《計算機組成原理》課程教學大綱（本科）

1、計算機組成原理（Computer Organization）課程編號：06410051學分：4學時：72 （其中：課堂教學學時：56,實驗學時：16）先修課程：數(shù)字邏輯，電工電子學適用專業(yè)：計算機科學與技術(shù)教材：計算機組成原理，秦磊華等，清華大學出版社，2018年第2版一、課程性質(zhì)與課程目標（一）課程性質(zhì)計算機組成原理是高等學校計算機類專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)必修課。通過本課程的學習，培 養(yǎng)學生掌握計算機各大部件的基本組成、基本原理，各部件間的相互聯(lián)系，以及各部件在整機中的 作用；培養(yǎng)學生具有初步的硬件系統(tǒng)分析、設(shè)計和使用的能力；并為學習后繼課程、從事科學研究 和工程技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。（二）課程目標

2、1.知識方面課程目標1.1掌握計算機系統(tǒng)的基本組成，掌握計算機的性能指標。課程目標1.2掌握計算機中信息的表示方法。課程目標1.3掌握運算器的基本組成和基本原理。課程口標1.4掌握存儲器的基本組成和基本原理。課程目標1.5理解指令系統(tǒng)的設(shè)計，掌握基本尋址方式，熟悉指令和匯編語言。課程目標1.6掌握控制器的基本組成和基本原理；掌握計算機主機的工作原理。課程目標1.7掌握RISC處理器的基本概念和基本原理；掌握指令流水線的基本原理。課程目標L8理解存儲系統(tǒng)的層次和作用，掌握高速緩存和虛擬存儲的基本組成和基本原 理。課程目標1.9掌握輸入輸出和系統(tǒng)總線的基本組成和基本原理。2.能力與素質(zhì)方面實驗1基

3、本邏輯電路I.實驗目的(1)理解總線的三態(tài)傳輸特性；(2) 了解數(shù)字電路設(shè)計的基本方法；(3)掌握三態(tài)門電路等基本邏輯電路的HDL描述方法；2.實驗要求(1)熟悉實驗板，熟悉數(shù)字電路開發(fā)工具和仿真工具，熟悉實驗調(diào)試工具；2)理解實驗任務，對給定的基本邏輯電路實驗模型，能夠閱讀并分析HDL代碼，獨立設(shè) 計驗證方案并實施驗證，分析實驗現(xiàn)象，表述實驗結(jié)論。實驗2加減運算電路.實驗目的(1)理解二進制加法，掌握補碼與真值的對應關(guān)系；(2)理解使用加法器電路和輔助控制邏輯實現(xiàn)補碼加減運算；(3)理解標志位的含義；(4)掌握加減運算電路的HDL描述方法；.實驗要求(1)熟練使用實驗板、數(shù)字電路開發(fā)工具及實

4、驗調(diào)試工具；2)理解實驗任務，對給定的加減運算電路實驗模型，能夠使用HDL進行加減運算電路的 描述，對完成后的電路能夠獨立設(shè)計驗證方案并實施驗證，分析實驗現(xiàn)象，表述實驗結(jié)論。實驗3 ALU電路.實驗目的(1)理解ALU控制編碼；(2)理解使用加法器電路和移位寄存器實現(xiàn)補碼乘2、除2運算；(3)理解ALU運算器結(jié)構(gòu)；(4)掌握ALU運算電路的HDL描述方法；.實驗要求(1)熟練使用實驗板、數(shù)字電路開發(fā)工具以及實驗調(diào)試工具；(2)理解實驗任務，對給定的ALU運算電路實驗模型，能夠用HDL進行ALU電路描述， 對完成后的電路能夠獨立設(shè)計驗證方案并實施驗證，分析實驗現(xiàn)象，表述實驗結(jié)論。實驗4數(shù)據(jù)通路1

