《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程教學大綱

1、計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學大綱一、課程基本信息課程名稱（中文）計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程名稱（英文）Computer Organization and Architecture課程類別1：學科基礎課課程性質(zhì)2必修授課語言3中文授課學期4學分4課程學時及分配總學時講課實驗課外64481616適用專業(yè)計算機科學與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、信息安全 教材秦磊華等，計算機組成原理，清華大學出版社，2020授課學院計算機與軟件學院先修課程電子技術(shù)基礎、程序設計基礎、面向?qū)ο蟪绦蛟O計等后續(xù)課程課程簡介課程基本定位：“計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是一門理論性、工程性、技術(shù)性和實踐性都很強的核心專業(yè)基礎

2、課程，在計算機學科系列課程中處于承上啟下的作用。課程以計算機內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)為主線，涵蓋數(shù)據(jù)表示表示、運算器、控制器、存儲器、輸入/輸出系統(tǒng)等主要內(nèi)容。詳細討論計算機組織結(jié)構(gòu)、各主要功能部件的工作原理、設計與實現(xiàn)方法。課程著力加深學生對計算機軟、硬件系統(tǒng)的整體化理解，建立硬件/軟件協(xié)同的整機概念，并有效增強學生的計算機系統(tǒng)設計能力。課程主要教學內(nèi)容與復雜工程問題的特征相呼應，學生必須掌握深入工程原理并通過深入分析，才能建立相關復雜工程問題的原理模型，并通過現(xiàn)代化工具設計硬件功能部件和簡單計算機系統(tǒng)。核心學習結(jié)果：通過相關教學活動，幫助學生理解馮諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的工作原理，掌握計算機基本組成部件(包

3、括運算器、存儲器、控制器、存儲器、總線、輸入/輸出系統(tǒng))的結(jié)構(gòu)、工作原理、內(nèi)部運行機制及硬件功能部件和硬件系統(tǒng)的設計方法。建立硬/軟件協(xié)同的整機概念，提升學生計算機系統(tǒng)的分析與設計能力。主要教學方法：圍繞教學重點和教學難點，綜合應用課堂討論、 作業(yè)、 MOOC練習、 課內(nèi)實驗、課程實踐、課外閱讀等教學形式。大綱更新時間2020.8注：1.課程類別：選填“通識核心課/通識拓展課/通修課/學科基礎課/專業(yè)主干課/專業(yè)選修課/專業(yè)實踐/素質(zhì)拓展” 2.課程性質(zhì)：選填“選修/必修”3.授課語言：選填“中文/雙語/全英文或其他語種”二、課程目標序號課程目標（參考培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、課程定位）支撐畢業(yè)要求

4、指標點1達成途徑1、知識1目標1：使學生深刻理解馮諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的工作原理，掌握運算器、存儲器、指令系統(tǒng)、控制器、存儲器、總線、輸入/輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；建立軟硬協(xié)同的系統(tǒng)觀，能利用上述知識對計算機系統(tǒng)設計方案和模型進行推理和驗證；1.2能夠運用數(shù)學和工程基礎知識的基本概念、基本理論和基本方法對物聯(lián)網(wǎng)工程領域的智慧標識與感知、智能傳輸與處理等環(huán)節(jié)的復雜工程問題進行數(shù)學建模并求解；綜合應用課堂討論、 作業(yè)、 MOOC練習、 課內(nèi)實驗、課程實踐、課外閱讀等教學形式。2目標2：掌握CPU性能評估方法、高速緩沖存儲器與虛擬存儲器的相關性能分析與計算、數(shù)據(jù)表示和運算方法、指令格式的優(yōu)化設計、輸入

5、輸出系統(tǒng)等基本量化手段, 能運用科學方法對計算機復雜工程問題解決過程中的關鍵影響因素進行分析，具備驗證解決方案的合理性和對方案優(yōu)化的能力；2.2能夠運用數(shù)學和工程基礎知識的基本概念、基本理論和基本方法對物聯(lián)網(wǎng)工程領域的智慧標識與感知、智能傳輸與處理等環(huán)節(jié)的復雜工程問題進行數(shù)學建模并求解；綜合應用課堂討論、 作業(yè)、 MOOC練習、 課內(nèi)實驗、課程實踐、課外閱讀等教學形式。2、能力3目標3：使學生掌握滿足特定功能要求的運算器、控制器、存儲器等硬件功能件及計算機硬件系統(tǒng)的設計流程和設計方法，具備硬件系統(tǒng)的開發(fā)能力；3.1能夠針對物聯(lián)網(wǎng)工程領域的智慧標識與感知、智能傳輸與處理等環(huán)節(jié)的復雜工程問題，陳述

