《計算機組成原理》課程教學大綱一、課程概述課程名稱計算機組成原理英文名稱PrincipleofComputerOrganization課程性質專業必修課課程代碼22124017總學時64學時理論48學時+實驗16學時學分3.5開課學期第四學期先修課程電路與電子技術、數字電路與邏輯設計適用專業計算機科學與技術開課單位計算機與電氣工程學院課程簡介本課程是“計算機科學與技術”、“軟件工程”和“網絡工程”等專業學生的一門核心專業基礎課，是全國研究生入學考試的必考課程，在整個學科體系中起著承上啟下的作用。課程基于單處理器計算機系統講解硬件系統中各部件的組成結構、工作原理、設計思路、邏輯實現方法及相關關系，使學生掌握計算機系統的層次化結構概念、數據通路概念以及數據流和控制流兩大信息流在計算機內的有序流動，弄清硬件與軟件之間的接口界面，最終建立一個完整的計算機系統的整機概念，從而培養學生對計算機硬件系統的分析、設計能力，提高學生的創新能力，為后續課程的學習準備必要的底層硬件和計算機系統方面的基礎知識。課程的工程性、實踐性和技術性比較強，因此，課程強調通過實踐環節的訓練，培養學生的工程實踐能力。三、課程目標課程目標1（對應指標點1.4）：熟悉計算機各功能部件的基本組成及工作原理，掌握計算機的工作過程及各部分之間的聯系，建立起完整清晰的整機概念，為后續課程學習奠定良好的基礎。課程目標2（對應指標點2.3，3.2）：在對硬件系統深刻理解的基礎上，掌握計算機整機系統的基本分析和設計方法，具備運用計算機組成概念對計算機硬件系統進行分析和設計的能力。課程目標3（對應指標點3.2，5.2）：通過課程學習和實踐，全面培養學生對計算機系統的認知能力、分析解決問題的能力和系統設計與創新能力以及團結協作的團隊精神。四、畢業要求與課程目標的關聯矩陣表4-1課程目標對畢業要求指標點的支撐畢業要求指標點（參照各專業培養方案要求）課程目標1231.4能夠將計算機專業知識和數學模型用于計算機應用領域解決方案的評價、比較和綜合。M2.3能認識到解決計算機復雜工程問題有多種解決方案可選擇，能夠通過文獻研究，比對多種可能的解決方案和技術路線，尋求可替代的解決方案；M3.2在需求分析基礎上實現單元模塊或算法設計，并測試正確性，能根據結果進行評價；HM5.2在計算機應用領域復雜工程問題求解過程中能夠正確選擇與使用恰當的儀器、信息資源、工程工具和專業模擬軟件，對復雜工程問題進行分析、計算與設計；H注：用“√”方式描述課程目標與畢業要求指標點的支撐關系。五、教學內容、實施方法和手段表5-1教學內容與進度要求章節小節內容要求具體要求學生成果目標學時第一章計算機系統概論1.1計算機系統簡介認知了解計算機系統軟件硬件基本概念、層次結構了解計算機系統的層次結構121.2計算機的基本組成對馮?諾伊曼計算機基本組成概要的認識，初步認識計算機內部的工作過程。了解計算機組成框圖1.3計算機硬件的主要技術指標了解計算機硬件的主要技術指標如何評價系統性能第二章計算機的發展及應用2.1計算機的發展史認知了解計算機的產生、發展的簡要歷史，目前的應用領域和展望了解計算機換“代”的依據、摩爾定律122.2計算機的應用2.3計算機的展望第三章系統總線3.1總線的基本概念認知總線概念、功能，信息傳送方式（串行和并行）了解總線概念、串行/并行通信123.2總線的分類理解區分片內總線、系統總線、通信總線區分三類總線13.3總線特性及性能指標分析了解總線特性、性能指標及常用總線標準會計算總線數據傳輸率、帶寬13.4總線結構認知單總線、多總線結構，總線結構舉例了解總線的不同連接方式及特點123.5總線控制理解判優控制（鏈式查詢、計數器定時查詢、獨立請求方式）和通信控制（同步、異步、半同步、分離式）掌握總線判優控制和通信控制特點及原理1第四章存儲器4.1概述理解存儲器分類，存儲系統層次結構的概念，了解緩存-主存（提高速度）和主存-輔存層次（擴大容量）的作用理解存儲系統層次結構的原理和特點114.2主存儲器分析半導體存儲芯片的外特性以及與CPU的連接會設計存儲系統（字、位擴展）234.3高速緩沖存儲器程序訪問的局部性原理與存儲系統層次結構的關系。