计算机组成与结构课程教学大纲教案.docx

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计算机组成与结构课程教学大纲教案

计算机组成与结构I课程教案

（ComputerOrganizationandArchitectureⅠ）

一、课程基本信息

课程编号：

14134433

课程类别：

专业课

适用专业：

计算机科学与技术专业

学分：

理论教学学分：

3.5学分

总学时：

56学时，其中理论学时：

56学时,实验学时:

0

先修课程：

数字电子技术基础

后继课程：

微机原理及应用、单片机原理及应用

课程简介：

本课程系计算机科学与技术专业一门重要的专业课程，主要学习计算机的部件基础、基本结构、运算方法及指令系统，能对组成计算机的各个部件的功能和工作过程、以及部件间的连接有较全面、较系统的认识，并对各功能部件可采用哪些技术提高计算机系统的性能有一定的了解，从而形成较完整的计算机组成与结构模型。

该课程主要内容包括：

计算机概述、计算机中数据信息的表示、运算方法和运算器、存储器系统、指令系统、控制系统与CPU、总线技术、I/O设备、I/O系统组织等。

主要教学方法与手段：

课堂多媒体课件结合黑板板书。

选用教材：

李云、葛桂萍、史庭俊，计算机硬件技术基础[M].机械工业出版社,2011

必读书目：

[1]白中英，计算机组成原理（第五版）[M].北京：

科学出版社，2013

[2]王爱英，计算机组成与结构（第4版）[M].北京：

清华大学出版社，2010

[3]李云、葛桂萍，计算机硬件技术基础实验与课程设计指导.扬州大学信息工程学院，2010

选读书目：

[1]袁春风，计算机组成与系统结构[M].北京：

清华大学出版社，2010

[2]张功萱、顾一禾等，计算机组成原理[M].北京：

清华大学出版社，2008

[3]秦磊华、吴非等，计算机组成原理[M].北京：

清华大学出版社，2011

二、课程总目标

通过本课程的学习使学生掌握计算机组织结构的基本原理、掌握计算机各大部件的基本工作原理、设计方法及其计算机整体的互连技术，为培养学生具有硬件系统的开发能力打下一定的基础，使学生们从系统设计和系统分析的高度来掌握计算机系统的基本分析方法和典型的设计技术，为进一步学习和研究并行处理技术、多处理机算法以及计算机系统的新技术和新算法提供必备的基础知识，为后续学习《微机原理及应用》等专业课程提供必要的基础。

三、课程教学内容与教学要求

1、教学内容与学时分配　

课程总学时：

56学时，其中讲授学时：

56学时；实验（上机）学时：

0学时

教学内容与学时分配建议如下表：

序

号

教学章节名称

学时

分配

序

号

教学章节名称

学时

分配

讲

课

实

验

讲

课

实

验

1

第一章计算机系统概论

4

6

第六章中央处理器

12

2

第二章计算机的逻辑部件

4

7

第七章总线

2

3

第三章运算方法和运算器

12

8

第八章输入/输出系统

2

4

第四章主存储器与存储系统

10

9

第九章外部设备

4

5

第五章指令系统

6

10

合计

56

2、教学要求

第一章计算机系统概论（4学时）

教学目标：

了解本课程概况，了解计算机系统的基础组成与工作原理，了解计算机硬件的发展历程，对计算机的组成、功能等方面有清晰的认识，从而为今后从事计算机相关工作培养科学素养和职业素质。