5、.實驗目的(1)理解運算器數(shù)據(jù)通路的組成結(jié)構(gòu)；(2)掌握運算器數(shù)據(jù)通路中信息傳遞的控制過程；(3)掌握HDL與原理圖混合輸入的方式進行數(shù)據(jù)通路電路的描述；2 .實驗要求(1)熟練使用實驗板、數(shù)字電路開發(fā)工具以及實驗調(diào)試工具；(2)理解實驗任務，對給定的數(shù)據(jù)通路電路實驗模型，能夠用HDL與原理圖混合輸入的方 式進行電路描述，對完成后的電路能夠獨立設(shè)計驗證方案并實施驗證，分析實驗現(xiàn)象，表述實 驗結(jié)論。實驗5主存儲器.實驗目的(1)理解CPU對存儲器的讀、寫過程；(2)掌握使用HDL描述和IP核方式實現(xiàn)存儲器電路的方法；.實驗要求(1)熟練使用實驗板、數(shù)字電路開發(fā)工具以及實驗調(diào)試工具；(2)理解實驗

6、任務，對給定的存儲器電路實驗模型，能夠使用HDL描述和IP核方式進行主 存儲器電路描述，對完成后的電路能夠獨立設(shè)計驗證方案并實施驗證，分析實驗現(xiàn)象，表述實 驗結(jié)論。實驗6指令系統(tǒng).實驗目的理解JUC-II模型機數(shù)據(jù)通路；(2)理解JUC-II指令系統(tǒng)設(shè)計；(3)理解JUC-II指令集各條指令功能。.實驗要求熟練使用實驗板以及FPGA下載工具，學會使用JULAB實驗調(diào)試軟件調(diào)試匯編指令程 序；(2)理解實驗任務，對給定的JUC-II硬件電路模型和指令系統(tǒng)，對JUC-II指令集中各條指 令，能夠獨立設(shè)計調(diào)試驗證方案并實施驗證，分析實驗現(xiàn)象，理解指令功能，表述實驗結(jié)論。 實驗7微程序控制.實驗目的(

7、1)理解微程序控制器的組成；(2)理解微程序控制器的時序；(3)理解微程序控制信號的產(chǎn)生原理；(4)能夠使用HDL描述微程序控制器結(jié)構(gòu)。.實驗要求(1)熟練使用實驗板、數(shù)字電路開發(fā)工具以及實驗調(diào)試工具；(2)理解實驗任務，對給定的微程序控制器結(jié)構(gòu)，能夠使用HDL進行控制器描述，能夠獨 立設(shè)計調(diào)試驗證方案并實施驗證，分析實驗現(xiàn)象，表述實驗結(jié)論。實驗8硬布線控制.實驗目的(1)掌握硬布線控制器的設(shè)計方法；(2)掌握硬布線控制器的HDL描述方法。.實驗要求(1)熟練使用實驗板、數(shù)字電路開發(fā)工具以及實驗調(diào)試工具；(2)理解實驗任務，對給定的數(shù)據(jù)通路，能夠使用HDL進行控制器描述，完成對指令集中 各條指

8、令的執(zhí)行，能夠獨立設(shè)計調(diào)試驗證方案并實施驗證，分析實驗現(xiàn)象，表述實驗結(jié)論。 實驗9高速緩沖存儲器.實驗目的(1)理解高速緩存的結(jié)構(gòu)和原理；(2)掌握直接映像方式的地址變換過程；(3)掌握訪問和置換過程；(4)能夠使用HDL描述高速緩存控制器。.實驗要求(1)熟練使用實驗板，F(xiàn)PGA下載工具以及JULAB調(diào)試軟件；(2)理解實驗任務，對給定的直接映像方式的高速緩沖存儲器電路實驗模型，能夠使用HDL 進行高速緩存控制器設(shè)計，能夠獨立設(shè)計驗證方案并實施驗證，分析實驗現(xiàn)象，表述實驗結(jié)論。 實驗10中斷電路.實驗目的(1)理解中斷的基本概念；了解中斷控制器的結(jié)構(gòu)；(2)掌握中斷請求、中斷響應、中斷處理的

9、過程；(3)掌握中斷屏蔽在中斷過程中的作用。(4)掌握中斷排優(yōu)電路和中斷屏蔽的HDL描述方法。.實驗要求(1)熟練使用實驗板、數(shù)字電路開發(fā)工具以及實驗調(diào)試工具；(2)理解實驗任務，對給定的中斷電路實驗模型，能夠使用HDL完成中斷控制器排優(yōu)和屏 蔽功能的描述，對完成后的中斷電路制定驗證方案并實施驗證，分析實驗現(xiàn)象，表述實驗結(jié)論。四、學時分配及教學方法章教學形式及學時分配主要教學方法支撐的課程目標課堂 教學實驗上機課程 實踐小 計第一章概論325講授法1.1, 2.1第一章信息表示33講授法1.2第三章運算器8614講授法、研究型教學方法1.3, 2.1, 2.2,2.3, 2.4, 2.5第四章