6、全周期的開發(fā)方法和技術(shù)，解釋影響設計目標和技術(shù)方案的因素；課內(nèi)實驗、課程實踐、課外實踐3、素養(yǎng)4目標4：了解計算機發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，并行計算機系統(tǒng)，掌握計算機發(fā)展過程的標志性技術(shù)革新。12.1能夠認識持續(xù)探索和學習的必要性，具有自主學習、終身學習以及自我完善的意識；綜合應用課堂討論、課外閱讀等教學形式。注：1.支撐畢業(yè)要求指標點：選填項。需要進行專業(yè)認證，有畢業(yè)要求指標點可參照的課程必填，無明確畢業(yè)要求指標點可參照的可不填。三、理論教學內(nèi)容章標題教學內(nèi)容學時思政融入點1學生學習預期成果2教學方式3課程目標第一章 計算機系統(tǒng)概論1. 本章的主要知識點包括馮諾伊曼計算機的工作原理、基本組成及各部分的

7、主要功能；計算機軟/硬件互動關系；計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)；CPU性能公式及性能評價方法2.教學重點1)馮諾伊曼計算機的工作原理這是計算機組成原理課程的出發(fā)點,要求學生能深刻理解存儲程序和程序控制的內(nèi)涵,并介紹課程后續(xù)章節(jié)中哪些是圍繞“存儲程序”展開,哪些是圍繞“程序控制”展開。 2)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)熟悉計算機系統(tǒng)的具體層次結(jié)構(gòu)，分析采用層次結(jié)構(gòu)的意義和不同層次抽象的特點,理解透明性概念。3.教學難點 1)CPU性能公式及CPU性能評價方法 理解不同性能評價指標的內(nèi)涵和利用其評價CPU性能的局限性課內(nèi)3+課外2在講解國內(nèi)計算機發(fā)展的歷史時引入典型人物突出他們的貢獻，通過對這些人物事跡的挖掘，可

8、以更好地激發(fā)學生的學習熱情和培養(yǎng)學生的愛國情懷，以此教育學生為國爭光。1)了解國際、國內(nèi)計算機發(fā)展的歷史；2)掌握馮諾伊曼計算機的工作原理、基本組成及各部分的主要功能；3)了解計算機軟/硬件互動關系；4)熟悉計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，了解不同層次的抽象特點；5)熟悉常見計算機系統(tǒng)的性能評價指標,掌握CPU性能公式及性能評價方法。圍繞教學重點和教學難點，綜合應用課堂討論、 作業(yè)、 MOOC練習、 課外實踐、課外閱讀等教學形式。1)課堂討論圍繞不同CPU性能評價指標的內(nèi)涵和局限性、CPU的性能能否被精確測量等問題展開。2)作業(yè)圍繞CPU性能評價的計算布置。3)MOOC練習完成計算機組成原理MOOC平臺

9、或精品資源共享課平臺提供的在線練習和章節(jié)測試。4)課外實踐要求學生下載主流性能測試工具，對同寢室多臺計算機進行性能測試，并分析性能測試結(jié)果，將測試的結(jié)果應用于本章的課堂討論。5)課外閱讀閱讀關于中國計算機發(fā)展歷史的文獻。本章教學支持的課程目標為目標1、目標2和目標4第二章數(shù)據(jù)信息的表示1.本章的主要知識點包括數(shù)據(jù)的機器級表示及其不同數(shù)據(jù)表示的特點；浮點數(shù)據(jù)表示(包括表示形式、規(guī)格化、數(shù)據(jù)表示范圍和IEEE754標準)；常見的數(shù)據(jù)校驗方式(奇偶校驗、海明校驗和CRC校驗)及其特點。2.教學重點1)補碼及其性質(zhì) 將本章的補碼數(shù)據(jù)表示與下一章基于補碼的運算方法與運算器設計統(tǒng)一規(guī)劃，通過上述系列內(nèi)容的

