计算机组成与体系结构教学大纲.docx
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计算机组成与体系结构教学大纲
《计算机组成与体系结构》教学大纲
一、使用说明
(一)课程性质
《计算机组成与体系结构》是计算机科学与技术专业本科生的一门专业基础课程。
其先修课有《计算机导轮》和《数字逻辑与数字系统》,后续课有《微机原理与接口技术》,关系密切的还有《操作系统》等课程。
与本课程配合的试验课程是《计算机组成与体系结构试验》。
(二)教学目的
通过学习本课程,使学生掌握计算机基本逻辑器件、部件的原理、参数及使用方法,了解掌握计算机一般组成原理与内部运行机理,了解计算机体系结构领域的基础知识,理解提高计算机的部件和整机硬件性能的主要途径,理解计算机系统中硬件、软件的功能划分和相互配合关系;为学习本专业后继课程和进行与硬件有关的技术工作打好基础。
(三)教学时数
课堂讲授72学时。
(四)教学方法
整个教学过程由课堂讲授和作业两个环节组成。
(五)面向专业
计算机科学与技术专业。
二、教学内容
第一章计算机系统概论
(一)教学目的与要求
使学生了解和熟悉存储程序的概念、计算机的硬件组成以及计算机的层次结构、计算机的分类与应用、硬件与软件的逻辑等价性。
使学生对计算机系统有一个总体的概念,为后续各章内容的学习打好基础。
(二)教学内容
主要内容:
计算机的分类和应用、计算机的硬件、计算机的软件和计算机系统的层次结构。
教学重点:
存储程序的概念、硬件的组成、计算机系统的层次结构。
教学难点:
存储程序的概念、计算机系统的层次结构。
第一节计算机的分类和应用
一、计算机的分类
1、电子模拟计算机和电子数字计算机
2、专用计算机和通用计算机
二、计算机的应用
1、科学计算
2、自动控制
3、测量与测试
4、信息处理
5、人工智能
6、其他应用
第二节计算机的硬件
一、数字计算机的硬件组成
1、运算器
2、存储器
3、控制器
4、适配器与输入输出设备
二、计算机系统结构的过去和未来
1、计算机的发展
2、计算机的发展趋势
第三节计算机的软件
一、软件的组成与分类
1、软件系统
2、软件的分类
二、软件的发展演变
1、机器语言
2、汇编语言
3、算法语言
4、操作系统
5、数据库管理系统
第四节计算机系统的层次结构
一、多级组成的计算机系统
1、微程序设计级
2、一般机器级
3、操作系统级
4、汇编语言级
5、高级语言级
二、软件与硬件的逻辑等价性
1、软件与硬件的逻辑等价性
3、固件
(三)教学方法与形式
采用课堂讲授和多媒体课件。
(四)教学时数
2学时。
第二章运算方法和运算器
(一)教学目的与要求
使学生掌握数据与文字在计算机里的表示方法,掌握定点加减运算和溢出测试、定点并行乘法、定点原码除法运算的原理、基本定点运算器的组成,了解浮点运算和浮点运算器的原理、以及内部总线的结构。
(二)教学内容
主要内容:
数据与文字的表示方法、定点加法、减法运算、定点乘法运算、定点除法运算、定点运算器的组成、浮点运算方法及浮点运算器。
教学重点:
定点运算方法、定点运算器的组成、浮点运算方法。
教学难点:
定点乘法运算方法、定点除法运算方法、浮点的表示及运算方法。
第一节数据与文字的表示方法
一、数据格式
1、定点数的表示方法
2、浮点数的表示方法
3、十进制数串的表示方法
4、自定义数据表示
二、数的机器码表示
1、原码表示法
2、补码表示法
3、反码表示法
4、移码表示法
三、字符与字符串的表示方法
1、ASCII码
2、字符串的表示
四、汉字的表示方法
1、汉字的输入编码
2、汉字内码
3、汉字字模码
五、校验码