教学内容：

了解计算机系统的基础概念、组成、分类，从而建立简单计算机系统的整体概念。

第一节计算机的发展历程

第二节计算机的组成与结构

一、计算机硬件

二、计算机软件

三、系统软件、应用软件

四、计算机系统的层次结构

第三节计算机的基本工作原理

第四节计算机系统的分类及应用

一、计算机系统的分类

二、计算机系统的应用

第五节计算机系统的性能指标

字长、存储容量、运算速度、时钟频率

教学要求：

重点介绍计算机的组成与结构，本课程所要解决的问题和学习方法。

重点难点：

冯·诺依曼计算机结构、计算机硬件的基本组成、计算机系统的分类、计算机系统的性能指标。

第二章计算机的逻辑部件（4学时）

教学目标：

以计算机各部件中可能涉及的数字电路为目标，使学生了解计算机中常用的逻辑器件以及可编程逻辑器件等知识。

教学内容：

第一节逻辑代数基础

一、基本逻辑运算

与、或、非

二、逻辑函数及其表示方法

逻辑函数、逻辑函数的表示方法。

三、逻辑代数的基本公式

常量之间的关系、基本公式、运算规则。

第二节逻辑函数的化简

一、代数化简法

二、卡诺图化简法

第三节计算机中常用的组合逻辑电路

一、基本逻辑门电路

二、译码器

三、数据选择器

第四节时序逻辑电路

一、触发器

二、寄存器和移位寄存器

三、计数器

第五节可编程逻辑器件

一、PLD的特点

二、PLD器件基础

三、常用PLD器件简介

教学要求：

了解基本的逻辑运算；逻辑函数及其表示方法；逻辑函数的化简；可编程逻辑器件的特点。

掌握基本逻辑门电路、译码器、数据选择器等组合逻辑电路；触发器、寄存器、移位寄存器、计数器等时序逻辑电路

重点难点：

译码器、触发器、寄存器、移位寄存器、计数器。

第三章运算方法和运算器（12学时）

教学目标：

讲述计算机中的数据表示、运算方法及运算器的基本结构等。

通过本章的学习，使学生了解计算机中信息的编码表示、定点数、浮点数的常用的运算方法和计算机运算器的实现方法等。

教学内容：

第一节进制与编码

一、进位计数制及其相互转换

二、真值与机器数

三、十进制数的二进制编码表示

四、非数值型数据

第二节数的定点和浮点表示

一、数的定点表示

二、数的浮点表示

第三节定点加减运算

一、原码定点数的加减运算

二、补码定点数的加减运算

三、补码加减运算的实现电路

第四节定点乘除运算

一、原码一位乘法

二、补码一位乘法

三、原码一位除法

四、补码一位除法

第五节浮点数的运算方法

第六节运算器的基本组成与实例

一、运算器的基本组成

二、算术逻辑运算单元

三、定点运算器的结构

四、浮点运算器结构

第七节数据校验码

一、奇偶校验码

二、海明校验码

三、循环冗余校验码

教学要求：

了解数制及转换、数值型数据的表示、数据效验码，掌握算术与逻辑运算、运算器的功能与组成、浮点表示、尾数的规格化、浮点运算，能灵活应用定点补码加减运算、定点乘法运算。

重点难点：

数的编码表示（原码、反码、补码）、运算器的功能与组成、浮点表示、尾数的规格化、定点补码加减运算、浮点运算。

第四章主存储器与存储系统（10学时）

教学目标：

讲述半导体存储器的构成以及存储系统的基本原理。

通过本章学习，使学生了解存储器的基本原理、半导体存储器的组成结构和方法，以及交叉存储器、高速缓冲器和虚拟存储器等提高存储器性能的方法和技术。

教学内容：

第一节存储器基本概念

一、存储器的分类

二、主存储器的主要技术指标

三、存储器的组成和数据存放

四、存储系统的层次结构

第二节半导体存储器的结构和原理

一、随机存储器RAM

二、只读存储器ROM和闪速存储器

三、存储器与CPU的连接

第三节高速存储器

一、双端口存储器

二、多体交叉存储器

三、相联存储器

第四节Cache存储器

一、Cache基本结构和工作原理

二、Cache存储器的地址映像

三、Cache中主存块的替换算法

四、Cache写策略

第五节虚拟存储器

一、虚拟存储器的基本概念

二、主存-Cache系统与主存-外存系统的差别

三、虚拟存储器管理方式

教学要求：

了解存储器的分类和层次结构，理解主存的分类、主存的组成与设计，虚拟存储器的替换算法及实现，重点掌握Cache的工作原理、Cache存储器组织，存储器容量的扩展。

重点难点：

静态存储器、动态存储器、存储器容量的扩展、多体交叉存储器、Cache的工作原理。

第五章指令系统（6学时）

教学目标：

主要介绍指令系统的基本概念、各种寻址方式和指令类型以及指令系统的分类等，使学生了解指令的基本格式、计算机中指令的寻址方式以及指令系统的设计方法等，并对以Intel8086/88指令系统有所了解，为讲解微型计算机接口奠定基础。

