一、課程描述及目標(biāo)

（一）課程描述

《計算機組成原理與實驗》是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、軟件工程專業(yè)的一門重要學(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來的作用。該課程全面地介紹了計算機單機系統(tǒng)的組成原理及內(nèi)部工作機制，包括計算機各大部件的結(jié)構(gòu)、工作原理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計方法及其互連構(gòu)成計算機整機的相關(guān)技術(shù)。

該課程以需求分析引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建單機系統(tǒng)，根據(jù)構(gòu)建好的系統(tǒng)進行部件選擇、互連、測試等操作，最終可以實現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)功能。本門課程在理論教學(xué)的基礎(chǔ)之上，增加實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生在掌握基本原理的同時，可以通過具體的硬件實驗箱進行操作，最后通過相關(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、理解問題、舉一反三、融會貫通、團隊協(xié)作、創(chuàng)新精神的能力。

（二）課程目標(biāo)

作為計算機類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，學(xué)完該門課程后，要求學(xué)生能夠達到以下學(xué)習(xí)目標(biāo):

1.掌握計算機硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成，各構(gòu)成部件的工作原理及實現(xiàn)的基本技術(shù)和方法，核心能力1.1、2.1。

2.具有使用仿真軟件實現(xiàn)簡單系統(tǒng)的設(shè)計能力，核心能力2.2。

3.通過分組合作形式鍛煉團隊合作能力，核心能力4.1.

4.及時了解國內(nèi)外計算機系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀以及最新關(guān)鍵技術(shù)，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣和能力。核心能力6.1、6.2。

5.通過課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)較好的學(xué)習(xí)習(xí)慣、職業(yè)規(guī)范。核心能力7.1。

二、課程內(nèi)容

（一）第1章 計算機系統(tǒng)概述

主要知識點:

1.1 計算機系統(tǒng)簡介

1.2 計算機的基本組成

1.3 計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)

教學(xué)要求:通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉計算機系統(tǒng)的構(gòu)成，計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)，掌握計算機的工作過程。

重點:計算機的硬件框圖，計算機的工作過程。

難點:計算機如何區(qū)分同樣以0、1代碼的形式存儲在存儲器中的指令和數(shù)據(jù)。

采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示。

參考案例:單機系統(tǒng)

講授學(xué)時:3學(xué)時

課后習(xí)題:1.2、1.5

（二）第3章 系統(tǒng)總線

主要知識點:

3.1 總線的基本概念

3.2 總線的分布

3.3 總線特性及性能指標(biāo)

3.4 總線結(jié)構(gòu)

3.5 總線控制

教學(xué)要求:通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉計算機系統(tǒng)中的總線的作用及類別，掌握總線結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能的影響，熟練掌握總線在控制過程中如何判優(yōu)和通信。

重點:總線結(jié)構(gòu)，總線控制。

難點:總線結(jié)構(gòu)對性能的影響，總線判優(yōu)方法和通信控制。

采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示。

參考案例:例3.1、3.2、3.3

講授學(xué)時:3學(xué)時

課后習(xí)題:3.4、3.14、3.15、3.16

（三）第4章 存儲器

主要知識點:

4.1.1 存儲器的分類

4.1.2 存儲器的層次結(jié)構(gòu)

4.2 主存儲器（芯片介紹、刷新、動態(tài)RAM與靜態(tài)RAM比較）

4.2.5 存儲器與CPU的連接

4.2.6 主存儲器的校驗

4.2.7 提高訪存速度的措施

4.3 高速緩存的提出（Cache的工作原理和結(jié)構(gòu)）

4.3.2 Cache-主存地址映射

4.3.3 替換策略

4.4 輔助存儲器的類別

4.4.3 磁盤記錄方式

4.4.6 循環(huán)冗余校驗碼

4.4.7 光盤存儲器（2.光盤的存取原理）

教學(xué)要求:通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉存儲器的基本類別，不同存儲器的功能和層次，掌握常用的主存儲器芯片特性和功能；熟練掌握不同類型存儲器與CPU連接時需要注意的事項，以及主存儲器在存儲數(shù)據(jù)時如何確保數(shù)據(jù)的正確性；理解在系統(tǒng)中設(shè)置高速緩沖存儲器的目的，熟悉Cache的工作過程和基本結(jié)構(gòu)，學(xué)會并掌握如何實現(xiàn)Cache-主存的地址映射，熟練掌握常用的替換策略；理解在系統(tǒng)中增加輔助存儲器的必要性和重要性，不同輔助存儲器的功能和基本工作原理，掌握磁盤的幾種記錄方式，學(xué)會如何進行磁盤中的數(shù)據(jù)校驗。