10、存儲器729講授法1.4, 2.1, 2.2,2.3, 2.4, 2.5第五章指令系統(tǒng)8210講授法1.5, 2.1, 2.2,2.3, 2.4, 2.5第六章控制器729講授法、演示法、 研究型教學方法1.6, 2.1, 2.2第七章RISC處理器77講授法1.7, 2.1, 2.2,2.3, 2.4, 2.5第八章存儲系統(tǒng)55講授法1.8, 2.1, 2.2,2.3, 2.4, 2.5第九章輸入輸出8210講授法1.9, 2.1, 222.3, 2.4, 2.5合計561672：1 .課程實踐學時按相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)計劃列入表格；2.主要教學方法包括講授法、討論法、演示法、研究型教學方法(基于問

11、題、項目、案例 等教學方法)等。六、課程考核（一）考核方式考核形式考核要求考核權(quán)重備注平時作業(yè)、測試至少7次作業(yè)或測驗15%實驗8個實驗15%期末考試閉卷70%注：1 .分學期設(shè)置和考核的課程應按學期分別填寫上表。.考核形式主要包括課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)、階段測試、期中考試、期末考試、大作業(yè)、小 論文、項目設(shè)計和作品等。.考核要求包括作業(yè)次數(shù)、考試方式（開卷、閉卷）、項目設(shè)計要求等。.考核權(quán)重指該考核方式或途徑在總成績中所占比重。七、參考書目及學習資料計算機組成原理（第二版），肖鐵軍等，清華大學出版社，2015年第2版。.計算機組成與設(shè)計：硬件/軟件接口（原書第5版），美戴維A.帕特森等，機械工業(yè)

12、出版 社，2015年6月第1版。.Computer Organization and Design RISC-V Edition: The Hardware Software Interface，David A. Patterson, John L. Hennessy. Morgan Kaufmann. 2017.4.計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第2版），袁春風，清華大學出版社，2015年第2版。5,計算機硬件系統(tǒng)設(shè)計原理，劉子良，高等教育出版社，2016年2月第1版。八、大綱說明.采用多媒體授課，運用講授、啟發(fā)式、案例式等多種教學手段。.課后需要完成一定數(shù)量的習題或測試，以加深學生對所學內(nèi)容的理解

13、和掌握。.課程教學輔助資料發(fā)布在842T課程網(wǎng)，2017年8月20日 課程目標2.1具備計算機硬件系統(tǒng)和各組成模塊的基本分析與設(shè)計能力。課程目標2.2能夠綜合運用計算機組成的基本原理和分析方法，對有關(guān)計算機硬件系統(tǒng)中 的理論和實際問題進行求解。課程目標2.3能夠運用計算機組成原理的基本理論和知識，對計算機的功能部件進行分析、 研究，制定實驗方案。課程目標2.4能夠熟練使用開發(fā)、調(diào)試工具實施實驗方案，觀察實驗現(xiàn)象并記錄。課程目標2.5能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進行分析、討論，通過思考與總結(jié)得出結(jié)論，并能正確表述。（三）課程目標與專業(yè)畢業(yè)要求指標點的對應關(guān)系本課程支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求指標點3-1, 3-

14、2, 5-3, 5-5o 1 .畢業(yè)要求3-1:具備對計算機領(lǐng)域復雜工程問題進行識別和有效分解的能力。.畢業(yè)要求3-2:具備對分解后的計算機領(lǐng)域復雜工程問題進行表達與建模的能力。.畢業(yè)要求5-3:能夠基于計算機科學與技術(shù)原理并采用科學方法對計算機科學與技術(shù)領(lǐng)域復雜工程問題進行研究，制定實驗方案。4.畢業(yè)要求5-5:能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進行分析，并通過信息綜合得到有效結(jié)論。求指標點 課程目焉畢業(yè)要求3-1畢業(yè)要求3-2畢業(yè)要求5-3畢業(yè)要求5-5課程目標1.1V課程目標1.2V課程目標1.3V課程目標1.4V課程目標1.5V課程目標L6V課程目標1.7V課程目標L8V課程目標1.9V課程目標2.1V課