會分析三種主存-緩存地址映射方式22第五章輸入輸出系統5.1概述理解I/O系統組成、I/O設備和主機的聯系方式（程序查詢、程序中斷和DMA）三種方式CPU工作效率比較10.55.2I/O設備認知常用的鍵盤、顯示器、打印機等設備與主機信息交換的方式了解它們如何與主機通信115.3I/O接口接口的功能和組成、分類了解接口的功能和組成、分類11.55.4程序查詢方式理解理解程序查詢方式原理和步驟掌握三種控制方式特點以及各自所需的硬件及軟件支持215.5程序中斷方式理解程序中斷方式原理和步驟、中斷向量的概念、單重中斷和多重中斷的服務流程215.6DMA方式理解DMA與主存交換數據的三種方法各自的特點。21第六章計算機的運算方法6.1無符號數和有符號數理解機器數與真值的區別、數的符號表示、小數點表示、各種機器數(原碼、補碼、反碼、移碼)的應用場合及其與真值的相互轉換掌握數的表示和相互轉換20.56.2數的定點表示和浮點表示給定機器字長，定點和浮點中各種機器數的表示范圍理解數的表示方法和范圍20.56.3定點運算理解移位運算的特殊作用，不同機器數的移位規則。能進行定點補碼加、減（溢出判斷），原碼一位乘法運算能進行簡單運算226.4浮點四則運算掌握浮點補碼加減運算、規格化、溢出判斷能進行簡單運算226.5算術邏輯單元理解ALU電路功能，了解如何提高運算器的速度（快速進位鏈的設計）理解ALU功能，了解快速進位鏈的設計21第七章指令系統7.1機器指令分析理解機器指令的一般格式以及指令字中各字段的作用，理解擴展操作碼技術能按要求設計指令系統227.2操作數類型和操作類型認知操作數類型、數據在存儲器中的存放方式、操作類型了解指令操作數類型和操作類型217.3尋址方式分析理解不同的地址格式對訪存次數、尋址范圍的影響理解不同的尋址方式對操作數的尋址范圍、所需的硬件支持、信息加工流程以及編程的影響會分析如何得到操作數，有效地址（EA）的形成227.4指令格式舉例認知設計指令格式考慮的因素了解常見的幾種指令格式20.57.5RISC技術RISC的主要特點及其與CISC的區別會對比RISC和CISC20.5第八章CPU的結構和功能8.1CPU的結構認知了解CPU的內部結構、功能和硬件組成了解CPU的內部結構和功能218.2指令周期理解理解指令周期的基本概念、數據流理解CPU工作周期和指令周期的概念228.3指令流水掌握指令流水技術理解指令流水原理218.4中斷系統分析理解中斷系統的原理和步驟會分析中斷屏蔽字和優先級22第九章控制單元的功能9.1微操作命令的分析分析理解不同的指令控制單元應發出哪些不同的操作命令。控制單元在不同指令的取指、間址和中斷周期中發出哪些相同的操作命令（控制信號）會分析指令對應的控制信號329.2控制單元的功能掌握多級時序系統的作用、控制單元的控制方式。會計算指令周期、機器周期、時鐘周期32第十章控制單元的設計10.1組合邏輯設計綜合能結合時序系統的概念，對不同指令相應的微操作命令安排節拍。掌握組合邏輯控制單元的設計思想、設計步驟、硬件組成及其工作原理。能分析得到微指令的控制方式(編碼方式)及后續微指令地址的形成方式。3210.2微程序設計掌握微程序控制單元的設計思想、設計步驟、硬件組成及其工作原理，比較兩種控制單元微操作命令節拍安排的區別能確定微指令格式,編寫微指令的碼點34表5-2實驗教學內容與進度要求序號實驗/上機項目實驗內容與方法實驗類型學時必做/選做課程目標1全加器實驗掌握全加器的邏輯結構和電路實現方法驗證2必做12運算器實驗掌握算術邏輯運算功能發生器74LS181的組合功能驗證2必做13存儲器實驗掌握靜態隨機存取器RAM6116的工作特性及數據讀寫方法驗證2必做14總線與微命令實驗理解總線的概念和作用，掌握微命令和微操作的概念和設計設計2必做25累加器實驗理解累加器的概念和作用，掌握使用微命令執行各種操作的方法設計2必做26程序計數器實驗理解程序計數器的作用，掌握使用微命令通過程序計數器從存儲器讀取指令和數據的方法設計2必做27微程序控制器實驗掌握指令操作碼與控制存儲器中微程序的對應方法，熟悉根據指令操作碼從控制存儲器中讀出微程序的過程。設計2必做38簡單模型機實驗通過總線將微程序控制器和運算器、存儲器等連接，組成一臺簡單模型機綜合2必做3表5-3課堂分組討論教學內容序號討論內容討論時間分組人數課程目標1指令格式分析，指令尋址方式和操作數尋址方式15-20分鐘3-532指令執行的步驟及執行原理，控制信號如何控制計算機各部件工作15-20分鐘3-53六、課程思政表6-1課程思政案例序號案例名稱所屬章節/實驗實踐項目案例教學目標、原理案例教學內容1存儲系統層次結構第四章存儲器目標：計算機組成的發展規律、設計方法學原理：內因與外因、整體與部分、矛盾分析存儲系統層次結構由寄存器、Cache、主存、磁盤、光盤、磁帶等不同的存儲介質組成。每一種都有缺點，但是組合在一起作為一個整體，可以達到速度快、容量大、價格便宜的要求。2RISC設計思路第七章指令系統目標：計算機組成的發展規律、設計方法學原理：矛盾分析、內因與外因RISC的設計初衷針對CISC