10、教學，讓學生深刻理解補碼數(shù)據(jù)表示的優(yōu)點。 2)校驗碼的原理與特點讓學生理解采用校驗碼的意義、掌握奇偶校驗、海明校驗、CRC校驗的編碼與校驗方法。理解不同校驗碼的特點及其應用的局限性；3.教學難點 1)浮點數(shù)表示范圍理解浮點數(shù)據(jù)表示中階碼和尾數(shù)的尾數(shù)與符號與浮點數(shù)據(jù)表示范圍的關系，這是計算浮點數(shù)據(jù)表示范圍的關鍵。 2)校驗電路設計方法校驗電路的設計主要由課外spoc學習完成，課程教學階段要讓學生通過對校驗原理的深刻理解，掌握相應校驗電路的設計方法。課內(nèi)5+課外2以漢字編碼引入課程思政內(nèi)容，引導學生樹立舍己為國的正確價值觀。1)熟練掌握數(shù)據(jù)的編碼表示(原碼、反碼、補碼、移碼)；2)掌握定點數(shù)與浮點

11、數(shù)數(shù)據(jù)表示范圍的計算方法、規(guī)格化浮點數(shù)的概念及規(guī)格化方法；3)了解非數(shù)值信息的編碼表示，尤其是漢字編碼；4)掌握奇偶校驗、海明校驗、CRC校驗的方法、特點；5)熟悉常見計算機系統(tǒng)的性能評價指標,掌握CPU性能公式及性能評價方法。圍繞教學重點和教學難點，綜合應用課堂討論、 作業(yè)、 MOOC練習、 課外實踐、課外閱讀等教學形式。1)課堂討論圍繞不同校驗方法的局限性展開；2)作業(yè)圍繞校驗方法、浮點數(shù)據(jù)表示等內(nèi)容布置；3)MOOC練習完成計算機組成原理MOOC平臺或精品資源共享課平臺提供的在線練習和章節(jié)測試。4)課外閱讀IEEE 754 浮點數(shù)標準、WINDOWS記事本編碼格式差異等本章教學支持的課程

12、目標為目標2和目標4。第三章 運算器方法與運算器1.本章的主要知識點包括定點數(shù)的加減運算方法、溢出檢測及實現(xiàn)，定點數(shù)乘、除法運算及實現(xiàn)，定點運算器組成與結(jié)構(gòu)，浮點數(shù)四則運算及實現(xiàn)。2.教學重點1)定點數(shù)加、減運算及其運算器設計 統(tǒng)籌考慮有符號數(shù)和無符號數(shù)的加、減運算及運算器設計方法。2)定點數(shù)乘、除運算及其運算器設計3.教學難點1)溢出檢測統(tǒng)籌考慮有符號數(shù)和無符號數(shù)的加、減運算的溢出檢測方法與檢測電路設計。2)并行進位電路設計讓學生深刻理解并行進位的必要性，掌握基于硬件迭代設計分級并行進位電路的原理和方法。 3)運算器設計運算器設計主要由實驗完成，課程教學階段要讓學生通過對定點數(shù)加、減、乘、除

13、運算方法的深刻理解，掌握支持相應運算功能的運算器的設計方法。包括與溢出檢測電路、并行進位電路的有機集成。課內(nèi)8+課外2+實驗6介紹圖靈獎及各種賽事引導學生參加各類競賽，提高實踐能力，為社會創(chuàng)造價值。1.教學目標 1)掌握定點數(shù)的加減運算方法、溢出檢測及實現(xiàn)； 2)掌握定點數(shù)乘法、除法方法及實現(xiàn)；3)掌握定點運算器結(jié)構(gòu)及設計方法；4)了解浮點數(shù)四則運算，掌握浮點數(shù)加、減運算及溢出判斷方法；圍繞教學重點和教學難點，綜合應用課堂討論、作業(yè)、MOOC練習、實驗。1)課堂討論本章課堂討論主要圍繞硬件溢出檢測對程序設計的支持展開；2)作業(yè)本章課堂討論主要圍繞溢出檢測、定點數(shù)乘法和除法運算布置；3)MOOC