15、程目標2.2V課程目標2.3V課程目標2.4V課程目標2.5V三、課程內(nèi)容及要求第一章計算機系統(tǒng)概述本章支持課程目標：L1掌握計算機系統(tǒng)的基本組成，掌握計算機的性能指標；2.1掌握計算機 硬件系統(tǒng)和各組成模塊的基本分析與設(shè)計方法。(-)課程內(nèi)容.本課程的性質(zhì)、目的、任務及學習方法.數(shù)字電子計算機發(fā)展簡況.計算機系統(tǒng)的基本組成.計算機的主要性能指標.計算機的應用與發(fā)展趨向(二)教學要求了解本課程的性質(zhì)、目的、任務及學習方法；了解計算機的發(fā)展歷史、計算機的應用與發(fā)展趨向；了解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，掌握計算機硬件的基本組成、計算機軟件的分類和計算機 的基本工作過程；掌握計算機的主要性能指標及不同指標

16、之間的相互關(guān)系。(三)重點與難點.重點計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。.難點計算機的主要性能指標及相互關(guān)系。第二章信息表示本章支持課程目標：L2掌握計算機中信息的表示方法。(-)課程內(nèi)容.數(shù)制與編碼.數(shù)值數(shù)據(jù)的表示.非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示.數(shù)據(jù)校驗碼（二）教學要求.掌握進位計數(shù)制，能夠進行不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換；. 了解真值和機器數(shù)的概念，能夠?qū)⒄嬷当硎緸樵a、反碼、補碼和移碼形式的機器數(shù)， 或反之；.掌握定點數(shù)和浮點數(shù)的表示方法；能夠理解C語言的數(shù)據(jù)類型在計算機中的表示；. 了解字符與字符串在計算機中的表示方法。（三）重點與難點.重點定點數(shù)和浮點數(shù)的表示。.難點C語言的數(shù)據(jù)類型在計算機中的表示。第三章運算方法和

17、運算器本章支持課程目標：1.3掌握運算器的基本組成和基本原理；2.1掌握計算機硬件系統(tǒng)和各組 成模塊的基本分析與設(shè)計方法；2.2能夠綜合運用計算機組成的基本原理和分析方法，對有關(guān)計算 機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行求解。（一）課程內(nèi)容.定點數(shù)的運算方法和運算電路.浮點數(shù)的運算方法和運算電路.運算器的組成與結(jié)構(gòu)（二）教學要求.能夠進行定點數(shù)的四則運算并分析運算結(jié)果是否溢出等特征，理解運算方法的硬件實現(xiàn), 并根據(jù)運算電路的結(jié)構(gòu)，分析數(shù)據(jù)加工的過程；.能夠進行浮點數(shù)的四則運算并規(guī)格化；了解浮點數(shù)的加/減運算的硬件實現(xiàn)；.能夠分析運算器數(shù)據(jù)通路的信息加工過程，具有初步的ALU和運算器數(shù)據(jù)通路的設(shè)計

18、能力。（三）重點與難點.重點運算方法和溢出判斷。.難點運算方法的硬件實現(xiàn)。第四章存儲器本章支持課程目標：1.4掌握存儲器的基本組成和基本原理；2.1掌握計算機硬件系統(tǒng)和各組成 模塊的基本分析與設(shè)計方法；2.2能夠綜合運用計算機組成的基本原理和分析方法，對有關(guān)計算機 硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行求解。（一）課程內(nèi)容.存儲器的種類與主要性能指標.半導體隨機存取存儲器和芯片.非易失性半導體存儲器.主存儲器的組織.輔助存儲器（二）教學要求1.理解存儲器在計算機中的作用；了解存儲器的性能指標；存儲器的分類；2,理解SRAM和DRAM存儲器的工作原理；掌握存儲器芯片的外部特性，能夠根據(jù)應用 需求選擇合適