1、校验码的概念
2、奇偶校验
第二节定点加法、减法运算
一、补码加法
1、补码加法公式
2、举例
二、补码减法
1、补码减法公式
2、举例
三、溢出概念与检测方法
1、溢出概念
2、溢出检测方法
四、基本的二进制加法/减法器
1、一位全加器
2、行波进位的加法/减法器
五、十进制加法器
1、n位BCD码行波进位加法器
2、1位BCD码加法器
第三节定点乘法运算
一、原码并行乘法
1、手工算法
2、不带符号的阵列乘法器
3、带符号的阵列乘法器
二、补码并行乘法
1、补码与真值的转换公式
2、一般化的全加器形式
3、直接补码阵列乘法器
第四节定点除法运算
一、原码除法原理
1、手工算法
2、恢复余数法
3、不恢复余数法
二、并行除法器
1、可控加法/减法(CAS)单元
2、不恢复余数的阵列除法器
第五节定点运算器的组成
一、逻辑运算
1、逻辑非运算
2、逻辑加运算
3、逻辑乘运算
4、逻辑异运算
二、多功能算术/逻辑运算单元
1、基本思想
2、逻辑表达式
3、算术逻辑运算的实现
三、内部总线
1、内总线的作用
2、单向总线和双向总线
四、定点运算器的基本结构
1、单总线结构的运算器
2、双总线结构的运算器
3、三总线结构的运算器
第六节浮点运算方法和浮点运算器
一、浮点加法、减法运算
1、运算规则
2、运算步骤
二、浮点乘法、除法运算
1、运算规则
2、运算步骤
三、浮点运算流水线
1、流水线原理
2、流水线浮点加法器
四、浮点运算器实例
1、CPU之外的浮点运算器
2、CPU之内的浮点运算器
(三)教学方法与形式
采用课堂讲授和多媒体课件。
(四)教学时数
10学时。
第三章存储系统
(一)教学目的与要求
使学生掌握存储系统的分类、分级结构和主存储器的技术指标,了解存储器芯片的结构,掌握主存储器容量扩充的方法,理解双端口存储器、多模块交叉存储器、相联存储器的工作原理,掌握Cache存储器和虚拟存储器的基本工作原理和工作过程。
(二)教学内容
主要内容:
存储器的基本概念、随机读写存储器、只读存储器、闪速存储器、双端口存储器、多模块交叉存储器、相联存储器、Cache存储器、虚拟存储器和存储器保护。
教学重点:
存储体系的基本原理、主存储器容量扩充的方法和Cache存储器。
教学难点:
双端口存储器、多模块交叉存储器、相联存储器。
第一节存储器概述
一、存储器分类
1、基本概念
2、分类方法
二、存储器的分级结构
1、分级结构
2、高速缓冲存储器
3、主存储器
4、外存储器
三、主存储器的技术指标
1、存储容量
2、存取时间
3、存储周期
4、存储器带宽
第二节随机读写存储器
一、SRAM存储器
1、基本存储元
2、SRAM存储器的组成
3、SRAM存储器芯片举例
4、存储器与CPU连接
5、存储器的读、写周期
二、DRAM存储器
1、四管动态存储元
2、单管动态存储元
3、DRAM存储器芯片举例
4、存储器的读、写周期
5、DRAM存储器的刷新
6、存储器控制电路
三、高性能的主存储器
1、EDRAM芯片
2、EDRAM内存条
3、主存物理地址的存储空间分布
第三节只读存储器和闪速存储器
一、只读存储器
1、ROM的分类
2、EPROM
二、闪速存储器
1、什么是闪速存储器
2、闪速存储器的逻辑结构
3、闪速存储器的工作原理
第四节高速存储器
一、双端口存储器
1、逻辑结构
2、无冲突读写控制
3、有冲突读写控制
二、多模块交叉存储器
1、存储器的模块化组织
2、多模块交叉存储器的基本结构
三、相联存储器
1、相联存储器的基本原理
2、相联存储器的组成
第五节Cache存储器
一、Cache基本原理
1、Cache的功能
2、Cache的基本原理
