课程简介 course introduction
《计算机组成原理》是计算机专业本科生核心硬件课程。学习本课程应已具备数字逻辑的基本知识,并掌握数字系统的一般设计方法。通过学习本课程,能了解计算机一般组成原理与内部运行机制,为学习本专业后继课程和进行与硬件有关的技术工作打好基础。
本课程主要讲述计算机单机硬件系统的基本组成原理与运行机制。课程从组成硬件系统的五大部件出发,讲解了各组成部分的工作原理、设计方法以及构成整机系统的基本原理。主要内容有:计算机系统概论;运算方法和运算器;存储系统;指令系统;中央处理器;系统总线和输入输出系统。
通过对计算机各部件工作原理、信息加工处理及控制过程的分析,使学生掌握基本的分析方法、设计方法和互连成整机的技术。具备维护、使用计算机的基本技能,并为具备硬件系统的开发应用能力打下一定的基础。
教学大纲 teaching syllabus

计算机组成原理与实验-尊龙凯时官方app下载

(一)课程描述

《计算机组成原理与实验》是计算机科学与技术专业、软件工程专业的一门重要学科基础课。它在先导课和后续课之间起着承上启下的和继往开来的作用。该课程全面地介绍了计算机单机系统的组成原理及内部工作机制,包括计算机各大部件的结构、工作原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成计算机整机的相关技术。

该课程以需求分析引导学生构建单机系统,根据构建好的系统进行部件选择、互连、测试等操作,最终可以实现目标系统功能。本门课程在理论教学的基础之上,增加实验教学环节,使学生在掌握基本原理的同时,可以通过具体的硬件实验箱进行操作,最后通过相关模拟软件构件自己的理想系统。培养学生自主分析、理解问题、举一反三、融会贯通、团队协作、创新精神的能力。

(二)课程目标

作为计算机类专业的一门专业基础课程,学完该门课程后,要求学生能够达到以下学习目标:

1.掌握计算机硬件系统的基本构成,各构成部件的工作原理及实现的基本技术和方法,核心能力1.12.1

2.具有使用仿真软件实现简单系统的设计能力,核心能力2.2

3.通过分组合作形式锻炼团队合作能力,核心能力4.1.

4.及时了解国内外计算机系统的发展现状以及最新关键技术,养成自主学习的习惯和能力。核心能力6.16.2

5.通过课程的学习,培养较好的学习习惯、职业规范。核心能力7.1

(一)第1计算机系统概述

主要知识点:

1.1 计算机系统简介

1.2 计算机的基本组成

1.3 计算机硬件的主要技术指标

教学要求:通过课程的学习,使学生熟悉计算机系统的构成,计算机硬件的主要技术指标,掌握计算机的工作过程。

重点:计算机的硬件框图,计算机的工作过程。

难点:计算机如何区分同样以01代码的形式存储在存储器中的指令和数据。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示。

参考案例:单机系统

讲授学时:3学时

课后习题:1.21.5

(二)第3系统总线

主要知识点:

3.1 总线的基本概念

3.2 总线的分布

3.3 总线特性及性能指标

3.4 总线结构

3.5 总线控制

教学要求:通过课程的学习,使学生熟悉计算机系统中的总线的作用及类别,掌握总线结构对系统性能的影响,熟练掌握总线在控制过程中如何判优和通信。

重点:总线结构,总线控制。

难点:总线结构对性能的影响,总线判优方法和通信控制。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示。

参考案例:3.13.23.3

讲授学时:3学时

课后习题:3.43.143.153.16

(三)第4 存储器

主要知识点:

4.1.1 存储器的分类

4.1.2 存储器的层次结构

4.2 主存储器(芯片介绍、刷新、动态ram与静态ram比较)

4.2.5 存储器与cpu的连接

4.2.6 主存储器的校验

4.2.7 提高访存速度的措施

4.3 高速缓存的提出(cache的工作原理和结构)

4.3.2 cache-主存地址映射

4.3.3 替换策略

4.4 辅助存储器的类别

4.4.3 磁盘记录方式

4.4.6 循环冗余校验码

4.4.7 光盘存储器(2.光盘的存取原理)

教学要求:通过课程的学习,使学生熟悉存储器的基本类别,不同存储器的功能和层次,掌握常用的主存储器芯片特性和功能;熟练掌握不同类型存储器与cpu连接时需要注意的事项,以及主存储器在存储数据时如何确保数据的正确性;理解在系统中设置高速缓冲存储器的目的,熟悉cache的工作过程和基本结构,学会并掌握如何实现cache-主存的地址映射,熟练掌握常用的替换策略;理解在系统中增加辅助存储器的必要性和重要性,不同辅助存储器的功能和基本工作原理,掌握磁盘的几种记录方式,学会如何进行磁盘中的数据校验。