教学内容：

第一节指令格式

一、指令的四要素

二、指令的地址数目

三、指令的操作码

四、指令长度

第二节寻址方式

一、指令寻址方式

二、操作数寻址方式

第三节指令类型

一、指令系统概述

二、指令类型

第四节指令系统的分类

一、复杂指令系统CISC

二、精简指令系统RISC

教学要求：

了解指令系统的基本概念，理解精简指令计算机系统（RISC）与复杂指令计算机系统（CISC），重点掌握指令格式、寻址方式、指令类型。

重点难点：

寻址方式、精简指令计算机系统（RISC）与复杂指令计算机系统（CISC）。

第六章中央处理器（12学时）

教学目标：

详细介绍控制器的功能、基本组成和微程序与硬布线两种实现方法及工作原理。

通过本章学习，使学生理解CPU的组成与功能、计算机指令的执行过程，并对微程序控制计算机的基本工作原理以及大致的实现方法有所了解。

教学内容：

第一节控制器的组成和基本原理

一、控制器的功能

二、控制器的基本组成

三、控制器的时序系统

四、控制器的实现方法

第二节指令的执行过程

一、控制器的基本电路

二、指令执行的基本过程

三、指令执行的微操作序列

第三节微程序控制器

一、微程序控制的基本概念

二、实现微程序控制的基本原理

三、微指令编码法

四、微程序流的控制

五、微指令格式及执行方式

六、微程序设计举例

第四节硬布线控制器

一、硬布线控制器的设计步骤

二、硬布线控制器的设计

三、硬布线控制器与微程序控制器的比较

教学要求：

了解CPU的组成与功能、硬布线控制计算机，理解指令的执行过程，掌握微程序控制计算机的基本工作原理、控制器的组成与功能、微程序设计，灵活应用微指令的编译法。

重点难点：

控制器的组成与功能、指令的执行过程、指令周期、CPU周期、时钟周期、微指令、微程序、微程序控制器、微指令编译法、微指令格式、微程序设计。

第七章总线技术（2学时）

教学目标：

本章简要介绍计算机系统的总线规范及其相关技术，使学生通过了解总线的基本概念、总线的标准和性能指标以及常用的标准总线，理解总线的仲裁方式以及总线在计算机系统中的地位和作用。

教学内容：

第一节总线概述

一、总线的基本概念和种类

二、总线标准及性能指标

第二节总线仲裁方式

一、集中总线仲裁方式

二、分布总线仲裁方式

第三节总线数据传输过程和传输方式

一、总线数据传输过程

二、总线数据传输方式

第四节常用标准总线简介

一、内部总线

二、外部总线

教学要求：

了解总线的基本概念、总线的标准及性能指标及常用的标准总线，理解总线数据传输的过程及传输方式，掌握总线的仲裁方式。

重点难点：

总线的基本概念、总线仲裁方式、总线数据传输过程和传输方式。

第八章输入/输出系统（2学时）

教学目标：

讲述输入输出系统的功能和组成，I/O数据传送控制方式的基本原理等，使学生掌握I/O接口电路的编址方式，了解包括程序直接控制方式、中断控制方式等基本的I/O数据传送方式。

教学内容：

第一节I/O系统概述

一、I/O系统的功能与组成

二、I/O设备的编址

三、I/O数据传送控制方式

第二节程序直接控制方式

一、无条件传送方式

二、条件传送方式

第三节程序中断控制方式

一、中断的基本概念

二、中断请求和中断判优

三、中断响应和中断处理

四、多重中断和中断屏蔽

五、程序中断方式的基本结构及工作过程

第四节直接存储器存取方式

一、DMA的基本概念

二、DMA控制器组成

三、DMA数据传送过程

第五节通道控制方式

一、通道的功能

二、通道的类型

三、通道结构的发展

教学要求：

了解输入输出系统的基本概念、输入输出设备的种类与特点，理解I/O接口电路、I/O数据传送方式，掌握I/O端口的编址方式。

重点难点：

I/O端口的编址方式、I/O数据传送方式。

第九章外部设备（4学时）

教学目标：

讲述计算机系统中常用的输入输出设备的基本知识。

通过本章学习，使学生了解磁表面存储器、光盘存储器及常用的输入输出设备的基本组成和工作原理，掌握磁表面存储器的技术指标的计算方法。

教学内容：

第一节外部设备概述

一、外部设备的分类

二、外部设备的作用

第二节输入设备

一、键盘

二、鼠标

三、触摸屏

四、读卡器

五、扫描仪

第三节输出设备

一、显示器

二、打印机

第四节磁表面存储器

一、存储原理与记录方式

二、硬磁盘存储器的组成与分类

三、磁表面存储器的技术指标

第五节光盘存储器

一、光盘的分类及特点

二、光盘存储器的主要性能指标

三、CD-ROM系统

教学要求：

了解外部设备的种类与特点、存储设备、显示和打印设备存储设备，理解磁表面存储器的存储原理和记录方式，掌握：

磁表面存储器和光存储器的技术指标。

重点难点：

磁表面存储器、光盘的技术指标。

四、课程考核

课程考核方式：

考试；成绩评定：

考试成绩（70%）+平时成绩（30%）（包括上课出勤、作业上交等）。