(一)课程描述
《计算机组成原理与实验》是计算机科学与技术专业、软件工程专业的一门重要学科基础课。它在先导课和后续课之间起着承上启下的和继往开来的作用。该课程全面地介绍了计算机单机系统的组成原理及内部工作机制,包括计算机各大部件的结构、工作原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成计算机整机的相关技术。
该课程以需求分析引导学生构建单机系统,根据构建好的系统进行部件选择、互连、测试等操作,最终可以实现目标系统功能。本门课程在理论教学的基础之上,增加实验教学环节,使学生在掌握基本原理的同时,可以通过具体的硬件实验箱进行操作,最后通过相关模拟软件构件自己的理想系统。培养学生自主分析、理解问题、举一反三、融会贯通、团队协作、创新精神的能力。
(二)课程目标
作为计算机类专业的一门专业基础课程,学完该门课程后,要求学生能够达到以下学习目标:
1.掌握计算机硬件系统的基本构成,各构成部件的工作原理及实现的基本技术和方法,核心能力1.1、2.1。
2.具有使用仿真软件实现简单系统的设计能力,核心能力2.2。
3.通过分组合作形式锻炼团队合作能力,核心能力4.1.
4.及时了解国内外计算机系统的发展现状以及最新关键技术,养成自主学习的习惯和能力。核心能力6.1、6.2。
5.通过课程的学习,培养较好的学习习惯、职业规范。核心能力7.1。
(一)第1章计算机系统概述
主要知识点:
1.1 计算机系统简介
1.2 计算机的基本组成
1.3 计算机硬件的主要技术指标
教学要求:通过课程的学习,使学生熟悉计算机系统的构成,计算机硬件的主要技术指标,掌握计算机的工作过程。
重点:计算机的硬件框图,计算机的工作过程。
难点:计算机如何区分同样以0、1代码的形式存储在存储器中的指令和数据。
采用的教学方法:知识点讲解、实例演示。
参考案例:单机系统
讲授学时:3学时
课后习题:1.2、1.5
(二)第3章系统总线
主要知识点:
3.1 总线的基本概念
3.2 总线的分布
3.3 总线特性及性能指标
3.4 总线结构
3.5 总线控制
教学要求:通过课程的学习,使学生熟悉计算机系统中的总线的作用及类别,掌握总线结构对系统性能的影响,熟练掌握总线在控制过程中如何判优和通信。
重点:总线结构,总线控制。
难点:总线结构对性能的影响,总线判优方法和通信控制。
采用的教学方法:知识点讲解、实例演示。
参考案例:例3.1、3.2、3.3
讲授学时:3学时
课后习题:3.4、3.14、3.15、3.16
(三)第4章 存储器
主要知识点:
4.1.1 存储器的分类
4.1.2 存储器的层次结构
4.2 主存储器(芯片介绍、刷新、动态ram与静态ram比较)
4.2.5 存储器与cpu的连接
4.2.6 主存储器的校验
4.2.7 提高访存速度的措施
4.3 高速缓存的提出(cache的工作原理和结构)
4.3.2 cache-主存地址映射
4.3.3 替换策略
4.4 辅助存储器的类别
4.4.3 磁盘记录方式
4.4.6 循环冗余校验码
4.4.7 光盘存储器(2.光盘的存取原理)
教学要求:通过课程的学习,使学生熟悉存储器的基本类别,不同存储器的功能和层次,掌握常用的主存储器芯片特性和功能;熟练掌握不同类型存储器与cpu连接时需要注意的事项,以及主存储器在存储数据时如何确保数据的正确性;理解在系统中设置高速缓冲存储器的目的,熟悉cache的工作过程和基本结构,学会并掌握如何实现cache-主存的地址映射,熟练掌握常用的替换策略;理解在系统中增加辅助存储器的必要性和重要性,不同辅助存储器的功能和基本工作原理,掌握磁盘的几种记录方式,学会如何进行磁盘中的数据校验。
重点:存储器的分类,存储器的层次结构,ram、rom,芯片刷新;cpu与存储器的连接,主存储器的校验;cache的工作原理,cache-主存地址映射;磁盘的记录方式,磁盘的校验方法,磁盘的基本性能指标。