19、的存儲器芯片；.掌握非易失性存儲器的特點，能夠根據(jù)應用場合選擇合適的非易失性存儲器；.掌握主存儲器的組織方法，具有初步的設(shè)計能力。. 了解磁盤的工作原理。（三）重點與難點.重點主存儲器的組織。.難點主存儲器與CPU的連接。第五章指令系統(tǒng)及匯編語言本章支持課程目標：L5理解指令系統(tǒng)的設(shè)計，掌握基本尋址方式，熟悉指令和匯編語言；2.1掌 握計算機硬件系統(tǒng)和各組成模塊的基本分析與設(shè)計方法；2.2能夠綜合運用計算機組成的基本原理 和分析方法，對有關(guān)計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行求解。（-）課程內(nèi)容L指令格式.尋址方式.匯編語言（二）教學要求.掌握指令的基本格式與基本功能；.掌握基本尋址方式；.掌

20、握匯編語言的基本概念，能夠讀懂簡單的匯編語言程序；（三）重點與難點.重點指令格式和尋址方式.難點不同尋址方式的理解第六章控制器和中央處理器本章支持課程目標：1.6掌握控制器的基本組成和基本原理；掌握計算機主機的工作原理；掌握 指令流水線的基本原理；2.1掌握計算機硬件系統(tǒng)和各組成模塊的基本分析與設(shè)計方法；2.2能夠綜 合運用計算機組成的基本原理和分析方法，對有關(guān)計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行求解。（一）課程內(nèi)容.控制器概述. CPU數(shù)據(jù)通路.指令執(zhí)行流程.微程序控制器.模型機微程序控制器的設(shè)計（二）教學要求.掌握控制器基本組成，指令控制的基本概念，理解時序系統(tǒng)的基本概念，同步、異步控 制

21、方式；.掌握CPU數(shù)據(jù)通路的基本組成和信息加工處理的基本方法；.掌握指令流程的分析方法，能夠依據(jù)數(shù)據(jù)通路分析信息加工的過程，也就是指令的執(zhí)行 過程；.掌握微程序控制器的基本組成及工作原理；.理解控制器與運算器、存儲器、指令系統(tǒng)的聯(lián)系，能夠綜合運用尋址方式、指令執(zhí)行流程、CPU數(shù)據(jù)通路等知識進行微程序設(shè)計；.掌握指令流水線的基本概念、性能指標和基本原理。（三）重點與難點.重點指令執(zhí)行流程，微程序控制器.難點微程序設(shè)計第七章RISC處理器和流水線技術(shù)本章支持課程目標：1.7掌握RISC處理器的基本概念和基本原理;掌握指令流水線的基本原理； 2.1掌握計算機硬件系統(tǒng)和各組成模塊的基本分析與設(shè)計方法；

22、2.2能夠綜合運用計算機組成的基本 原理和分析方法，對有關(guān)計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行求解。（-）課程內(nèi)容.CISC和RISC的基本概念. RISC指令系統(tǒng). RISC處理器的數(shù)據(jù)通路.硬布線控制器.指令流水線（二）教學要求. 了解RISC的基本思想；.通過典型RISC處理器（如MIPS、RISC-V） 了解RISC指令系統(tǒng)；.理解單周期、多周期處理器典型操作的數(shù)據(jù)通路；.了解硬布線控制器的基本組成和設(shè)計原理；.掌握指令流水線的基本概念、性能指標和基本原理。（三）重點與難點.重點RISC處理器的數(shù)據(jù)通路和典型操作；流水線的性能指標。.難點多周期流水線重疊執(zhí)行。第八章存儲體系本章支持課程目標：1.8理解存儲系統(tǒng)的層次和作用，掌握高速緩存和虛擬存儲的基本組成和基 本原理；2.1掌握計算機硬件系統(tǒng)和各組成模塊的基本分析與設(shè)計方法；2.2能夠綜合運用計算機組 成的基本原理和分析方法，對有關(guān)計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行求解。（一）課程內(nèi)容.高速緩沖存儲器.虛擬存儲技術(shù).存儲系統(tǒng)（二）教學要求.掌握高速緩存（Cache）的基本組成和工作原理，能夠根據(jù)Cache和主存之間的映射方 式、Cache中主存塊的替換算法，分析CPU訪問主存時Cache的工作過程；.掌握虛擬存儲器的基本概念，了解頁式虛擬存儲器、段式虛擬存儲器和段頁式虛擬存儲