重點:存儲器的分類，存儲器的層次結(jié)構(gòu)，RAM、ROM，芯片刷新；CPU與存儲器的連接，主存儲器的校驗；Cache的工作原理，Cache-主存地址映射；磁盤的記錄方式，磁盤的校驗方法，磁盤的基本性能指標(biāo)。

難點:不同尋址方式尋址范圍的確定，RAM的刷新；RAM和ROM芯片與CPU連接時有何區(qū)別，漢明碼形成及糾錯；在系統(tǒng)中設(shè)置Cache的原因，如何實現(xiàn)Cache-主存的地址映射；CRC校驗碼，磁盤基本性能指標(biāo)的計算。

采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示、習(xí)題講解與鞏固練習(xí)。

參考案例:2114、4116、2716芯片，例4.1、4.2、4.4、4.7、4.8、4.15

講授學(xué)時:8學(xué)時

習(xí)題講解:4學(xué)時

課后習(xí)題:4.6、4.11、4.16、4.17、4.18、4.28、4.42

（四）第5章 輸入輸出系統(tǒng)

主要知識點:

5.1.1 輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況

5.1.2 I/O系統(tǒng)的基本組成

5.1.3 I/O 與主機的聯(lián)系方式

5.3和 5.4和 5.5和5.6 I/O 接口（簡要介紹I/O與主機交換信息的三種控制方式）

教學(xué)要求:通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉I/O系統(tǒng)的基本組成，理解并掌握I/O與主機的聯(lián)系方式，掌握I/O接口的基本組成，建立“段”的概念并學(xué)會運用，建立“奇偶”概念并領(lǐng)會字尋址中對字節(jié)操作的動態(tài)定義；理解I/O與主機交換信息的三種控制方式的特點及區(qū)別，掌握CPU響應(yīng)中斷請求和DMA請求的時間；掌握存儲部件在計算機中的運用。

重點:I/O與主機的聯(lián)系方式，I/O控制方式。

難點:處理I/O終端的各類軟、硬件技術(shù)的運用，DMA與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點，周期挪用的含義，CPU響應(yīng)中斷請求和DMA請求的時間。

采用的教學(xué)方法:知識點講解、習(xí)題講解。

講授學(xué)時:3學(xué)時

課后習(xí)題:5.1、5.4、5.8、5.23、5.35

（五）第6章 計算機的運算方法

主要知識點:

6.1 無符號數(shù)和有符號數(shù)

6.2 數(shù)的定點和浮點表示

6.3定點數(shù)的加減乘法和邏輯運算

6.4浮點數(shù)四則運算

6.5.1 ALU電路

教學(xué)要求:通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握數(shù)在計算機中的表示方法，學(xué)會并掌握定點數(shù)的加減運算和邏輯運算；掌握浮點數(shù)在計算機中的表示方法，浮點數(shù)的加減運算過程，數(shù)的移位運算和標(biāo)志控制；學(xué)會定點數(shù)的一位乘除法運算，通過習(xí)題講解鞏固計算機中不同類型數(shù)的基本運算；學(xué)會使用一種軟件仿真工具實現(xiàn)簡單的運算器。

重點:數(shù)的不同編碼，定點數(shù)的邏輯運算，浮點數(shù)的表示和運算，算術(shù)邏輯單元，定點數(shù)乘除運算，軟件仿真。

難點:為什么在運算的過程中要用補碼運算，數(shù)要用不同的類型表示，浮點數(shù)運算中的溢出判斷，算術(shù)邏輯單元的構(gòu)成，定點數(shù)乘除運算過程中的移位操作，仿真軟件的使用。

采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示、習(xí)題講解6.3、6.17。

講授學(xué)時:4學(xué)時

習(xí)題講解:1學(xué)時

課后習(xí)題:6.2、6.3、6.4、6.12、6.20

（六）第7章 指令系統(tǒng)

主要知識點:

7.1 機器指令

7.2 操作數(shù)類型和操作類型

7.3尋址方式

7.4.3指令格式設(shè)計舉例

7.5 RISC技術(shù)（簡要介紹）

教學(xué)要求:通過課程的學(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“操作碼段”和“操作數(shù)段”的用途；熟悉RISC技術(shù)，掌握設(shè)計指令格式應(yīng)考慮的各種因素。

重點:指令格式，尋址方式，RISC技術(shù)，設(shè)計指令要考慮的因素。

難點:設(shè)計指令格式的方法，擴展操作碼技術(shù)的運用。

采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示，例7.1、7.4。

講授學(xué)時:3學(xué)時

課后習(xí)題:7.6、7.8、7.16、7.18

（七）第8章 CPU的結(jié)構(gòu)和功能

主要知識點:

8.1 CPU的結(jié)構(gòu)

8.2 指令周期

8.4 中斷系統(tǒng)

教學(xué)要求:通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握指令的CPU結(jié)構(gòu)，理解不同的指令周期，熟悉中斷系統(tǒng)，掌握中斷屏蔽技術(shù)。

重點:掌握中斷屏蔽技術(shù)。

難點:中斷屏蔽技術(shù)的運用。

采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示，例8.2。

講授學(xué)時:3學(xué)時

課后習(xí)題:8.24、8.26、8.28

（八）第10章 控制單元的設(shè)計

主要知識點:

10.2 微程序設(shè)計

10.2.1 微程序設(shè)計思想的產(chǎn)生

10.2.2 微程序控制單元框圖及工作原理

10.2.3 微指令的編碼方式

10.2.4 微指令序列地址的形成

10.2.5 微指令格式

教學(xué)要求:通過課程的學(xué)習(xí)微程序設(shè)計思想，使學(xué)生掌握微指令的編碼方式，理解微指令序列地址的形成，熟悉微指令格式。

重點:微程序設(shè)計思想。

難點:掌握微指令的編碼方式，理解微指令序列地址的形成，熟悉微指令格式。

采用的教學(xué)方法:知識點講解、實例演示，例10.4、10.5、10.6。

講授學(xué)時:3學(xué)時

課后習(xí)題:10.15

（九） 實驗部分

主要知識點:

實驗一 熟悉實驗環(huán)境

實驗二 位機的加減、邏輯運算

實驗三 位機的移位運算、標(biāo)志控制

實驗四 仿真實現(xiàn)基本運算器

實驗五 準(zhǔn)雙向I/O口實驗

實驗六 地址總線、數(shù)據(jù)總線

實驗七 存儲器讀寫

實驗八 指令總線運用

教學(xué)要求:通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉硬件實驗箱的基本構(gòu)成和簡單操作，并用實際的實驗箱完成簡單的算術(shù)運算和邏輯運算、移位運算、標(biāo)志控制等基本操作，并理解基本模型機的設(shè)計原理和構(gòu)成，學(xué)會使用一種仿真軟件實現(xiàn)計算機基本部件的設(shè)計。

重點: 16位機的基本結(jié)構(gòu)，實驗箱具體操作。

難點:動手實踐。

采用的教學(xué)方法:知識點講解、現(xiàn)場演示、動手實踐。

實驗學(xué)時:14學(xué)時

綜合實驗:2學(xué)時

（十）期中考試、期末復(fù)習(xí)、答疑

教學(xué)內(nèi)容:隨堂復(fù)習(xí)各章知識點，針對學(xué)生疑問答疑，實驗課上對學(xué)生的綜合實驗情況進行檢查。

答疑學(xué)時:1學(xué)時 （算作習(xí)題學(xué)時）

期中考試:2學(xué)時（算作習(xí)題課時）

布置時間:根據(jù)教學(xué)進度，可在講解第10次課時布置綜合實驗，指導(dǎo)學(xué)生課下實踐，在第16、17次課驗收綜合實驗。

三、課程的預(yù)期學(xué)習(xí)成果

在本門課程結(jié)束時，學(xué)生應(yīng)該能夠:

1、對計算機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能部件、功能特征、性能以及交互方式全面掌握；

2、從計算機的組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)角度，完整說明計算機的工作過程；

3、提高資料查找、閱讀和辨析能力；

4、學(xué)會相關(guān)模擬仿真軟件的操作；

5、學(xué)會簡單單機系統(tǒng)的分析和設(shè)計能力；

6、提高團隊合作能力。

四、課程要求

（一）出勤與作業(yè)

