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（英文）Computer Organization

課程編碼

20H22165

課程性質

t必修 ￡選修

課程類型

￡通識教育 ￡大類教育 t專業(yè)教育 ￡師范教育

所屬模塊（通識選修課填寫，限選1項）

￡創(chuàng)新創(chuàng)業(yè) ￡藝術修養(yǎng) ￡文化傳承 ￡社會研究

￡科學思維 ￡多元文化 ￡道德推演

適用專業(yè)

軟件工程

開課部門

軟件學院

課程負責人

曲超

學時學分

學分:3

總學時:48

理論:48

實驗:

實踐:

授課語言

中文

先修課程

計算機科學技術導論；C語言程序設計

LO1

1. 數(shù)理基礎能力:具有從事軟件工程工作所需的數(shù)學、自然科學、以及應用數(shù)學基礎解決實際問題的能力。

1.1 掌握數(shù)學、自然科學的基本原理和專業(yè)知識，包括基本概念和基本方法。

L

1.2能夠應用自然科學理論和數(shù)學基礎解決實際問題。

LO1、LO2、LO3

2. 專業(yè)理論基礎能力:具有扎實掌握計算機基礎理論知識和軟件工程專業(yè)核心知識的能力。

2.1 掌握計算機理論基礎和軟件工程專業(yè)知識，包括基本概念和基本方法。

H

2.2 能夠將計算機理論基礎和軟件工程專業(yè)知識用于復雜軟件工程問題的表述、建模和求解。

2.3能夠將計算機理論基礎和軟件工程專業(yè)知識用于復雜軟件工程問題解決方案的比較和綜合。

LO2、LO3

3. 專業(yè)實踐能力:具有從事軟件系統(tǒng)研究、設計、開發(fā)、測試、管理和服務的能力。

3.1 熟練掌握軟件生命周期各階段的設計方法和開發(fā)技術，具備軟件設計開發(fā)能力。

H

3.2 能夠基于科學原理，根據(jù)對象特征，選擇研究路線，設計實驗方案。

能夠理解計算機系統(tǒng)結構、軟硬件體系結構或其他能夠影響軟件設計目標和技術方案的相關工程因素

3.3 能夠針對需求和目標，完成軟件系統(tǒng)的設計并在設計中體現(xiàn)創(chuàng)新意識

LO6

4. 管理與協(xié)作的能力:具有項目組織管理能力、有效溝通和人際交往能力、以及團隊合作能力。

4.1 理解個人與團隊利益的一致性，具有合作精神，能夠與軟件項目團隊內成員有效溝通，合作共事。

L

4.2 能夠依據(jù)相關的工程標準及技術規(guī)范，針對復雜軟件工程問題的解決方案與同學、同行及公眾進行有效溝通，包括撰寫報告、設計文稿、陳述觀點、表達意見以及準確回應提問等。

4.3 能夠在軟件項目團隊合作中獨立思考并承擔不同團隊角色的相應職責，具備有效運作、組織協(xié)調能力。

LO4

5. 新技術應用能力:具備發(fā)掘、分析、應用新理論和新技術手段，解決軟件工程相關的復雜且整合性信息問題的能力。

5.1 理解軟件工程專業(yè)常用現(xiàn)代工程工具、信息技術工具的使用原理和方法，并能夠理解其局限性。

H

5.2 能夠應用工程原理和專業(yè)知識，借助文獻研究，分析復雜軟件工程問題的解決途徑及其合理性，并獲得有效結論。

5.3 能夠開發(fā)、選擇和使用恰當?shù)默F(xiàn)代工程工具和信息技術工具，對復雜軟件系統(tǒng)進行分析、設計與構建。

LO4、LO6

6. 可持續(xù)自我學習能力:具有寬廣的國際視野、跨領域學習、以及適應發(fā)展的能力。

6.1 掌握一門外語，具有一定的聽說、讀寫譯能力；能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。

H

6.2 了解專業(yè)領域的國際發(fā)展趨勢、 研究熱點，理解和尊重世界不同文化的差異性和多樣性。

6.3 具有一定的自主學習能力，包括掌握新技術和新方法的能力、總結歸納知識經驗的能力以及提出問題的能力。

6.4 能夠理解復雜軟件工程問題的專業(yè)實踐對環(huán)境以及社會可持續(xù)發(fā)展的影響，評價產品周期中可能對人類和環(huán)境造成的損害和隱患。

