課程簡(jiǎn)介
Course Introduction
教學(xué)大綱
Teaching Syllabus
一、課程描述及目標(biāo)
《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門(mén)重要學(xué)科基礎(chǔ)課。它在先導(dǎo)課和后續(xù)課之間起著承上啟下的和繼往開(kāi)來(lái)的作用。該課程全面地介紹了計(jì)算機(jī)單機(jī)系統(tǒng)的組成原理及內(nèi)部工作機(jī)制，包括計(jì)算機(jī)各大部件的結(jié)構(gòu)、工作原理、邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法及其互連構(gòu)成計(jì)算機(jī)整機(jī)的相關(guān)技術(shù)。
該課程以需求分析引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建單機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)構(gòu)建好的系統(tǒng)進(jìn)行部件選擇、互連、測(cè)試等操作，最終可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)功能。本門(mén)課程在理論教學(xué)的基礎(chǔ)之上，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生在掌握基本原理的同時(shí)，可以通過(guò)具體的硬件實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行操作，最后通過(guò)相關(guān)模擬軟件構(gòu)件自己的理想系統(tǒng)。培養(yǎng)學(xué)生自主分析、理解問(wèn)題、舉一反三、融會(huì)貫通、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新精神的能力。
二、課程內(nèi)容
主要知識(shí)點(diǎn):
1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本概念
1.2 計(jì)算機(jī)硬件框圖
1.3 計(jì)算機(jī)工作過(guò)程
1.4 計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成，計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)，掌握計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程。
重點(diǎn):計(jì)算機(jī)的硬件框圖，計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程。
難點(diǎn):計(jì)算機(jī)如何區(qū)分同樣以0、1代碼的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的指令和數(shù)據(jù)。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)例演示。
參考案例:單機(jī)系統(tǒng)
講授學(xué)時(shí):3學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
2.1 總線的基本概念
2.2 總線結(jié)構(gòu)
2.3總線控制
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的總線的作用及類(lèi)別，掌握總線結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，熟練掌握總線在控制過(guò)程中如何判優(yōu)和通信。
重點(diǎn):總線結(jié)構(gòu)，總線控制。
難點(diǎn):總線結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響，總線判優(yōu)方法和通信控制。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)例演示。
參考案例:單機(jī)系統(tǒng)
講授學(xué)時(shí):3學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
3.1存儲(chǔ)器的分類(lèi)
3.2存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)
3.3主存儲(chǔ)器芯片介紹
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生存儲(chǔ)器的基本類(lèi)別，不同存儲(chǔ)器的功能和層次，掌握常用的主存儲(chǔ)器芯片特性和功能。
重點(diǎn):存儲(chǔ)器的分類(lèi)，存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)，RAM、ROM，芯片刷新。
難點(diǎn):不同尋址方式尋址范圍的確定，RAM的刷新。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)例演示、習(xí)題鞏固。
參考案例:2114、4116、2716芯片
講授學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
習(xí)題講解:1學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
4.1存儲(chǔ)器與CPU的連接
4.2主存儲(chǔ)器的校驗(yàn)
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟練掌握不同類(lèi)型存儲(chǔ)器與CPU連接時(shí)需要注意的事項(xiàng)，以及主存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)如何確保數(shù)據(jù)的正確性。
重點(diǎn):CPU與存儲(chǔ)器的連接，主存儲(chǔ)器的校驗(yàn)。
難點(diǎn):RAM和ROM芯片與CPU連接時(shí)有何區(qū)別，漢明碼形成及糾錯(cuò)。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)例演示、習(xí)題講解。
參考案例:2114、4116、2716芯片
講授學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
習(xí)題講解:1學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
5.1問(wèn)題的提出
5.2 Cache的工作原理和結(jié)構(gòu)
5.3 Cache-主存地址映射
5.4 替換策略
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解在系統(tǒng)中設(shè)置高速緩沖存儲(chǔ)器的目的，熟悉Cache的工作過(guò)程和基本結(jié)構(gòu)，學(xué)會(huì)并掌握如何實(shí)現(xiàn)Cache-主存的地址映射，熟練掌握常用的替換策略。
重點(diǎn):Cache的工作原理，Cache-主存地址映射。
難點(diǎn):在系統(tǒng)中設(shè)置Cache的原因，如何實(shí)現(xiàn)Cache-主存的地址映射。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、習(xí)題講解。