學(xué)生應(yīng)積極參與課堂教學(xué)并完成相關(guān)的作業(yè)、討論與實驗要求內(nèi)容。

（二）閱讀資料

學(xué)生應(yīng)認真進行課前預(yù)習(xí)，閱讀教材和指定參考書及重要的參考文獻。

（三）課堂展示、課堂實驗報告

（1）理論課程，可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及具體時間安排小組討論；

（2）實驗課程要求根據(jù)教學(xué)需要進行實驗過程及效果演示。

（四）課外實踐

本課程是理論與實驗相結(jié)合的課程，安排24課時的實驗課時；為配合實驗課程內(nèi)容的進行，學(xué)生需要熟悉硬件實驗箱的使用，并學(xué)會配套軟件和仿真軟件的操作方法，這些將作為課外實踐內(nèi)容。

（五）期中考與期末考

課程中隨機問答，采用小組討論和演繹的方式來記錄平時成績，并集中安排閉卷方式的期中考試。期末閉卷考試。

（六）學(xué)術(shù)誠信

按中山大學(xué)南方學(xué)院相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

（七）剽竊的定義以及相應(yīng)的懲罰

剽竊是嚴(yán)重違反學(xué)校規(guī)章制度的行為。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將上報相關(guān)部門，并受到包括開除學(xué)籍在內(nèi)的嚴(yán)厲處罰。

五、課程資料

（一）教科書-必讀

《計算機組成原理》（第二版），唐朔飛，高等教育出版社，2008年1月

《計算機組成原理—學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答》（第2版），唐朔飛，高等教育出版社，2012年7月

（二）教科書-強烈推薦

《計算機組成原理》，蔣本珊主編，清華大學(xué)出版社，2008年9月第二版．

《計算機組成原理》，秦磊華 吳非 莫正坤，清華大學(xué)出版社，2011年

《計算機組成與體系結(jié)構(gòu)》（美）努爾，（美）勞伯 著，黃河 等譯，機械工業(yè)出版社2006年8月

《計算機組成原理》，羅克露主編，電子工業(yè)出版社，2010年2月第二版．

（三）文章-必讀

近年《計算機學(xué)報》、《計算機應(yīng)用》、《計算機研究與發(fā)展》等雜志刊登的文章。

（四）文章-強烈推薦

http://bbs.diannaodian.com/

http://www.xtzj.com/

（五）其他參考資料

《計算機組成原理》，白中英，科學(xué)出版社，2008年。

http://www.cskaoyan.com/thread-58479-1-1.html（課程視頻下載地址）

http://zcyl.ayit.edu.cn/kcwz/zxcs.htm（課程學(xué)習(xí)效果測試地址）

六、教學(xué)活動以及對于預(yù)期學(xué)習(xí)成果的評估

（一）教學(xué)活動:

1、個人預(yù)習(xí)

2、課堂講授

3、課堂問答

4、習(xí)題講解

5、課堂實驗

6、課后實踐

7、期中考試

8、期末考試和實驗考查

（二）對預(yù)期學(xué)習(xí)成果的考察

七、評估的程序和方法

（一）評分體系

1、平時成績:50%

(1)出勤率課堂參與:10%

(2) 課堂實驗和課后作業(yè)10%

(3):實驗考查20%

(4):期中考試10%

2、考試成績:50%

期末考試:50%

（二）考核內(nèi)容及要求

筆試部分:

（1） 計算機硬件系統(tǒng)基本知識和實現(xiàn)硬件部件的基本技術(shù)（核心能力1.1、2.1）；

（2） 能夠根據(jù)實際需求，利用計算機基本技術(shù)、方法解決實際應(yīng)用問題（核心能力2.1）。

實驗部分:

（1） 使用實驗室環(huán)境及仿真軟件設(shè)計、實現(xiàn)簡單計算機系統(tǒng)（核心能力2.1、2.2）；

（2） 能夠根據(jù)課程要求，通過文字、圖、表的形式撰寫實驗報告，并進行分析與總結(jié)（核心能力6.1、6.2）；

（3） 能夠按照實驗項目要求，通過團隊合作，按時完成，并培養(yǎng)良好的職業(yè)習(xí)慣（核心能力4.1、7.1）。

八、教學(xué)進度與學(xué)時分配表