14、練習完成計算機組成原理MOOC平臺或精品資源共享課平臺提供的在線練習和章節(jié)測試。4）運算器設計主要由實驗完成，本章教學支持的課程目標為目標1、目標2和目標3第四章 存儲器系統(tǒng)1.本章的主要知識點包括存儲體系的結(jié)構(gòu)，常見半導體存儲器的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，存儲器數(shù)據(jù)組織，存儲擴展，Cache存儲器的工作原理，虛擬存儲器的工作原理等內(nèi)容。通過本章的學習，還要幫助學生充分認識到存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)放置方式、程序的訪問行、Cache的組織方式與存儲系統(tǒng)訪問性能之間的關系，從而幫助學生認識到存儲系統(tǒng)層次的硬件與軟件的協(xié)同關系。2.教學重點1)存儲擴展與地址計算 將存儲字擴展與芯片的全局地址范圍計算有機結(jié)合，能完

15、成包括非連續(xù)地址空間與特殊存儲地址擴展的存儲擴展；2)Cache的工作原理深刻理解Cache內(nèi)部結(jié)構(gòu)、不同映射方式下主存地址劃分方法、Cache數(shù)據(jù)載入與查找的過程與查找電路、Cache的相關性能分析與計算(包括局部性分析、Cache命中率等)。通過本知識點的教學，讓學生深刻理解存儲系統(tǒng)層次軟件與硬件的互動關系，建立軟硬協(xié)同的思想。3)頁式虛擬存儲器的工作原理掌握頁式虛擬存儲器的工作原理，熟悉虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址的原理與過程，能完成與頁式虛擬存儲器相關性能分析與計算。3.教學難點 1)包含TLB、Cache和主存的存儲體系的工作原理與地址轉(zhuǎn)換掌握包含虛擬存儲器、Cache和主存的存儲體系的工

16、作原理及從虛擬地址到實地址的轉(zhuǎn)換過程。2)Cache的設計Cache設計主要由實驗完成，課程教學階段要讓學生對Cache的工作原理有深刻理解，提供設計Cache所需要的理論知識。課內(nèi)12+課外3+實驗6美國切斷華為全球芯片代工來源事件。2020 年 5 月 15 日，美國對華為使出終極殺手锏，限制全世界所有半導體廠（包括芯片代工、IDM 廠），只要有使用到美國軟件和設備，在為華為生產(chǎn)芯片之前，都需要獲得美國政府的許可證。這一次美國是要切斷華為全球所有芯片代工來源，這等同于美國以國家力量全面封殺華為。以此事件展開思政教育，在這種情況下，對學生強調(diào)自主可控的重要性，增強學生的憂患意識。 1)掌握存

17、儲體系的工作原理、構(gòu)成及各層次的作用； 2)掌握SRAM、DRAM的工作原理；了解ROM的工作原理與分類；3)掌握主存儲器的組成、擴展與控制方法；4)熟悉相聯(lián)存儲器的工作原理；掌握Cache的工作原理、常見地址映射方式、替換算法；5)掌握頁式虛擬存儲器的工作原理；6)掌握輔助存儲器的種類與技術(shù)指標；了解磁盤整列技術(shù)與容錯支持。圍繞教學重點和教學難點，綜合應用課堂討論、作業(yè)、MOOC練習、課外閱讀、實驗。1)課堂討論本章課堂討論圍繞DRAM的速度、程序性能與Cache的關系、經(jīng)常進行磁盤空間整理的意義等開展；2)作業(yè)本章課堂討論主要圍存儲擴展、Cache與虛擬存儲器等相關的性能分析與計算等內(nèi)容布

18、置；3)MOOC練習完成計算機組成原理MOOC平臺或精品資源共享課平臺提供的在線練習和章節(jié)測試。4)課外閱讀Cache工作原理的外文資料、關于存儲體系研究和業(yè)界的新進展。5）Cache設計、存儲器系統(tǒng)設計主要由實驗完成本章教學支持的課程目標為目標1和目標2第五章 指令系統(tǒng)1. 本章的主要知識點包括指令格式、尋址方式、指令格式設計、MIPS指令等內(nèi)容。通過本章教學讓學生認識到指令系統(tǒng)是硬件與軟件的界面，指令系統(tǒng)的格式與硬件相關聯(lián)。2.教學重點1)操作數(shù)尋址方式 深刻理解不同數(shù)據(jù)尋址方式的工作原理與特點，能根據(jù)約束條件選擇最優(yōu)化的數(shù)據(jù)尋址方式；2)指令格式設計能根據(jù)約束條件，設計指令格式。3.教學