3、Cache的命中率、平均访问时间和访问效率
二、主存与Cache的地址映射
1、全相联映射方式
2、直接映射方式
3、组相联映射方式
三、替换策略
1、LFU算法
2、LRU算法
3、随机替换
四、Cache的写操作策略
1、写回法
2、全写法
3、写一次法
第六节虚拟存储器
一、虚拟存储器的基本概念
1、什么是虚拟存储器
2、主存-外存层次的基本信息传送单位
二、页式虚拟存储器
1、逻辑页和物理页
2、页表
3、页式虚拟存储器结构
4、地址转换过程
5、快表
三、段式虚拟存储器
1、段
2、段表
3、段式虚拟存储器结构
4、地址转换过程
四、段页式虚拟存储器
1、基本原理
2、地址转换过程
五、替换算法
1、FIFO算法
2、LFU算法
3、LRU算法
第七节存储器保护
一、存储区域保护
1、界限保护
2、页表和段表保护
3、键保护
4、环保护
二、访问方式保护
1、读
2、写
3、执行
(三)教学方法与形式
采用课堂讲授和多媒体课件。
(四)教学时数
10学时。
第四章指令系统
(一)教学目的与要求
使学生从宏观上掌握指令系统设计原理,掌握指令的格式、功能、寻址方式,了解RISC与CISC的基本概念。
(二)教学内容
主要内容:
指令系统的发展与性能要求、指令格式、指令和数据的寻址方式和典型指令。
教学重点:
指令的一般格式、寻址方式。
教学难点:
指令和数据的寻址方式。
第一节指令系统的发展与性能要求
一、指令系统的发展
1、指令与指令系统
2、系列计算机
3、CISC和RISC
二、对指令系统性能的要求
1、完备性
2、有效性
3、规整性
4、兼容性
第二节指令格式
一、操作码
1、作用
2、长度
二、地址码
1、零地址指令
2、一地址指令
3、二地址指令
4、三地址指令
三、指令字长度
1、单字长指令、半字长指令和双字长指令
2、等长指令字结构和不等长指令字结构
四、指令助记符
1、作用
2、典型的指令助记符
五、指令格式举例
1、8位微型计算机的指令格式
2、Pentium指令格式
第三节指令和数据的寻址方式
一、指令的寻址方式
1、顺序寻址方式
2、跳跃寻址方式
二、操作数寻址方式
1、隐含寻址
2、立即寻址
3、直接寻址
4、间接寻址
5、寄存器寻址和寄存器间接寻址
6、相对寻址
7、基址寻址
8、变址寻址
9、块寻址
三、Pentium寻址方式
1、立即寻址
2、直接寻址
3、寄存器寻址
4、寄存器间接寻址
5、变址寻址
6、基址变址寻址
7、比例变址寻址
8、基址比例变址寻址
9、相对寻址
第四节堆栈寻址方式
一、串联堆栈
1、组成
2、压栈和出栈
二、存储器堆栈
1、组成
2、压栈和出栈
第五节典型指令
一、指令的分类
1、数据传送指令
2、算术运算指令
3、逻辑运算指令
4、程序控制指令
5、输入输出指令
6、字符串处理指令
7、特权指令
8、其他指令
9、基本指令系统
二、精简指令系统
1、特点
2、指令类型和指令格式
(三)教学方法与形式
采用课堂讲授和多媒体课件。
(四)教学时数
8学时。
第五章中央处理器
(一)教学目的与要求
使学生掌握CPU的功能、基本组成、指令周期的概念、传统CPU的结构,理解时序产生器的组成、微程序控制器及其设计技术、硬布线控制器,了解流水CPU、RISCCPU、多媒体CPU的概念和特点。
(二)教学内容
主要内容:
CPU的功能和组成、指令周期、时序产生器和控制方式、微程序控制器、微程序设计技术、硬布线控制器、流水CPU、RISCCPU和多媒体CPU。
教学重点:
CPU的功能和基本组成,指令周期的概念,微程序控制器及其设计技术,硬布线控制器的结构。
教学难点:
指令周期的概念,微程序控制器及其设计技术,硬布线控制器的结构。