講授學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
習(xí)題講解:1學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
6.1輔助存儲(chǔ)器的類(lèi)別
6.2磁盤(pán)記錄方式
6.3 磁盤(pán)的校驗(yàn)方式
6.4光盤(pán)存儲(chǔ)器
6.5熟悉實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解在系統(tǒng)中增加輔助存儲(chǔ)器的必要性和重要性，不同輔助存儲(chǔ)器的功能和基本工作原理，掌握磁盤(pán)的幾種記錄方式，學(xué)會(huì)如何進(jìn)行磁盤(pán)中的數(shù)據(jù)校驗(yàn)。熟悉硬件實(shí)驗(yàn)箱的基本構(gòu)成和簡(jiǎn)單操作，同時(shí)讓學(xué)生提前熟悉后續(xù)實(shí)驗(yàn)所使用的軟件工具。
重點(diǎn):磁盤(pán)的記錄方式，磁盤(pán)的校驗(yàn)方法，磁盤(pán)的基本性能指標(biāo)，16位機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。
難點(diǎn):CRC校驗(yàn)碼，磁盤(pán)基本性能指標(biāo)的計(jì)算，動(dòng)手實(shí)踐。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、習(xí)題講解、動(dòng)手實(shí)踐。
講授學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
習(xí)題講解:1學(xué)時(shí)
實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
7.1無(wú)符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù)
7.2數(shù)的表示
7.3定點(diǎn)數(shù)的加減和邏輯運(yùn)算
7.4 16位機(jī)的加減、邏輯運(yùn)算
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示方法，學(xué)會(huì)并掌握定點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；并用實(shí)際的實(shí)驗(yàn)箱完成簡(jiǎn)單的加減運(yùn)算。
重點(diǎn):數(shù)的不同編碼，定點(diǎn)數(shù)的邏輯運(yùn)算，實(shí)驗(yàn)箱具體操作。
難點(diǎn):為什么在運(yùn)算的過(guò)程中要用補(bǔ)碼運(yùn)算，數(shù)要用不同的類(lèi)型表示，動(dòng)手實(shí)踐。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)例演示、習(xí)題講解、動(dòng)手實(shí)踐。
講授學(xué)時(shí):3學(xué)時(shí)
實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
8.1浮點(diǎn)數(shù)的基本表示
8.2浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算
8.3算術(shù)邏輯單元
8.4 16位機(jī)的移位運(yùn)算、標(biāo)志控制
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握浮點(diǎn)數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示方法，浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算過(guò)程，數(shù)的移位運(yùn)算和標(biāo)志控制。
重點(diǎn):浮點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算，算術(shù)邏輯單元，動(dòng)手實(shí)踐數(shù)的移位運(yùn)算和標(biāo)志控制。
難點(diǎn):浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算中的溢出判斷，算術(shù)邏輯單元的構(gòu)成，動(dòng)手實(shí)踐。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)例演示、動(dòng)手實(shí)踐。
講授學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
習(xí)題講解:1學(xué)時(shí)
實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
9.1定點(diǎn)數(shù)的乘除運(yùn)算
9.2 第6章習(xí)題講解
9.3軟件仿真實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生學(xué)會(huì)定點(diǎn)數(shù)的一位乘除法運(yùn)算，通過(guò)習(xí)題講解鞏固計(jì)算機(jī)中不同類(lèi)型數(shù)的基本運(yùn)算；學(xué)會(huì)使用一種軟件仿真工具實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的運(yùn)算器。
重點(diǎn):定點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算，軟件仿真。
難點(diǎn):定點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算過(guò)程中的移位操作，仿真軟件的使用。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)例演示、習(xí)題講解、動(dòng)手實(shí)踐。
講授學(xué)時(shí):1學(xué)時(shí)
習(xí)題講解:2學(xué)時(shí)
實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
10.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述
10.2 系統(tǒng)總線
10.3存儲(chǔ)器
10.4 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法
10.5 準(zhǔn)雙向I/O口實(shí)驗(yàn)
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程熟悉學(xué)生對(duì)已學(xué)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，為后續(xù)教學(xué)安排提供依據(jù)；掌握準(zhǔn)雙向I/O的輸入/輸出特性。
重點(diǎn):已學(xué)各章知識(shí)點(diǎn)，I/O特性操作實(shí)踐。
難點(diǎn):動(dòng)手實(shí)踐。
采用的教學(xué)方法:隨堂考核、動(dòng)手實(shí)踐。
考核學(xué)時(shí):3學(xué)時(shí)