难点:不同寻址方式寻址范围的确定,ram的刷新;ram和rom芯片与cpu连接时有何区别,汉明码形成及纠错;在系统中设置cache的原因,如何实现cache-主存的地址映射;crc校验码,磁盘基本性能指标的计算。
采用的教学方法:知识点讲解、实例演示、习题讲解与巩固练习。
参考案例:2114、4116、2716芯片,例4.1、4.2、4.4、4.7、4.8、4.15
讲授学时:8学时
习题讲解:4学时
课后习题:4.6、4.11、4.16、4.17、4.18、4.28、4.42
(四)第5章 输入输出系统
主要知识点:
5.1.1 输入输出系统的发展概况
5.1.2 i/o系统的基本组成
5.1.3 i/o 与主机的z6尊龙旗舰厅的联系方式
5.3和 5.4和 5.5和5.6 i/o 接口(简要介绍i/o与主机交换信息的三种控制方式)
教学要求:通过课程的学习,使学生熟悉i/o系统的基本组成,理解并掌握i/o与主机的z6尊龙旗舰厅的联系方式,掌握i/o接口的基本组成,建立“段”的概念并学会运用,建立“奇偶”概念并领会字寻址中对字节操作的动态定义;理解i/o与主机交换信息的三种控制方式的特点及区别,掌握cpu响应中断请求和dma请求的时间;掌握存储部件在计算机中的运用。
重点:i/o与主机的z6尊龙旗舰厅的联系方式,i/o控制方式。
难点:处理i/o终端的各类软、硬件技术的运用,dma与主存交换数据的三种方法各自的特点,周期挪用的含义,cpu响应中断请求和dma请求的时间。
采用的教学方法:知识点讲解、习题讲解。
讲授学时:3学时
课后习题:5.1、5.4、5.8、5.23、5.35
(五)第6章 计算机的运算方法
主要知识点:
6.1 无符号数和有符号数
6.2 数的定点和浮点表示
6.3定点数的加减乘法和逻辑运算
6.4浮点数四则运算
6.5.1 alu电路
教学要求:通过课程的学习,使学生掌握数在计算机中的表示方法,学会并掌握定点数的加减运算和逻辑运算;掌握浮点数在计算机中的表示方法,浮点数的加减运算过程,数的移位运算和标志控制;学会定点数的一位乘除法运算,通过习题讲解巩固计算机中不同类型数的基本运算;学会使用一种软件仿真工具实现简单的运算器。
重点:数的不同编码,定点数的逻辑运算,浮点数的表示和运算,算术逻辑单元,定点数乘除运算,软件仿真。
难点:为什么在运算的过程中要用补码运算,数要用不同的类型表示,浮点数运算中的溢出判断,算术逻辑单元的构成,定点数乘除运算过程中的移位操作,仿真软件的使用。
采用的教学方法:知识点讲解、实例演示、习题讲解6.3、6.17。
讲授学时:4学时
习题讲解:1学时
课后习题:6.2、6.3、6.4、6.12、6.20
(六)第7章指令系统
主要知识点:
7.1 机器指令
7.2 操作数类型和操作类型
7.3寻址方式
7.4.3指令格式设计举例
7.5 risc技术(简要介绍)
教学要求:通过课程的学习,使学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对访存次数、寻址范围的影响,理解并掌握不同的寻址方式对操作数的寻址范围、所需的硬件支持、信息加工流程以及编程的影响。建立“指令暂存”概念,领会“操作码段”和“操作数段”的用途;熟悉risc技术,掌握设计指令格式应考虑的各种因素。
重点:指令格式,寻址方式,risc技术,设计指令要考虑的因素。
难点:设计指令格式的方法,扩展操作码技术的运用。
采用的教学方法:知识点讲解、实例演示,例7.1、7.4。
讲授学时:3学时
课后习题:7.6、7.8、7.16、7.18
(七)第8章 cpu的结构和功能
主要知识点:
8.1 cpu的结构
8.2 指令周期
8.4 中断系统
教学要求:通过课程的学习,使学生掌握指令的cpu结构,理解不同的指令周期,熟悉中断系统,掌握中断屏蔽技术。