第一节CPU的功能和组成
一、CPU的功能
1、指令控制
2、操作控制
3、时间控制
4、数据加工
二、CPU的基本组成
1、控制器
2、运算器
3、cache
三、CPU的主要寄存器
1、数据缓冲寄存器
2、指令寄存器
3、程序计数器
4、地址寄存器
5、累加寄存器
6、状态条件寄存器
四、操作控制器和时序产生器
1、数据通路
2、操作控制器的分类
3、时序产生器
第二节指令周期
一、指令周期的基本概念
1、指令周期
2、机器周期
3、时钟周期
二、模型机的指令周期
1、CLA指令的指令周期
2、ADD指令的指令周期
3、STA指令的指令周期
4、NOP指令和JMP指令的指令周期
三、用方框图语言表示指令周期
1、表示方法
2、公操作
3、举例
第三节时序产生器和控制方式
一、时序信号的作用和体制
1、时序信号
2、硬布线控制器中的时序信号体制
3、微程序控制器中的时序信号体制
二、时序信号产生器
1、时钟源
2、环形脉冲发生器
3、节拍脉冲和存储器读/写的译码
4、启停控制逻辑
三、控制方式
1、同步控制方式
2、异步控制方式
3、联合控制方式
第四节微程序控制器
一、基本概念
1、微命令和微操作
2、微指令和微程序
二、微程序控制器组成
1、微程序控制器原理框图
2、控制存储器
3、微指令寄存器
4、地址转移逻辑
5、微程序举例
三、机器指令与微指令的关系
1、CPU周期与微指令周期的关系
2、机器指令与微指令的关系
第五节微程序设计技术
一、微命令编码
1、直接表示法
2、编码表示法
3、混合表示法
二、微地址的形成方法
1、计数器法
2、多路转移方式
三、微指令格式
1、水平型微指令
2、垂直型微指令
第六节硬布线控制器
一、基本思想
1、硬布线控制器结构
2、控制信号的逻辑函数
二、微操作控制信号的产生
1、时序信号
2、指令执行流程
3、微操作控制信号的产生
第七节典型CPU
一、传统CPU
1、M6800CPU
2、Intel8088CPU
3、IBM370系列CPU
4、Intel80486CPU
二、流水CPU
1、并行处理技术
2、流水CPU的结构
3、流水线中的主要问题
4、奔腾CPU
三、RISCCPU
1、RISC机器的特点
2、RISCCPU实例
四、多媒体CPU
1、多媒体技术的主要问题
2、MMX技术
(三)教学方法与形式
采用课堂讲授和多媒体课件。
(四)教学时数
10学时。
第六章总线系统
(一)教学目的与要求
使学生掌握总线的基本概念、总线的连接方式、总线的仲裁、总线的定时以及总线的数据传送模式,了解总线的接口技术以及PCI、ISA总线的简单原理。
(二)教学内容
主要内容:
总线的概念、结构形态、接口、仲裁、定时、数据传送模式,PCI总线、ISA总线和Futurebus+总线。
教学重点:
总线接口,总线的仲裁、定时和数据传送模式。
教学难点:
总线的仲裁和定时。
第一节总线的概念和结构形态
一、总线的基本概念
1、总线的特性
2、总线的标准化
二、总线的连接方式
1、单总线结构
2、双总线结构
3、三总线结构
第二节总线接口
一、信息的传送方式
1、串行传送
2、并行传送
3、总线复用
二、接口的基本概念
1、接口的含义
2、外围设备的连接方法
3、接口的功能
第三节总线的仲裁、定时和数据传送模式
一、总线的仲裁
1、集中式仲裁
2、分布式仲裁
二、总线的定时
1、同步定时
2、异步定时
三、总线数据传送模式
1、读、写操作
2、块传送操作
3、写后读、读后写操作
4、广播、广集操作
第四节PCI总线
一、多总线结构
1、HOST总线
2、PCI总线
3、LAGACY总线
二、PCI总线信号
1、PCI总线的特点