19、難點 1)操作碼擴展掌握操作碼向地址碼擴展的方法。2)指令格式的優(yōu)化設計綜合應用操作碼擴展、地址碼優(yōu)化和應用約束條件，進行指令格式的優(yōu)化設計。課內(nèi)3+課外12015年，美國政府禁止本國企業(yè)向跟世界上最快的超級計算機相關的中國設施出口技術(shù)，國家超級計算長沙中心、廣州中心、天津中心和國防科技大學四家國家超算中心被列入出口管制名單。當時，中國所有的超級計算機都采用了英特爾的芯片，英特爾的Xeon Phi（至強融核協(xié)處理器）是英特爾集成眾核架構(gòu)產(chǎn)品。因為強大的加速計算性能，用作高性能 計算（HPC）的超級計算機或服務器的加速卡。當時中國的天河二號使用的就是英特爾的 Xeon眾核處理器+Xeon Phi

20、加速卡。美國的反制也讓中國無法使用美國的軟硬件。以此事件展開課程思政教育，核心技術(shù)要掌握在自己的手中才能不受制于人，用這些事件鼓勵學生發(fā)奮努力。1)掌握指令格式及各部分的作用； 2)掌握指令和數(shù)據(jù)的尋址方式；深刻理解指令尋址方式的特點及實現(xiàn)機制；深刻理解不同數(shù)據(jù)尋址方式的特點；3)掌握指令格式及其優(yōu)化設計的基本方法；4)了解CISC與RISC的概念及特點；5)了解MIPS指令格式；圍繞教學重點和教學難點，除課堂講授外，還需綜合應用課堂討論、作業(yè)、MOOC練習、課外閱讀。1)課堂討論本章課堂討論圍繞數(shù)據(jù)尋址方式的特點與優(yōu)化設計等內(nèi)容展開；2)作業(yè)指令格式的優(yōu)化設計；3)MOOC練習完成計算機組成

21、原理MOOC平臺或精品資源共享課平臺提供的在線練習和章節(jié)測試。4)課外閱讀 MIPS指令手冊、Intel指令手冊。本章教學支持的課程目標為目標1和目標2第六章 中央處理器1.本章的主要知識點包括中央處理器的功能及微體系結(jié)構(gòu)、指令流程與數(shù)據(jù)通路、硬布線控制器及其設計、微程序控制器及其設計。2.教學重點1)指令執(zhí)行全過程的分析與數(shù)據(jù)通路分析與設計 正確分析指令執(zhí)行的流程、分析與設計指令執(zhí)行的數(shù)據(jù)通路是控制器設計的基礎；數(shù)據(jù)通路的設計與指令功能、尋址方式等因素有關，設計中要利用數(shù)字邏輯電路的基本知識，配合實驗完成。2)微程序控制、硬布線控制器的工作原理3.教學難點 1)單周期、多周期MIPS CPU

22、的設計單周期、多周期MIPS CPU的設計主要由獨立開設的計算機組成原理課程設計完成，課程教學階段要讓學生對數(shù)據(jù)通路、微程序控制器、硬布線控制等工作原理有深刻理解。另外，CPU設計還要綜合應用數(shù)字電路與邏輯設計的理論知識與工程知識，還需要掌握硬件描述語言及其應用。課內(nèi)10+課外2+實驗6美國intel斷供浪潮CPU事件。浪潮是中國第一大、全球第三大服務器提供商，2020年Q1，浪潮占中國服務器37.6%的市場份額位居第一，占全球9.6%的份額位居第三。2020年7月2日，美國intel公司停止向浪潮集團提供X86架構(gòu)CPU，消息短短發(fā)出一個小時，浪潮的市值就蒸發(fā)了60億，并一度跌停。雖然兩天后

23、，intel公司恢復了CPU的供應，但從中我們看到，我國需要有自主的CPU產(chǎn)品，只有這樣，我們才不會被掐脖子。我們可喜的看到，近年來，以龍芯、申威、海思等為代表的國產(chǎn)CPU已經(jīng)逐漸壯大起來，2020年6月全球超級計算機top500最新榜單中，國產(chǎn)神威太湖之光采用國產(chǎn)申威SW26010 260C 1.45GHz CPU，獲得全球第4，中國第一的好成績。以此案例展開思政教育，讓學生明白關鍵技術(shù)的研究是國家科研實力體現(xiàn)，將這些科研成果與知識點講授結(jié)合，可以讓學生了解具體的科技創(chuàng)新過程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和團隊精神。1)熟悉中央處理器的基本功能及其基本結(jié)構(gòu)；2)掌握指令周期的概念,理解指令周期不同階段