重点:掌握中断屏蔽技术。
难点:中断屏蔽技术的运用。
采用的教学方法:知识点讲解、实例演示,例8.2。
讲授学时:3学时
课后习题:8.24、8.26、8.28
(八)第10章控制单元的设计
主要知识点:
10.2 微程序设计
10.2.1 微程序设计思想的产生
10.2.2 微程序控制单元框图及工作原理
10.2.3 微指令的编码方式
10.2.4 微指令序列地址的形成
10.2.5 微指令格式
教学要求:通过课程的学习微程序设计思想,使学生掌握微指令的编码方式,理解微指令序列地址的形成,熟悉微指令格式。
重点:微程序设计思想。
难点:掌握微指令的编码方式,理解微指令序列地址的形成,熟悉微指令格式。
采用的教学方法:知识点讲解、实例演示,例10.4、10.5、10.6。
讲授学时:3学时
课后习题:10.15
(九)实验部分
主要知识点:
实验一熟悉实验环境
实验二位机的加减、逻辑运算
实验三位机的移位运算、标志控制
实验四仿真实现基本运算器
实验五准双向i/o口实验
实验六地址总线、数据总线
实验七存储器读写
实验八指令总线运用
教学要求:通过课程的学习,使学生熟悉硬件实验箱的基本构成和简单操作,并用实际的实验箱完成简单的算术运算和逻辑运算、移位运算、标志控制等基本操作,并理解基本模型机的设计原理和构成,学会使用一种仿真软件实现计算机基本部件的设计。
重点: 16位机的基本结构,实验箱具体操作。
难点:动手实践。
采用的教学方法:知识点讲解、现场演示、动手实践。
实验学时:14学时
综合实验:2学时
(十)期中考试、期末复习、答疑
教学内容:随堂复习各章知识点,针对学生疑问答疑,实验课上对学生的综合实验情况进行检查。
答疑学时:1学时(算作习题学时)
期中考试:2学时(算作习题课时)
布置时间:根据教学进度,可在讲解第10次课时布置综合实验,指导学生课下实践,在第16、17次课验收综合实验。
在本门课程结束时,学生应该能够:
1、对计算机的内部结构、功能部件、功能特征、性能以及交互方式全面掌握;
2、从计算机的组成原理和系统结构角度,完整说明计算机的工作过程;
3、提高资料查找、阅读和辨析能力;
4、学会相关模拟仿真软件的操作;
5、学会简单单机系统的分析和设计能力;
6、提高团队合作能力。
(一)出勤与作业
学生应积极参与课堂教学并完成相关的作业、讨论与实验要求内容。
(二)阅读资料
学生应认真进行课前预习,阅读教材和指定参考书及重要的参考文献。
(三)课堂展示、课堂实验报告
(1)理论课程,可根据教学内容及具体时间安排小组讨论;
(2)实验课程要求根据教学需要进行实验过程及效果演示。
(四)课外实践
本课程是理论与实验相结合的课程,安排24课时的实验课时;为配合实验课程内容的进行,学生需要熟悉硬件实验箱的使用,并学会配套软件和仿真软件的操作方法,这些将作为课外实践内容。
(五)期中考与期末考
课程中随机问答,采用小组讨论和演绎的方式来记录平时成绩,并集中安排闭卷方式的期中考试。期末闭卷考试。
(六)学术诚信
按中山大学南方学院相关规定执行。
(七)剽窃的定义以及相应的惩罚
剽窃是严重违反学校规章制度的行为。一经发现,将上报相关部门,并受到包括开除学籍在内的严厉处罚。
(一)教科书-必读
《计算机组成原理》(第二版),唐朔飞,高等教育出版社,2008年1月
《计算机组成原理—学习指导与习题解答》(第2版),唐朔飞,高等教育出版社,2012年7月
(二)教科书-强烈推荐
《计算机组成原理》,蒋本珊主编,清华大学出版社,2008年9月第二版.
《计算机组成原理》,秦磊华 吴非 莫正坤,清华大学出版社,2011年
《计算机组成与体系结构》(美)努尔,(美)劳伯 著,黄河 等译,机械工业出版社2006年8月
《计算机组成原理》,罗克露主编,电子工业出版社,2010年2月第二版.