2、信号表示说明
3、总线周期类型和长度
4、必有类信号
5、可选类信号
三、总线周期类型
1、PCI总线命令类型
2、总线周期类型
四、总线周期操作
1、示例
2、特点
第五节ISA总线和Futurebus+总线
一、ISA总线
1、ISA总线的信号和I/O端口地址
2、即插即用ISA规范
二、Futurebus+总线
1、什么是Futurebus+总线
2、Futurebus+总线的技术要求
(三)教学方法与形式
采用课堂讲授和多媒体课件。
(四)教学时数
6学时。
第七章外围设备
(一)教学目的与要求
使学生掌握显示设备、硬磁盘存储设备的基本原理,理解打印设备、光盘存储设备基本工作原理。
(二)教学内容
主要内容:
输入设备、显示设备、打印设备、硬磁盘存储设备和光盘存储设备。
教学重点:
显示设备、硬磁盘存储设备的基本原理。
教学难点:
显示设备、硬磁盘存储设备的基本原理。
第一节外围设备概述
一、外围设备的一般功能
1、功能
2、组成
二、外围设备的分类
1、I/O系统结构
2、外围设备的分类
第二节显示设备
一、显示设备的分类与有关概念
1、显示设备的分类
2、显示设备的有关概念
二、字符/图形显示器
1、字符显示
2、图形显示
三、图像显示设备
1、主观图像和客观图像
2、图像显示原理
四、IBMPC系列机的显示系统
1、显示标准
2、VESA显示模式
3、显示适配器
第三节输入设备和打印设备
一、输入设备
1、图形输入设备
2、图像输入设备
3、语音输入设备
二、打印设备
1、打印设备分类
2、点阵针式打印机
3、激光打印机
第四节硬磁盘存储设备
一、磁记录原理与记录方式
1、磁性材料的物理特性
2、记录方式
3、读写原理
二、硬磁盘机的基本组成和分类
1、基本组成
2、分类
三、硬磁盘驱动器和控制器
1、驱动器
2、控制器
四、磁盘上信息的分布
1、记录面、磁道、扇区
2、地址
3、记录格式
五、磁盘存储器的技术指标
1、存储密度
2、存储容量
3、平均存取时间
4、数据传输率
第五节光盘存储设备
一、光盘的分类
1、只读型光盘
2、一次型光盘
3、重写型光盘
二、CD-ROM光盘
1、CD-ROM光盘存储机理
2、光盘扇区的数据结构
三、CD-ROM驱动器及其接口
1、CD-ROM驱动器分类和性能指标
2、CD-ROM驱动器接口类型
(三)教学方法与形式
采用课堂讲授和多媒体课件。
(四)教学时数
6学时。
第八章输入输出系统
(一)教学目的与要求
使学生掌握程序中断方式、DMA方式的基本工作原理,理解通道方式和通用I/O标准接口的基本工作原理。
(二)教学内容
主要内容:
外围设备的定时方式、信息交换方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式和通用I/O标准接口。
教学重点:
程序中断方式、DMA方式的基本工作原理。
教学难点:
程序中断方式、DMA方式和通道方式的基本工作原理。
第一节外围设备的定时方式与信息交换方式
一、外围设备的定时方式
1、速度极慢或简单的外围设备
2、慢速或中速的外围设备
3、高速的外围设备
二、信息交换方式
1、程序查询方式
2、程序中断方式
3、DMA方式
4、通道方式
5、外围处理机方式
第二节程序中断方式
一、中断的基本概念和程序中断方式的基本接口
1、中断的基本概念
2、程序中断方式的基本接口
二、单级中断和多级中断
1、单级中断
2、多级中断
三、中断控制器8259
1、结构
2、特点
四、Pentium中断机制
1、中断类型
2、中断服务子程序进入过程
3、中断处理过程
第三节DMA方式
一、DMA的基本概念
1、什么是DMA