24、的任務；3)掌握指令執(zhí)行全過程的分析與數(shù)據(jù)通路分析與設計方法；4)掌握微程序控制器的工作原理及微程序控制器的設計方法;5)掌握硬布線控制的工作原理及硬布線控制器的設計方法;6)能熟練使用 CPU設計的常用工具;7)理解多周期與單周期的概念、熟悉單周期與多周期CPU的特點；掌握單周期、多周期MIPS CPU的設計方法;中央處理器是計算機的核心，也是復雜的數(shù)字系統(tǒng)。本章的教學要建立在簡單模型機基礎上，教學實施的主線為：建立機器的邏輯模型 細化邏輯模型 控制器設計 實現(xiàn)指令執(zhí)行目標。 圍繞上述教學實施主線，除講授外，本章的教學還將通過講練結(jié)合、MOOC練習、配套實驗等方式進行。1)講練結(jié)合圍繞邏輯模

25、型的建立、細化、控制器設計等重點內(nèi)容，邊講邊練，確保重要教學內(nèi)容教學目標的達成；2)MOOC練習完成計算機組成原理MOOC平臺或精品資源共享課平臺提供的在線練習和章節(jié)測試。3)配套實驗 本章的教學內(nèi)容需要與計算機組成原理課程設計密切配合，要求學生能設計滿足特定功能的CPU。本章教學支持的課程目標為目標1和目標3。第七章 總線系統(tǒng)1.本章的主要知識點包括總線的基本概念、總線的連接方式、總線仲裁和數(shù)據(jù)傳輸、總線標準。通過教學要讓學生充分認識到總線在將各功能部件連接構(gòu)成系統(tǒng)中的作用。2.教學重點1)總線連接與仲裁方式；2)總線性能指標及其計算。課內(nèi)3+課外1結(jié)合學院教師的科研項目，講述這些成果的獲得

26、過程，不僅可以讓學生了解最新的科研動態(tài)，還能夠通過教師的親身經(jīng)歷給學生傳遞創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和家國情懷。1)了解總線的特性、總線分類；熟悉總線性能指標及計算方法；2)掌握總線的常見連接方式及其特點；3)熟悉總線的仲裁方式及特點；4)熟悉總線的定時與數(shù)據(jù)傳輸方式；5)了解總線的標準教學過程中要結(jié)合數(shù)字電路與邏輯設計課程中的三態(tài)門。除課堂講授外，還將綜合應用MOOC練習、作業(yè)等方式輔助教學。1)MOOC練習完成計算機組成原理MOOC平臺或精品資源共享課平臺提供的在線練習和章節(jié)測試。2)課外閱讀 總線標準本章教學支持的課程目標為目標1和目標4。第八章 輸入輸出系統(tǒng)1.本章的主要知識點包括接口的組織與功能、

27、常用輸入輸出控制方式(查詢、中斷、DMA、通道)。2.教學重點1)中斷的基本概念、中斷請求與響應的原理與過程；2)常見輸入輸出方式的性能計算。3.教學難點1)中斷機制的實現(xiàn)課程教學階段要讓學生對中斷的工作原理有深刻理解，提供設計和實現(xiàn)中斷機制所需要的理論知識。課內(nèi)2+課外1結(jié)合學院教師的科研項目，講述這些成果的獲得過程，不僅可以讓學生了解最新的科研動態(tài)，還能夠通過教師的親身經(jīng)歷給學生傳遞創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和家國情懷。1)了解接口的功能、基本結(jié)構(gòu)、接口編址；2)熟悉查詢輸入輸出方式的工作原理；3)掌握中斷的基本概念、中斷請求與響應的原理與過程；4)掌握DMA方式的工作原理；除課堂講授外，還將綜合應用M