重点:存储器的分类,存储器的层次结构,ramrom,芯片刷新;cpu与存储器的连接,主存储器的校验;cache的工作原理,cache-主存地址映射;磁盘的记录方式,磁盘的校验方法,磁盘的基本性能指标。

难点:不同寻址方式寻址范围的确定,ram的刷新;ramrom芯片与cpu连接时有何区别,汉明码形成及纠错;在系统中设置cache的原因,如何实现cache-主存的地址映射;crc校验码,磁盘基本性能指标的计算。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示、习题讲解与巩固练习。

参考案例:211441162716芯片,例4.14.24.44.74.84.15

讲授学时:8学时

习题讲解:4学时

课后习题:4.64.114.164.174.184.284.42

(四)第5 输入输出系统

主要知识点:

5.1.1 输入输出系统的发展概况

5.1.2 i/o系统的基本组成

5.1.3 i/o 与主机的尊龙凯时官方app下载的联系方式

5.3 5.4 5.55.6 i/o 接口(简要介绍i/o与主机交换信息的三种控制方式)

教学要求:通过课程的学习,使学生熟悉i/o系统的基本组成,理解并掌握i/o与主机的尊龙凯时官方app下载的联系方式,掌握i/o接口的基本组成,建立的概念并学会运用,建立奇偶概念并领会字寻址中对字节操作的动态定义;理解i/o与主机交换信息的三种控制方式的特点及区别,掌握cpu响应中断请求和dma请求的时间;掌握存储部件在计算机中的运用。

重点:i/o与主机的尊龙凯时官方app下载的联系方式,i/o控制方式。

难点:处理i/o终端的各类软、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,周期挪用的含义,cpu响应中断请求和dma请求的时间。

采用的教学方法:知识点讲解、习题讲解。

讲授学时:3学时

课后习题:5.15.45.85.235.35

(五)第6 计算机的运算方法

主要知识点:

6.1 无符号数和有符号数

6.2 数的定点和浮点表示

6.3定点数的加减乘法和逻辑运算

6.4浮点数四则运算

6.5.1 alu电路

教学要求:通过课程的学习,使学生掌握数在计算机中的表示方法,学会并掌握定点数的加减运算和逻辑运算;掌握浮点数在计算机中的表示方法,浮点数的加减运算过程,数的移位运算和标志控制;学会定点数的一位乘除法运算,通过习题讲解巩固计算机中不同类型数的基本运算;学会使用一种软件仿真工具实现简单的运算器。

重点:数的不同编码,定点数的逻辑运算,浮点数的表示和运算,算术逻辑单元,定点数乘除运算,软件仿真。

难点:为什么在运算的过程中要用补码运算,数要用不同的类型表示,浮点数运算中的溢出判断,算术逻辑单元的构成,定点数乘除运算过程中的移位操作,仿真软件的使用。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示、习题讲解6.36.17

讲授学时:4学时

习题讲解:1学时

课后习题:6.26.36.46.126.20

(六)第7指令系统

主要知识点:

7.1 机器指令

7.2 操作数类型和操作类型

7.3寻址方式

7.4.3指令格式设计举例

7.5 risc技术(简要介绍)

教学要求:通过课程的学习,使学生掌握指令的基本格式以及各字段的作用,理解不同的地址格式对访存次数、寻址范围的影响,理解并掌握不同的寻址方式对操作数的寻址范围、所需的硬件支持、信息加工流程以及编程的影响。建立指令暂存概念,领会操作码段操作数段的用途;熟悉risc技术,掌握设计指令格式应考虑的各种因素。

重点:指令格式,寻址方式,risc技术,设计指令要考虑的因素。

难点:设计指令格式的方法,扩展操作码技术的运用。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示,例7.17.4

讲授学时:3学时

课后习题:7.67.87.167.18

(七)第8 cpu的结构和功能

主要知识点:

8.1 cpu的结构

8.2 指令周期

8.4 中断系统

教学要求:通过课程的学习,使学生掌握指令的cpu结构,理解不同的指令周期,熟悉中断系统,掌握中断屏蔽技术。

重点:掌握中断屏蔽技术。

难点:中断屏蔽技术的运用。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示,例8.2

讲授学时:3学时

课后习题:8.248.268.28

(八)第10控制单元的设计

主要知识点:

10.2 微程序设计

10.2.1 微程序设计思想的产生

10.2.2 微程序控制单元框图及工作原理

10.2.3 微指令的编码方式

10.2.4 微指令序列地址的形成

10.2.5 微指令格式

教学要求:通过课程的学习微程序设计思想,使学生掌握微指令的编码方式,理解微指令序列地址的形成,熟悉微指令格式。

重点:微程序设计思想。

难点:掌握微指令的编码方式,理解微指令序列地址的形成,熟悉微指令格式。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示,例10.410.510.6

讲授学时:3学时

课后习题:10.15

(九)实验部分

主要知识点:

实验一熟悉实验环境

实验二位机的加减、逻辑运算

实验三位机的移位运算、标志控制

实验四仿真实现基本运算器

实验五准双向i/o口实验

实验六地址总线、数据总线

实验七存储器读写

实验八指令总线运用

教学要求:通过课程的学习,使学生熟悉硬件实验箱的基本构成和简单操作,并用实际的实验箱完成简单的算术运算和逻辑运算、移位运算、标志控制等基本操作,并理解基本模型机的设计原理和构成,学会使用一种仿真软件实现计算机基本部件的设计。

重点: 16位机的基本结构,实验箱具体操作。

难点:动手实践。

采用的教学方法:知识点讲解、现场演示、动手实践。

实验学时:14学时

综合实验:2学时

(十)期中考试、期末复习、答疑

教学内容:随堂复习各章知识点,针对学生疑问答疑,实验课上对学生的综合实验情况进行检查。

答疑学时:1学时(算作习题学时)

期中考试:2学时(算作习题课时)

布置时间:根据教学进度,可在讲解第10次课时布置综合实验,指导学生课下实践,在第1617次课验收综合实验。

在本门课程结束时,学生应该能够:

1、对计算机的内部结构、功能部件、功能特征、性能以及交互方式全面掌握;

2、从计算机的组成原理和系统结构角度,完整说明计算机的工作过程;

3、提高资料查找、阅读和辨析能力;

4、学会相关模拟仿真软件的操作;

5、学会简单单机系统的分析和设计能力;

6、提高团队合作能力。

(一)出勤与作业

学生应积极参与课堂教学并完成相关的作业、讨论与实验要求内容。

(二)阅读资料

学生应认真进行课前预习,阅读教材和指定参考书及重要的参考文献。

(三)课堂展示、课堂实验报告

1)理论课程,可根据教学内容及具体时间安排小组讨论;

2)实验课程要求根据教学需要进行实验过程及效果演示。

(四)课外实践

本课程是理论与实验相结合的课程,安排24课时的实验课时;为配合实验课程内容的进行,学生需要熟悉硬件实验箱的使用,并学会配套软件和仿真软件的操作方法,这些将作为课外实践内容。

(五)期中考与期末考

课程中随机问答,采用小组讨论和演绎的方式来记录平时成绩,并集中安排闭卷方式的期中考试。期末闭卷考试。

(六)学术诚信

按中山大学南方学院相关规定执行。

(七)剽窃的定义以及相应的惩罚

剽窃是严重违反学校规章制度的行为。一经发现,将上报相关部门,并受到包括开除学籍在内的严厉处罚。

(一)教科书-必读

《计算机组成原理》(第二版),唐朔飞,高等教育出版社,20081

《计算机组成原理学习指导与习题解答》(第2版),唐朔飞,高等教育出版社,20127

(二)教科书-强烈推荐

《计算机组成原理》,蒋本珊主编,清华大学出版社,20089月第二版.

《计算机组成原理》,秦磊华 吴非 莫正坤,清华大学出版社,2011

《计算机组成与体系结构》(美)努尔,(美)劳伯 著,黄河 等译,机械工业出版社20068

《计算机组成原理》,罗克露主编,电子工业出版社,20102月第二版.