實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
11.1 I/O系統(tǒng)的基本組成
11.2 I/O 與主機(jī)的聯(lián)系方式
11.3 I/O接口
11.4 地址、數(shù)據(jù)總線實(shí)驗(yàn)
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生I/O系統(tǒng)的基本組成，理解并掌握I/O與主機(jī)的聯(lián)系方式，掌握I/O接口的基本組成，建立“段”的概念并學(xué)會(huì)運(yùn)用，建立“奇偶”概念并領(lǐng)會(huì)字尋址中對(duì)字節(jié)操作的動(dòng)態(tài)定義。
重點(diǎn):I/O與主機(jī)的聯(lián)系方式，地址、數(shù)據(jù)總線實(shí)驗(yàn)。
難點(diǎn):處理I/O終端的各類(lèi)軟、硬件技術(shù)的運(yùn)用，DMA與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點(diǎn)，動(dòng)手實(shí)踐。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、動(dòng)手實(shí)踐。
講授學(xué)時(shí):3學(xué)時(shí)
實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
12.1I/O與主機(jī)交換信息的三種控制方式
12.2習(xí)題講解
12.3存儲(chǔ)器讀寫(xiě)實(shí)驗(yàn)
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解I/O與主機(jī)交換信息的三種控制方式的特點(diǎn)及區(qū)別，掌握CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求和DMA請(qǐng)求的時(shí)間；掌握存儲(chǔ)部件在計(jì)算機(jī)中的運(yùn)用。
重點(diǎn):I/O控制方式，存儲(chǔ)器運(yùn)用實(shí)驗(yàn)。
難點(diǎn):周期挪用的含義，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求和DMA請(qǐng)求的時(shí)間，動(dòng)手實(shí)踐。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)例演示。
講授學(xué)時(shí):3學(xué)時(shí)
習(xí)題講解:1學(xué)時(shí)
實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
13.1指令格式
13.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法
13.3尋址方式
13.4 指令總線運(yùn)用實(shí)驗(yàn)
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)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對(duì)訪存次數(shù)、尋址范圍的影響，理解并掌握不同的尋址方式對(duì)操作數(shù)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。建立“指令暫存”概念，領(lǐng)會(huì)“操作碼段”和“操作數(shù)段”的用途。
重點(diǎn):指令格式，尋址方式，指令總線運(yùn)用實(shí)驗(yàn)。
難點(diǎn):設(shè)計(jì)指令格式的方法，擴(kuò)展操作碼技術(shù)的運(yùn)用，動(dòng)手實(shí)踐。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)例演示。
講授學(xué)時(shí):3學(xué)時(shí)
實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
14.1RISC技術(shù)
14.2指令格式舉例
14.3講解第7章習(xí)題
14.4 綜合實(shí)驗(yàn)
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉RISC技術(shù)，掌握設(shè)計(jì)指令格式應(yīng)考慮的各種因素。通過(guò)簡(jiǎn)單模型機(jī)的基本操作，讓學(xué)生學(xué)會(huì)模型機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程和基本方法。
重點(diǎn):RISC技術(shù)，設(shè)計(jì)指令要考慮的因素，模型機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程和方法。
難點(diǎn):動(dòng)手實(shí)踐。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)例演示、習(xí)題講解。
講授學(xué)時(shí):1學(xué)時(shí)
習(xí)題講解:2學(xué)時(shí)
實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
主要知識(shí)點(diǎn):
15.1CPU結(jié)構(gòu)
15.2指令周期
15.3綜合實(shí)驗(yàn)
教學(xué)要求:通過(guò)本次課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握機(jī)器完成一條指令的全過(guò)程，以及如何提高數(shù)據(jù)的處理能力、開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的并行性所采取的基本技術(shù)。
重點(diǎn):CPU的功能和硬件組成，CPU工作周期和指令周期的概念，一個(gè)完整的指令周期中的信息流程，指令流水技術(shù)，中斷系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題和實(shí)施方案。
難點(diǎn):各種中斷技術(shù)，動(dòng)手實(shí)踐。
采用的教學(xué)方法:知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)例演示。
講授學(xué)時(shí):3學(xué)時(shí)
實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
教學(xué)內(nèi)容:隨堂復(fù)習(xí)各章知識(shí)點(diǎn)，針對(duì)學(xué)生疑問(wèn)答疑，實(shí)驗(yàn)課上對(duì)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行檢查。
講授學(xué)時(shí):1學(xué)時(shí)
答疑學(xué)時(shí):2學(xué)時(shí)
綜合實(shí)驗(yàn):2學(xué)時(shí)
布置時(shí)間:根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，可在講解第10次課時(shí)布置綜合實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生課下實(shí)踐，在第16次課驗(yàn)收綜合實(shí)驗(yàn)。