28、OOC練習、作業(yè)、課外閱讀等方式輔助教學。1)MOOC練習完成計算機組成原理MOOC平臺或精品資源共享課平臺提供的在線練習和章節(jié)測試。2)作業(yè)總線性能指標及其計算，通過計算比較不同輸入輸出方式的特點，為根據(jù)應用需要選擇輸入輸出方式奠定基礎。3)課外閱讀Linux中斷機制及其實現(xiàn)本章教學支持的課程目標為目標1和目標2。第九章并行計算機系統(tǒng) 課內(nèi)2+課外22020年6月全球超級計算機top500最新榜單中，國產(chǎn)神威太湖之光采用國產(chǎn)申威SW26010 260C 1.45GHz CPU，獲得全球第4，中國第一的好成績。以此案例展開思政教育，讓學生明白關鍵技術(shù)的研究是國家科研實力體現(xiàn)，將這些科研成果與知

29、識點講授結(jié)合，可以讓學生了解具體的科技創(chuàng)新過程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和團隊精神。重點掌握計算機系統(tǒng)中的并行性概念，了解向量處理機、陣列處理機、多處理機系統(tǒng)、機群系統(tǒng)、網(wǎng)格計算和云計算。注：1.思政融入點：至少寫3條， 簡述該課程教學中將思政教育內(nèi)容與專業(yè)教育內(nèi)容有機融合的知識點（下同）。 2.學生學習預期成果：描述學生在學完本節(jié)內(nèi)容后應獲得的知識、能力或素養(yǎng)水平（下同） 3.教學方式:包括講授、討論、案例、演示等，但不限于所列，根據(jù)課程實際需要列舉四、實踐（實驗或?qū)嵙暎┙虒W1編號實驗或?qū)嵙曧椖棵Q教學內(nèi)容學時實驗或?qū)嵙曨愋?思政融入點學生學習預期成果課程目標1Logisim實驗環(huán)境-1位全加器設

30、計2驗證性美國intel斷供浪潮CPU事件。浪潮是中國第一大、全球第三大服務器提供商，2020年Q1，浪潮占中國服務器37.6%的市場份額位居第一，占全球9.6%的份額位居第三。2020年7月2日，美國intel公司停止向浪潮集團提供X86架構(gòu)CPU，消息短短發(fā)出一個小時，浪潮的市值就蒸發(fā)了60億，并一度跌停。雖然兩天后，intel公司恢復了CPU的供應，但從中我們看到，我國需要有自主的CPU產(chǎn)品，只有這樣，我們才不會被掐脖子。我們可喜的看到，近年來，以龍芯、申威、海思等為代表的國產(chǎn)CPU已經(jīng)逐漸壯大起來，2020年6月全球超級計算機top500最新榜單中，國產(chǎn)神威太湖之光采用國產(chǎn)申威SW26

31、010 260C 1.45GHz CPU，獲得全球第4，中國第一的好成績。以此案例展開思政教育，讓學生明白關鍵技術(shù)的研究是國家科研實力體現(xiàn)，將這些科研成果與知識點講授結(jié)合，可以讓學生了解具體的科技創(chuàng)新過程，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和團隊精神。 Logisim 快速入門 熟悉 Logisim 基本功能，常用操作熟悉 Logisim 基本 組件庫掌握 Logisim 自動生成電路的方法22運算器實驗-快速加法器設計實驗/32位ALU設計實驗（二選一）2設計性訓練學生能對多種ALU設計方法、工具、環(huán)境進行評價和選擇的能力。深刻理解理解快速加法器構(gòu)建基本原理、23補碼一位乘法器設計補碼一位乘法器2設計性理解

32、一位乘法器、陣列乘法器以及流水乘法器、ALU構(gòu)成的基本原理24存儲器擴展-1已知RAM和ROM的尋址范圍設計2設計性1.深刻理解存儲器工作原理與擴展方法；2.掌握基于現(xiàn)代化工具設計存儲器擴展電路的方法；25存儲器擴展-2設計一個漢字存取與顯示系統(tǒng)，對比顯示寫入和讀出的信息 2綜合性結(jié)合數(shù)據(jù)表示和所設計的存儲擴展電路，設計一個漢字存取與顯示系統(tǒng)，對比顯示寫入和讀出的信息；6直接映射Cache設計給出主存地址、Cache行數(shù)、每塊字節(jié)數(shù)自主設計2設計性深刻理解高速緩沖器（cache）的工作原理和相聯(lián)存儲器的工作原理；2.掌握基于現(xiàn)代化工具設計Cache控制器，并通過Cache讀操作理解Cache控