(三)文章-必读

近年《计算机学报》、《计算机应用》、《计算机研究与发展》等杂志刊登的文章。

(四)文章-强烈推荐

http://bbs.diannaodian.com/

http://www.xtzj.com/

(五)其他参考资料

《计算机组成原理》,白中英,科学出版社,2008年。

(课程视频下载地址)

(课程学习效果测试地址)

(一)教学活动:

1、个人预习

2、课堂讲授

3、课堂问答

4、习题讲解

5、课堂实验

6、课后实践

7、期中考试

8、期末考试和实验考查

(二)对预期学习成果的考察

预期学习成果

教学活动

学习成果考察内容:作业/课程实验

1、掌握计算机的基本组成

1, 2, 3, 5, 6,7,8

练习:p19

作业:p191.51.11

2、熟悉计算机系统的总线分类、结构

1,2,3,4,5,6,7,8

练习:p66

实验:7910

3、掌握存储器的构成及工作原理、地址映射关系及替换策略

1,2,3,4,5,6,7,8

练习:p150-153

作业:p1504.114.154.164.184.284.324.384.42

实验:810

4、熟悉i/o设备与i/o接口、i/o的控制方式

1, 2, 3,4, 5, 6,8

练习:p212

实验:610

5、掌握数的定点和浮点表示,并会进行定点运算

1, 2, 3,4, 5,6,8

练习:p290

作业:p2906.46.146.196.206.26

实验:23510

6、熟悉指令系统的格式,并掌握操作数的寻址方式

1, 2, 3,4,5, 6,8

练习:p335

作业:p3357.67.16

(一)评分体系

1、平时成绩:50%

(1)出勤率课堂参与:10%

(2)课堂实验和课后作业10%

(3):实验考查20%

(4):期中考试10%

2、考试成绩:50%

期末考试:50%

(二)考核内容及要求

笔试部分:

(1)计算机硬件系统基本知识和实现硬件部件的基本技术(核心能力1.12.1);

(2)能够根据实际需求,利用计算机基本技术、方法解决实际应用问题(核心能力2.1)。

实验部分:

(1)使用实验室环境及仿真软件设计、实现简单计算机系统(核心能力2.12.2);

(2)能够根据课程要求,通过文字、图、表的形式撰写实验报告,并进行分析与总结(核心能力6.16.2);

(3)能够按照实验项目要求,通过团队合作,按时完成,并培养良好的职业习惯(核心能力4.17.1)。

周次

课程要点

理论学时

实验学时

习题学时

1

1计算机系统概述

1.1 计算机系统简介

1.2 计算机的基本组

1.3 计算机硬件的主要技术指标

3



2

3系统总线:

3.1 总线的基本概念

3.2 总线的分布

3.3 总线特性及性能指标

3.4 总线结构

3.5 总线控制

3



3

4存储器

4.1.1 存储器的分类

4.1.2 存储器的层次结构

4.2 主存储器(芯片介绍、刷新、动态ram与静态ram比较)

2


1

4

4.2.5 存储器与cpu的连接

4.2.6 主存储器的校验

4.2.7 提高访存速度的措施

2


1

5

4.3 高速缓存的提出(cache的工作原理和结构)

4.3.2 cache-主存地址映射

4.3.3 替换策略

2


1

6

4.4 辅助存储器的类别

4.4.3 磁盘记录方式

4.4.6 循环冗余校验码

4.4.7 光盘存储器(2.光盘的存取原理)

2


1

7

5 输入输出系统

5.1.1 输入输出系统的发展概况

5.1.2 i/o系统的基本组成

5.1.3 i/o 与主机的尊龙凯时官方app下载的联系方式

5.3 5.4 5.55.6 i/o 接口

3



8

习题课时:

期中考试

理论学时:

6计算机的运算方法

6.1 无符号数和有符号数

1


2

9

6.2 数的定点和浮点表示

6.3定点数的加减乘法和逻辑运算

2


1

10

理论课时:

6.4浮点数四则运算

6.5.1 alu电路

实验学时:

实验一

1

2


11

理论学时:

7指令系统

7.1 机器指令

7.2 操作数类型和操作类型

实验课时:

实验二

1

2


12

理论学时:

7.3寻址方式

7.4.3指令格式设计举例

实验课时:

实验三

1

2


13

理论学时:

7.5 risc技术(简要介绍)

8 cpu的结构和功能

8.1 cpu的结构

8.2 指令周期

3



14

理论学时:

8.4 中断系统

实验课时:

实验四

1

2


15

理论学时:

10控制单元的设计

10.2 微程序设计

10.2.1 微程序设计思想的产生

实验课时:

实验五

1

2


16

理论学时:

10.2.2 微程序控制单元框图及工作原理

10.2.3 微指令的编码方式

实验课时:

实验六

1

2


17

理论学时:

10.2.4 微指令序列地址的形成

10.2.5 微指令格式

实验课时:

实验七

1

2


18

习题课时:

复习、答疑

实验课时:

综合实验


2

1

19

考试周




20

考试周




总学时

30

16

8


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