LO5

7. 工程素質與職業(yè)道德:具備專業(yè)倫理和社會責任，了解與軟件工程相關的法律、法規(guī)、方針、以及政策。

7.1 能夠理解并遵守軟件工程的相關職業(yè)道德、軟件行業(yè)規(guī)范和法律法規(guī)，能夠在軟件工程實踐中堅守職業(yè)操守，盡職盡責做好本職工作。

L

7.2 能夠理解并遵守軟件工程的相關職業(yè)道德、軟件行業(yè)規(guī)范和法律法規(guī)，能夠在軟件工程實踐中堅守職業(yè)操守，盡職盡責做好本職工作。

7.3 能夠在軟件模塊或系統(tǒng)設計中考慮社會、健康、安全、法律、文化及環(huán)境等制約因素。

7.4 能夠理解軟件工程師對公眾的安全、健康、福祉和環(huán)境保護的社會責任，能夠在軟件工程實踐中自覺履行責任。

主要內容

1、介紹計算機的發(fā)展歷程、計算機分代標志；

2、計算機系統(tǒng)的基本組成；

3、計算機系統(tǒng)的層次結構；

4、程序開發(fā)與執(zhí)行過程；

5、計算機系統(tǒng)性能評價。

課程思政融入:

在介紹計算機發(fā)展歷程中，通過介紹量子計算機以及我國在此領域的最新研究進展，激發(fā)學生的學習好奇心和民族自信心，提倡科技強國的教育理念。在介紹芯片生產加工工藝時，也介紹一下我國生產芯片的現(xiàn)狀和能力，發(fā)展的瓶頸在哪里；這些在培養(yǎng)學生們的憂患意識、危機意識上，加一點。

學習目標

1.簡單了解計算機的發(fā)展歷程、計算機分代標志、摩爾定律的內容。

2.了解計算機系統(tǒng)中硬件和軟件的基本概念及其相互關系。

3.了解馮諾依曼結構計算機的特點，以及計算機硬件的基本組成和各部件功能。

4.了解程序開發(fā)和執(zhí)行過程，理解各種語言處理程序的概念。

5.理解計算機系統(tǒng)的層次化結構

6.了解如何對計算機的性能進行測量和評價

7.了解有哪些因素會影響計算機的性能

學生課前閱讀材料與其他準備

1. 必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第1章 計算機系統(tǒng)概述

2. 選讀書目:

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第1章 計算機系統(tǒng)概述

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

1、計算機的主要工作是什么?計算機要處理的是什么?計算機處理的結果是什么?

2、計算機系統(tǒng)的性能應該怎么評測?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

以理論介紹為主，并結合案例來理解相關內容。

課后作業(yè)

課后習題1.2，1.3，1.5，1.6

單元二:第2章 數(shù)據(jù)信息的表示

2.1 ~ 2.2

學時:3

支撐課程目標:L01、L03、L06

主要內容

1、數(shù)的機器碼表示

2、定點數(shù)表示

3、浮點數(shù)表示

課程思政融入:

在介紹計算機編碼時，提出思考問題，為什么要有各種不同的編碼。多種編碼是為了應對不同實際需求，舊有編碼存在弱點，新增的編碼改善了弱點。在此，培養(yǎng)學生實事求是、與時俱進的思想意識，培養(yǎng)學生的優(yōu)化意識。

IEEE754浮點數(shù)標準，設計精妙，堪稱發(fā)明。在贊美IEEE754標準的精妙中，自然而然地培養(yǎng)學生對知識的崇拜，激發(fā)他們的好學之情。

學習目標

1.了解真值和機器數(shù)的含義

2.了解無符號整數(shù)的含義、用途和表示

3.了解帶符號整數(shù)的表示方法

4.理解為什么現(xiàn)代計算機都用補碼表示帶符號整數(shù)