2、主要优点
3、基本操作
二、DMA传送方式
1、停止CPU访问内存
2、周期挪用
3、DMA与CPU交替访问内存
三、基本的DMA控制器
1、DMA控制器的基本组成
2、DMA数据传送过程
四、选择型和多路型DMA控制器
1、选择型DMA控制器
2、多路型DMA控制器
第四节通道方式
一、通道的功能
1、通道的功能
2、CPU对通道的管理
3、通道对设备控制器的管理
二、通道的类型和发展
1、选择通道
2、字节多路通道
3、数组多路通道
4、通道结构的发展
第五节通用I/O标准接口
一、并行I/O标准接口SCSI
1、SCSI的含义
2、SCSI的性能特点
二、串行I/O标准接口IEEE1394
1、1394的性能特点
2、1394的配置结构
3、1394的协议集
(三)教学方法与形式
采用课堂讲授和多媒体课件。
(四)教学时数
8学时。
第九章并行组织
(一)教学目的与要求
使学生掌握计算机体系结构领域的基础知识,理解提高计算机的部件和整机硬件性能的主要途径,了解向量处理机、阵列处理机、多处理机系统和机群系统的基本原理。
(二)教学内容
主要内容:
体系结构中的并行性、互连网络、向量处理机、阵列处理机、多处理机系统和机群系统。
教学重点:
体系结构中的并行性、互连网络、多处理机系统和机群系统。
教学难点:
互连网络、多处理机系统和机群系统。
第一节体系结构中的并行性
一、基本概念
1、计算机系统结构
2、计算机组成和计算机实现
3、计算机系统结构的分类
二、定量分析技术
1、系统设计的定量原理
2、性能评价标准
三、系统结构中并行性的发展
1、并行性的概念
2、提高并行性的技术途径
3、单机系统中并行性的发展
4、多机系统中并行性的发展
第二节互连网络
一、互连网络的基本概念
1、互连网络的功能和特征
2、互联网络的描述工具
3、互联网络的性能参数
二、互连网络的结构
1、静态互连网络
2、动态互连网络
三、互连网络的路由选择和消息传递方式
1、路由选择方式
2、和消息传递方式
3、死锁与虚拟通道
第三节向量处理机
一、向量处理的基本概念
1、向量处理
2、向量处理方法
二、向量处理机的结构
1、存储器-存储器结构
2、寄存器-寄存器结构
三、提高向量处理机性能的方法
1、多功能部件的并行操作
2、链接技术
3、分段开采技术
4、采用多处理机结构
第四节阵列处理机
一、阵列处理机的操作模型和特点
1、阵列处理机的操作模型
2、阵列处理机的特点
二、阵列处理机的基本结构
1、分布式存储器的阵列机
2、共享存储器的阵列机
第五节多处理机
一、多处理机的一般模型、特点和分类
1、多处理机的一般模型
2、多处理机的特点
3、多处理机的分类
二、多处理机的cache一致性
1、cache不一致性的由来
2、监听协议法
3、目录表协议法
第六节机群系统
一、机群系统的基本概念与结构
1、机群的定义
2、机群的优缺点
3、机群的分类
二、机群的体系结构
1、无共享体系结构
2、共享磁盘体系结构。
3、机群实例-IBMSP2
(三)教学方法与形式
采用课堂讲授和多媒体课件。
(四)教学时数
12学时。
三、考核方式
本课程采用闭卷笔试的方法进行考核。
课程成绩由平时、期中和期终考试而定,其中期终考试成绩占70%。
四、教材选用
1、白中英:
《计算机组成与体系结构》(第三版,网络版),科学出版社,2006年1月。
2、白中英:
《计算机组成与体系结构题解、题库、实验》(第三版),科学出版社,2006年1月。
3、王诚:
《计算机组成与体系结构》,清华大学出版社,200
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