CPU復雜的弊端，選擇一些可以在單個CPU周期完成的指令，以降低CPU的復雜度，將復雜性交給編譯器。3美國制裁中興、華為事件第八章CPU的結構和功能目標：計算機組成的價值評判原理：矛盾分析、內因與外因、價值觀、人生觀只有從源頭上掌握芯片核心技術，從設計到制造都有自主知識產權，才能不受制于人。落后就要挨打。注：課程思政案例每門課程根據課程內容實際情況加設，每門課程至少3-5個。七、考核及成績評定方式1.課程考核方法為了易于課程目標的達成評價，要求考試考核內容針對課程目標設計，本課程考核采用分課程目標對應的模塊化考核方法。課程考核及各模塊的命題須經課程責任教授、專業負責人、學院教學指導委員會根據《湖南文理學院考試命題質量分析及合理性評價審核表》，就考核內容是否體現能力要素考核、與課程目標要求的能力要素一致性、與教學內容相匹配度等進行審核。各模塊考核成績評價對應課程目標達成情況，各課程目標達成的期望值設定為0.7，課程總成績與各課程目標的權重及組成如表7-1所示。表7-1課程目標的權重課程目標1課程目標2課程目標3課程總成績0.330.330.34100分2.考核內容及方式考核內容和考核方式見表7-2。表7-2考核內容和方式與課程目標的對應關系課程目標考核內容考核方式1.熟悉計算機各功能部件的基本組成及工作原理，掌握計算機的工作過程及各部分之間的聯系，建立起完整清晰的整機概念，為后續課程學習奠定良好的基礎。針對計算機系統中的復雜工程問題，運用所學的基礎知識和基本原理，建立數學模型，提出解決方案，并完成分析、比較等。課堂測試實驗期末考試2.在對硬件系統深刻理解的基礎上，掌握計算機整機系統的基本分析和設計方法，具備運用計算機組成概念對計算機硬件系統進行分析和設計的能力。實驗預習報告中關于實驗原理和實驗步驟的撰寫等；實驗過程中的分析設計能力；實驗報告中實驗方案的設計、實驗數據的記錄、處理和分析等。實驗期末考試3.通過課程學習和實踐，全面培養學生對計算機系統的認知能力、分析解決問題的能力和系統設計與創新能力以及團結協作的團隊精神。針對計算機系統中的實際問題，進行分析、設計、驗證，并能根據原理提出改進思路。實驗分組討論期末考試3.成績評定方法考核成績評定方法和成績分配見表7-3。表7-3考核成績評定方法表成績分配評價環節實驗（40%）8個實驗，針對目標1、2、3進行考核，每個實驗100分，計算平均值，乘以40%計入總成績；課堂測試（10%）3-5次測試，針對課程目標1進行考核，每次100分，計算平均值，乘以10%計入總成績；分組討論（10%）2-3次，針對課程目標3進行考核，每次100分，計算平均值，乘以10%計入總成績；期末考試（40%）期末考試：閉卷筆試，120分鐘，滿分100分。針對目標1、2、3進行考核，乘以40%計入總成績；4.成績評定標準實驗成績評定標準見表7-4。表7-4實驗成績評定標準課程目標評分標準（分）90-100（優）80-89（良）70-79（中）60-69（及格）0-59（不及格）1,2,3獨立完成實驗，并能解決實驗過程中出現的問題；能夠獨立完成預習報告的撰寫，內容全面；能夠詳細記錄實驗過程，對實驗數據進行正確分析、討論，并能得到有效結論。獨立完成實驗，并能解決實驗過程中出現的部分問題；能夠獨立完成預習報告的撰寫，內容比較全面；實驗過程記錄比較詳細，分析、討論比較得當，并能得到有效結論。在同學、老師的幫助下完成實驗步驟；能夠獨立完成預習報告的撰寫，內容基本全面；實驗過程記錄基本詳細，分析、討論基本得當，能夠得到部分有效結論。在同學、老師的幫助下完成實驗步驟；能夠獨立完成預習報告的撰寫，內容不夠全面；實驗過程記錄不夠詳細，分析、討論不夠得當，實驗結論不夠合理。未做實驗或未交實驗報告5.