5.掌握在真值和各種編碼表示數(shù)之間進行轉換的方法

6.了解浮點數(shù)表示格式及其與表示精度和表示范圍之間的關系

7.掌握規(guī)格化浮點數(shù)的概念和浮點數(shù)規(guī)格化方法

8.掌握IEEE754浮點數(shù)標準，并能在真值與單精度格式浮點數(shù)之間進行轉換

9.能運用數(shù)據(jù)表示知識理解和解決高級語言編程中數(shù)據(jù)表示和轉換問題

10.掌握常用的十進制數(shù)的二進制編碼方法，如8421碼

學生課前閱讀材料與其他準備

1.必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第2章 數(shù)據(jù)信息的表示 2.1-2.2

2.選讀書目:

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，

第2章 數(shù)據(jù)的機器級表示 2.1-2.2

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

1、整數(shù)怎么用二進制表示?

2、一般編程語言的整數(shù)范圍由什么決定的?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt，詳細分析講解各種無符號整數(shù)、有符號整數(shù)、浮點數(shù)的編碼方法。

課后作業(yè)

課后習題2.2，2.3.1-2.3.4，2.4-2.14,

單元三:第二章 數(shù)據(jù)信息的表示

2.3 ~ 2.4

學時:3

支撐課程目標:L01、L02、L03

主要內容

1、非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼表示

2、碼距與校驗

3、奇偶校驗

4、海明校驗

5、循環(huán)冗余校驗

學習目標

1. 了解邏輯數(shù)據(jù)、西文字符和漢字字符的常用表示方法

2. 了解大端和小端排列方式，以及數(shù)據(jù)的對齊存儲方式

3. 掌握奇偶校驗和海明校驗的基本原理

4. 掌握CRC碼校驗位的計算和檢錯方法

學生課前閱讀材料與其他準備

1.必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第2章 數(shù)據(jù)信息的表示 2.3-2.4

2.選讀書目:

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第2章 數(shù)據(jù)的機器級表示 2.3-2.7

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

非數(shù)值數(shù)據(jù)有哪些類型、覺得應該是如何表示的?因為外界干擾，導致數(shù)據(jù)出錯應該用什么辦法來解決?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt，詳細分析講解奇偶校驗、海明校驗和CRC碼校驗。

課后作業(yè)

課后習題:2.3.5-2.3.10，2.15-2.18

單元四:第三章 運算方法和運算器

3.1 ~ 3.3

學時:3

支撐課程目標:L01、L02、L03、L04、L05、L06

主要內容

1、計算機中的運算

2、定點加減法運算

3、定點乘法運算

課程思政教育:基本運算部件的核心是加法器，加法器的原型由最初的簡單設計通過不斷改進，性能不斷提高，性能提高的同時也付出了相應的代價。在培養(yǎng)學生們權衡利弊的能力上加一點。運算部件是以加法器為基礎，逐步擴展開來，雖然運算部件整體看非常復雜，但是它也是一步一步擴展起來的。在此，強化培養(yǎng)學生們腳踏實地、不要畏難、積沙成塔的道德情感。

學習目標

1. 了解高級程序設計語言和低級程序設計語言中涉及的各種運算。

2. 掌握定點數(shù)的邏輯移位、算數(shù)移位和擴展操作方法。

3. 了解原碼加減運算的基本原理。

4. 掌握補碼加減運算方法，并能設計補碼加減運算器。

5. 了解定點數(shù)乘法和除法運算的基本思想。

6. 了解專用的陣列乘法器和陣列除法器的基本思想

7. 理解為何在運算中會發(fā)生溢出，并掌握各種定點數(shù)運算的溢出判斷方法。

學生課前閱讀材料與其他準備

1.必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第3章 運算方法與運算器 3.1-3.3

2.選讀書目:

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第3章 運算方法和運算部件 3.1-3.3

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

1、加減乘除運算是否可以轉化為類型更少操作更簡單的更基本運算?

