致的分?jǐn)?shù)分配。利用綜合性題目將相關(guān)知識點串聯(lián)起來。60%期末考試采用閉卷筆試。六、參考書目及學(xué)習(xí)資料1. 白中英，計算機組成原理（2000.5版），科學(xué)出版社，2000.5版；2. 王愛英，計算機組成與結(jié)構(gòu)（2001年版），清華大學(xué)出版社，2001年版；3. 唐朔飛，計算機組成原理（2000年版），高教出版社，2000年版；4. 王德新，計算機組成（1999年版），復(fù)旦大學(xué)出版社，1999年版；5. David A. Patterson， Jone L.Hennessy著，康繼昌，樊曉椏，安建峰等譯，計算機組成與設(shè)計（第4版），機械工業(yè)出版社，2012年6. Randal E. Bryant， david R. OHallaron著，龔奕利