33、制器的工作原理7簡單數(shù)據(jù)通路模型MIPS指令2驗證性熟悉常用MIPS指令8復雜數(shù)據(jù)通路模型常用指令數(shù)據(jù)通路分析2驗證性熟悉方框圖注：1.此表可用于課內(nèi)實踐教學環(huán)節(jié)或某門綜合實踐課程2.實驗類型：選填”驗證性/綜合性/設計性”；實習類型：選填“認識實習/生產(chǎn)實習/畢業(yè)實習”五、課程評價（一）考核內(nèi)容、考核方式與課程目標對應關系課程目標考核內(nèi)容課程目標在各考核方式中占比1實驗成績課程作業(yè)期中考試期末考試MOOC學習目標1：使學生深刻理解馮諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的工作原理，掌握運算器、存儲器、指令系統(tǒng)、控制器、存儲器、總線、輸入/輸出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；建立軟硬協(xié)同的系統(tǒng)觀，能利用上述知識對計算機系統(tǒng)設

34、計方案和模型進行推理和驗證；各章知識點中的原理和方法30%25%25%50%20%目標2：掌握CPU性能評估方法、高速緩沖存儲器與虛擬存儲器的相關性能分析與計算、數(shù)據(jù)表示和運算方法、指令格式的優(yōu)化設計、輸入輸出系統(tǒng)等基本量化手段, 能運用科學方法對計算機復雜工程問題解決過程中的關鍵影響因素進行分析，具備驗證解決方案的合理性和對方案優(yōu)化的能力；各章知識點中的計算、編碼、性能分析、電路工作原理分析、指令設計與分析10%35%35%35%35%目標3：使學生掌握滿足特定功能要求的運算器、控制器、存儲器等硬件功能件及計算機硬件系統(tǒng)的設計流程和設計方法，具備硬件系統(tǒng)的開發(fā)能力各章知識點中的計算機硬件系統(tǒng)

35、的設計、設計方法50%35%35%35%35%目標4：了解計算機發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，并行計算機系統(tǒng)，掌握計算機發(fā)展過程的標志性技術(shù)革新。10%5%5%5%10%合計100%100%100%100%100%各考核方式占總成績權(quán)重（自行賦值）10%10%10%50%20%注：1. 課程目標在考核方式及占比：主要根據(jù)課程目標自行設計和制定多元化考核方式，表中所列僅為參考（紅色數(shù)據(jù)可刪除）。但所列考核方式必須覆蓋全體學生，可根據(jù)當學期具體教學情況酌情調(diào)整。2. 各考核方式占總成績權(quán)重：根據(jù)課程實際情況對各考核方式占總成績的權(quán)重予以賦值。（二）考核方式評分標準1課程作業(yè)評分標準課程目標評分標準（分數(shù)段劃分可

36、根據(jù)課程需要自行設計）占比90-100（優(yōu)）80-89（良）70-79（中）60-69（及格）0-59（不及格）目標1按時提交作業(yè)，概念準確，驗證結(jié)果正確，分析充分，論述清晰，層次分明。按時提交作業(yè)，概念準確，驗證結(jié)果大多正確，分析較充分，論述清晰，層次分明。按時提交作業(yè)，概念基本準確，驗證結(jié)果存在少量錯誤，分析不充分，論述基本清晰。介于中和及格之間未按時交作業(yè)，概念欠準確，驗證結(jié)果錯誤較多。25%目標2按時提交作業(yè)，概念準確，計算結(jié)果正確，分析充分，論述清晰，層次分明。按時提交作業(yè)，概念準確，計算結(jié)果大多正確，分析較充分，論述清晰，層次分明。按時提交作業(yè)，概念基本準確，計算結(jié)果存在少量錯誤，分析不充分，論述基本清晰。介于中和及格之間未按時交作業(yè)，概念欠準確，計算結(jié)果錯誤較多。35%目標3按時提交作業(yè)，概念準確，仿真結(jié)果正確，分析充分，論述清晰，層次分明。按時提交作業(yè)，概念準確，仿真結(jié)果大多正確，分析較充分，論述清晰，層次分明。按時提交作業(yè)，概念基本準