2、定點數(shù)的幾種編碼形式如何實現(xiàn)加減乘除運算?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt，詳細分析講解補碼加減法運算方法及運算器、定點數(shù)乘法和除法運算及運算器。

課后作業(yè)

課后習題:3.2，3.4-3.7

單元五:第三章 運算方法和運算器

3.4~ 3.6

學時:3

支撐課程目標:L01、L03、L06

主要內容

1、定點除法運算

2、浮點運算

3、運算器

課程思政教育:浮點數(shù)的運算是相對復雜的，但是它是可以分解為定點數(shù)的運算來實現(xiàn)。在強化培養(yǎng)學生積沙成塔的道德情感上，加一點

學習目標

1. 掌握浮點數(shù)加減運算過程和方法。

2. 理解IEEE754

3. 標準對附加位的添加以及舍入模式等方面的規(guī)定。

4. 了解浮點數(shù)乘法和除法運算的基本思想。

5. 掌握算術邏輯單元的功能和結構。

6. 了解浮點數(shù)加減運算器的基本結構

學生課前閱讀材料與其他準備

1.必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第3章 運算方法與運算器 3.4-3.6

2.選讀書目:

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第3章 運算方法和運算部件 3.4-3.5

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

浮點數(shù)的加減乘除運算是如何實現(xiàn)的?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt，詳細分析講解浮點數(shù)加減運算過程和方法、IEEE754標準對附加位的添加以及舍入模式等方面的規(guī)定。

課后作業(yè)

課后習題:3.3，3.8-3.12

單元六:第4章 存儲系統(tǒng)

4.1 ~4.4

學時:3

支撐課程目標:L02、L04、L05、L06

主要內容

1、存儲器概述

2、半導體存儲器

3、主存的組織及其與CPU的連接

4、并行主存系統(tǒng)

課程思政教育:提出問題，為什么存儲器體系要有分層結構。強化培養(yǎng)學生們的優(yōu)化意識。

學習目標

1. 了解存儲器的各種分類方法

2. 熟悉主存儲器的基本邏輯結構

3. 了解SRAM和DRAM芯片的內部結構。

4. 了解各種只讀存儲器的特點。

5. 掌握存儲芯片擴展技術及其與CPU的連接方式。

了解多體交叉編址存儲器的基本原理。

學生課前閱讀材料與其他準備

1.必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第4章 存儲系統(tǒng) 4.1-4.3

2.選讀書目:

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第7章 存儲器分層體系結構 7.1-7.3

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

1、存儲器體系為什么要有分層結構?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt、練習題，詳細分析講解SRAM和DRAM的區(qū)別、存儲芯片擴展技術、交叉編址。

課后作業(yè)

課后習題:4.2.1-4.2.10，4.4-4.10

單元七:第4章 存儲系統(tǒng)

7.5 ~ 7.6

學時:3

支撐課程目標:L01、L02、L03、L04、L06

主要內容

1、高速緩沖存儲器

2、虛擬存儲器

課程思政教育:提出問題，RAM是為了解決什么問題而提出，達到了什么效果。RAM是一個系統(tǒng)性能優(yōu)化的措施。在強化培養(yǎng)學生們的優(yōu)化意識上，加一點。

學習目標

1. 深刻理解程序訪問的局部性原理

2. 掌握cache的基本原理與實現(xiàn)方式、包括映射方式、替換算法、寫策略。

3. 理解為何采用虛擬存儲器管理方式。

4. 理解什么虛擬地址和虛擬地址空間。

5. 掌握虛擬地址向物理地址轉換的基本原理與實現(xiàn)技術。

6. 了解頁表的功能和頁表項的內容

7. 了解“缺頁”異常的發(fā)現(xiàn)和處理過程。

8. 掌握TLB的結構和實現(xiàn)技術

9. 掌握一次存儲訪問的全過程，并深刻理解在此過程中硬件和軟件之間的分工協(xié)作方式。

學生課前閱讀材料與其他準備

1.必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第4章 存儲系統(tǒng) 4.5-4.6

2.選讀書目:

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第7章 存儲器分層體系結構 7.4-7.7

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

1. 思考問題:

Cache與主存之間的映射方式有幾種?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt、練習題，詳細分析講解cache原理。

課后作業(yè)

課后習題:4.2.11-4.2.19，4.3，4.11-4.19

單元八:第5章 指令系統(tǒng)

5.1~ 5.3

學時:3

支撐課程目標:L01、L02、L03、L06

主要內容

1、指令系統(tǒng)概述

2、指令格式

3、尋址方式

課程思政教育:提出思考，指令格式設計的原則是什么，受到哪些條件的限制，又是為了解決哪些問題而進行了哪些設計思考。啟發(fā)學生由果思因，培養(yǎng)學生進行知識鏈接、靈活運用知識的能力。

學習目標

1. 理解引入高級語言、匯編語言和機器語言的目的。

2. 了解“存儲程序”工作方式的內涵。

3. 了解指令的基本格式及其設計原則。

4. 理解定長操作碼指令的特點。

5. 理解擴展操作碼指令格式的設計方法。

6. 理解指令尋址和有效地址的概念。

7. 理解各種常見尋址方式的含義和應用場景。

8. 理解指令中地址碼的位數(shù)與主存容量、最小尋址單元之間的關系。

9. 理解數(shù)據(jù)尋址和指令尋址的差別。

10. 理解CISC和RISC的區(qū)別和各自特點。

學生課前閱讀材料與其他準備

1.必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第5章 存儲系統(tǒng) 5.1-5.3

2.選讀書目:

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第4章 指令系統(tǒng) 4.1-4.2

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

1、指令系統(tǒng)的尋址方式有哪些種，為什么要有這么多種，每種都是針對怎樣的運算進行設計的?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt，詳細分析講解指令格式設計、指令系統(tǒng)設計中的相關問題。

課后作業(yè)

課后習題:5.2.1-5.2.8，5.4-5.8

單元九:第5章 指令系統(tǒng)

5.4~ 5.7

學時:3

支撐課程目標:L01、L03、L06

主要內容

1、指令類型

2、指令格式設計

3、CISC和RISC

4、指令系統(tǒng)舉例

課程思政教育:指令系統(tǒng)是《計算機組成原理》的核心知識點。在介紹指令系統(tǒng)實例時，也介紹我國的操作系統(tǒng)現(xiàn)狀，講清楚為什么我們國家在此環(huán)節(jié)上還是比較薄弱，都牽扯到哪些問題，從而增強學生們的憂患意識和危機意識。

學習目標

1. 了解指令系統(tǒng)實例

2. 掌握MIPS匯編語言和機器語言

3. 掌握選擇結構的MIPS機器代碼表示

4. 掌握循環(huán)結構的MIPS機器代碼表示

5. 掌握過程調用的MIPS機器代碼表示

學生課前閱讀材料與其他準備

1.必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第5章 存儲系統(tǒng) 5.4-5.7

2.選讀書目:

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第4章 指令系統(tǒng) 4.3-4.4

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

為什么會有不同類型的指令系統(tǒng)，為什么指令系統(tǒng)不能統(tǒng)一?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt、練習題，詳細分析講解MIPS匯編語言及典型編程結構的機器代碼實現(xiàn)。

課后作業(yè)

課后習題:5.2.9-5.2.13，5.3，5.9-5.13

單元十:第6章 中央處理器

6.1~ 6.3

學時:3

支撐課程目標:L01、L02、L03、L06

主要內容

1、中央處理概述

2、指令周期

3、數(shù)據(jù)通路的基本結構

4、單周期處理器設計

課程思政教育:從ALU和指令系統(tǒng)到CPU，這樣一個逐步生長構造的過程。強化培養(yǎng)學生的積沙成塔的道德情感，培養(yǎng)學生不畏難的精神，培養(yǎng)學生化繁為簡的能力，增強其自信心。

學習目標

1. 理解CPU的功能

2. 理解一條指令的基本執(zhí)行過程

3. 理解指令周期、機器周期、時鐘周期的概念

4. 了解數(shù)據(jù)通路的基本組成。

5. 了解數(shù)據(jù)通路中組合邏輯部件和時序邏輯部件的差別。

6. 了解ALU在數(shù)據(jù)通路中的功能。

7. 了解數(shù)據(jù)運算過程。

8. 了解實現(xiàn)條件轉移和無條件轉移的數(shù)據(jù)通路。

9. 理解如何確定單周期數(shù)據(jù)通路的時鐘周期。

學生課前閱讀材料與其他準備

1.必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第6章 存儲系統(tǒng) 6.1-6.3

2.選讀書目:

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第5章 中央處理器 5.1-5.2

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

1、在了解了數(shù)據(jù)如何存儲、指令如何編制以后，那么如何讓指令連續(xù)的運行起來呢?時序上要如何進行設計呢?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt、練習題，詳細分析講解單周期處理器的數(shù)據(jù)通路的搭建過程。

課后作業(yè)

課后習題:6.2.1-6.2.6，6.4-6.6

單元十一:第五章 中央處理器

6.4~ 6.5

學時:3

支撐課程目標:L01、L02、L03、L04、L05

主要內容

（1）多周期處理器狀態(tài)轉換圖

（2）多周期處理器的硬連線路控制器設計

學習目標

1. 理解多周期數(shù)據(jù)通路與單周期數(shù)據(jù)通路的差別

2. 理解各個控制信號的含義、控制點以及在各指令中的取指。

3. 掌握如何用組合邏輯設計方法實現(xiàn)硬布線控制器。

學生課前閱讀材料與其他準備

1. 必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第6章 存儲系統(tǒng) 6.4-6.5

2.選讀書目:

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第5章 中央處理器 5.2-5.3

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

單周期處理器與多周期處理器的設計出發(fā)點上的區(qū)別在哪里。

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課后習題:6.2.7，6.8-6.17

課后作業(yè)

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt、練習題，詳細分析講解多周期處理器的狀態(tài)轉換過程中涉及到的數(shù)據(jù)通路及控制信號、多周期處理器的硬連線路控制器設計。

單元十二:第五章 中央處理器

6.6~ 6.7

學時:3

支撐課程目標:L01、L03、L06

主要內容

1、微程序控制器設計

2、異常和中斷處理

課程思政教育:講到異常和中斷處理，向學生聲明任何系統(tǒng)都存在著弱點，如何通過查缺補漏來進行解救。培養(yǎng)學生的危機意識，大局意識。

學習目標

1. 了解利用微程序設計方式實現(xiàn)微程序控制器的基本原理

2. 理解內部異常和外部中斷的概念

3. 理解為什么在設計處理器時必須考慮異常和中斷的處理。

4. 了解如何在數(shù)據(jù)通路設計中考慮異常和中斷的處理。

5. 理解內部異常和外部中斷的區(qū)別。

學生課前閱讀材料與其他準備

1. 必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第6章 存儲系統(tǒng) 6.6-6.7

2.選讀書目

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第5章 中央處理器 5.4-5.5

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

1、微程序控制器設計的基本思想是什么?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt、練習題，詳細分析講解多周期處理器的微程序控制器設計、異常和中斷處理方法。

課后作業(yè)

課后習題:6.2.8-6.2.10，6.3，6.18-6.25

單元十三:第7章 指令流水線

7.1 ~ 7.2

學時:3

支撐課程目標:L02、L04、L05、L06

主要內容

1、流水線的概念

2、流水線數(shù)據(jù)通路

課程思政教育:講到流水線這里，強調人類為了不斷地提高計算機的性能，嘗試了各種辦法。在強化培養(yǎng)學生們的優(yōu)化意識上，加一點。

學習目標

1. 理解指令流水的一般概念

2. 了解適合流水執(zhí)行的指令集特征。

3. 掌握流水數(shù)據(jù)通路的實際方法。

4. 了解流水線控制器的設計原理

5. 理解流水線冒險的基本概念。

學生課前閱讀材料與其他準備

1.必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第7章 指令流水線 7.1-7.2

2.選讀書目

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第6章 指令流水線 6.1-6.2

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

1、什么樣的指令格式更適合流水線方式?

2、采用流水線方式能使一條指令的執(zhí)行時間更短嗎?

3、流水線方式下，如何確定流水段的個數(shù)?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt、練習題，詳細分析講解流水線CPU設計。

課后作業(yè)

課后習題:7.2.1-7.2.3，7.3

單元十四:第7章 指令流水線

7.3 ~ 7.5

學時:3

支撐課程目標:L02、L04、L05、L06

主要內容

1、流水線沖突與處理

2、流水線異常與中斷

3、指令級并行技術

課程思政教育:講到流水線這里，強調人類為了不斷地提高計算機的性能，嘗試了各種辦法。在強化培養(yǎng)學生們的優(yōu)化意識上，加一點。

學習目標

1. 理解流水線冒險的基本概念。

2. 了解結構冒險的概念和處理策略。

3. 了解數(shù)據(jù)冒險的概念

4. 了解運用轉發(fā)技術解決數(shù)據(jù)冒險的基本原理

5. 了解load-use數(shù)據(jù)冒險的概念和處理策略。

6. 了解控制冒險的概念和引起控制冒險的幾種原因。

7. 了解靜態(tài)分支預測和動態(tài)分支預測的基本原理。

8. 了解異常和中斷對流水線的影響。

學生課前閱讀材料與其他準備

1.必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第7章 指令流水線 7.3-7.5

2.選讀書目

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016，第6章 指令流水線 6.3

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

1、什么樣的指令格式更適合流水線方式?

2、采用流水線方式能使一條指令的執(zhí)行時間更短嗎?

3、流水線方式下，如何確定流水段的個數(shù)?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt、練習題，詳細分析講解流水線CPU設計。

課后作業(yè)

課后習題:7.2.4-7.2.10，7.4-7.16

單元十五:第8章 總線系統(tǒng)

8.1 ~8.4

學時:3

支撐課程目標:L02、L04、L05、L06

主要內容

1、總線概述

2、總線傳輸機制

3、總線結構

4、常用總線

學習目標

1. 了解總線分類、組成、標準

2. 了解三態(tài)門

3. 了解總線性能指標

4. 理解總線仲裁機制

5. 了解單總線、雙總線、三總線結構

6. 了解常用的片內總線、系統(tǒng)總線、I/O總線、外部總線

學生課前閱讀材料與其他準備

1.必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021，

第8章 指令流水線 8.1-8.4

2.選讀書目

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

1、存儲器體系為什么要有分層結構?

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

課堂以理論介紹為主，結合板書、ppt、練習題，詳細分析講解SRAM和DRAM的區(qū)別、存儲芯片擴展技術、交叉編址。

課后作業(yè)

習題冊:7.5單選題1-22，7.6分析應用題1、2、4、5

單元十六:全書回顧

學時:3

支撐課程目標:L01、L02、L03、L04、L05、L06

主要內容

1、梳理全書結構脈絡

2、總結計算機組成原理的重要知識要點

學習目標

1. 理解計算機的整體架構

2. 理解計算機組成的重要知識章節(jié)

3. 掌握計算機組成的全面概括

學生課前閱讀材料與其他準備

1. 必讀書目:

譚志虎，《計算機組成原理 微課版》（第1版），人民郵電出版社，2021

第8章 指令流水線 8.1-8.4

2.選讀書目

袁春風，《計算機組成與系統(tǒng)結構》（第2版），清華大學出版社，2016

Randal E.Bryant，Computer Systems:A Programmer’s Perspective，3rd Edition，Pearson出版，2016

3.思考問題:

總結計算機組成都涵蓋哪些內容。

4.其他課前準備:

課前預習

教學方式

梳理全書脈路、整體把握全書知識要點

課后作業(yè)

總結全書知識要點、復習全書重點習題

平時成績

包括課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)、出勤、大作業(yè)等

40

L01、L02、L03、L04、L05

期末考試

筆試，閉卷

60

L01、L02、L03

思政教育

學好知識就是最大的思政，看考試成績

L04、L05、L06