(三)文章-必读
近年《计算机学报》、《计算机应用》、《计算机研究与发展》等杂志刊登的文章。
(四)文章-强烈推荐
http://bbs.diannaodian.com/
http://www.xtzj.com/
(五)其他参考资料
《计算机组成原理》,白中英,科学出版社,2008年。
(课程视频下载地址)
(课程学习效果测试地址)
(一)教学活动:
1、个人预习
2、课堂讲授
3、课堂问答
4、习题讲解
5、课堂实验
6、课后实践
7、期中考试
8、期末考试和实验考查
(二)对预期学习成果的考察
预期学习成果 | 教学活动 | 学习成果考察内容:作业/课程实验 |
1、掌握计算机的基本组成 | 1, 2, 3, 5, 6,7,8 | 练习:p19 作业:p19(1.5、1.11) |
2、熟悉计算机系统的总线分类、结构 | 1,2,3,4,5,6,7,8 | 练习:p66 实验:7、9、10 |
3、掌握存储器的构成及工作原理、地址映射关系及替换策略 | 1,2,3,4,5,6,7,8 | 练习:p150-153 作业:p150(4.11、4.15、4.16、4.18、4.28、4.32、4.38、4.42) 实验:8、10 |
4、熟悉i/o设备与i/o接口、i/o的控制方式 | 1, 2, 3,4, 5, 6,8 | 练习:p212 实验:6、10 |
5、掌握数的定点和浮点表示,并会进行定点运算 | 1, 2, 3,4, 5,6,8 | 练习:p290 作业:p290(6.4、6.14、6.19、6.20、6.26) 实验:2、3、5、10 |
6、熟悉指令系统的格式,并掌握操作数的寻址方式 | 1, 2, 3,4,5, 6,8 | 练习:p335 作业:p335(7.6、7.16) |
(一)评分体系
1、平时成绩:50%
(1)出勤率课堂参与:10%
(2)课堂实验和课后作业10%
(3):实验考查20%
(4):期中考试10%
2、考试成绩:50%
期末考试:50%
(二)考核内容及要求
笔试部分:
(1)计算机硬件系统基本知识和实现硬件部件的基本技术(核心能力1.1、2.1);
(2)能够根据实际需求,利用计算机基本技术、方法解决实际应用问题(核心能力2.1)。
实验部分:
(1)使用实验室环境及仿真软件设计、实现简单计算机系统(核心能力2.1、2.2);
(2)能够根据课程要求,通过文字、图、表的形式撰写实验报告,并进行分析与总结(核心能力6.1、6.2);
(3)能够按照实验项目要求,通过团队合作,按时完成,并培养良好的职业习惯(核心能力4.1、7.1)。
周次 | 课程要点 | 理论学时 | 实验学时 | 习题学时 |
1 | 第1章计算机系统概述 1.1 计算机系统简介 1.2 计算机的基本组 1.3 计算机硬件的主要技术指标 | 3 | ||
2 | 第3章系统总线: 3.1 总线的基本概念 3.2 总线的分布 3.3 总线特性及性能指标 3.4 总线结构 3.5 总线控制 | 3 | ||
3 | 第4章存储器 4.1.1 存储器的分类 4.1.2 存储器的层次结构 4.2 主存储器(芯片介绍、刷新、动态ram与静态ram比较) | 2 | 1 | |
4 | 4.2.5 存储器与cpu的连接 4.2.6 主存储器的校验 4.2.7 提高访存速度的措施 | 2 | 1 | |
5 | 4.3 高速缓存的提出(cache的工作原理和结构) 4.3.2 cache-主存地址映射 4.3.3 替换策略 | 2 | 1 | |
6 | 4.4 辅助存储器的类别 4.4.3 磁盘记录方式 4.4.6 循环冗余校验码 4.4.7 光盘存储器(2.光盘的存取原理) | 2 | 1 | |
7 | 第5章 输入输出系统 5.1.1 输入输出系统的发展概况 5.1.2 i/o系统的基本组成 5.1.3 i/o 与主机的z6尊龙旗舰厅的联系方式 5.3和 5.4和 5.5和5.6 i/o 接口 | 3 | ||
8 | 习题课时: 期中考试 理论学时: 第6章计算机的运算方法 6.1 无符号数和有符号数 | 1 | 2 | |
9 | 6.2 数的定点和浮点表示 6.3定点数的加减乘法和逻辑运算 | 2 | 1 | |
10 | 理论课时: 6.4浮点数四则运算 6.5.1 alu电路 实验学时: 实验一 | 1 | 2 | |
11 | 理论学时: 第7章指令系统 7.1 机器指令 7.2 操作数类型和操作类型 实验课时: 实验二 | 1 | 2 | |
12 | 理论学时: 7.3寻址方式 7.4.3指令格式设计举例 实验课时: 实验三 | 1 | 2 | |
13 | 理论学时: 7.5 risc技术(简要介绍) 第8章 cpu的结构和功能 8.1 cpu的结构 8.2 指令周期 | 3 | ||
14 | 理论学时: 8.4 中断系统 实验课时: 实验四 | 1 | 2 | |
15 | 理论学时: 第10章控制单元的设计 10.2 微程序设计 10.2.1 微程序设计思想的产生 实验课时: 实验五 | 1 | 2 | |
16 | 理论学时: 10.2.2 微程序控制单元框图及工作原理 10.2.3 微指令的编码方式 实验课时: 实验六 | 1 | 2 | |
17 | 理论学时: 10.2.4 微指令序列地址的形成 10.2.5 微指令格式 实验课时: 实验七 | 1 | 2 | |
18 | 习题课时: 复习、答疑 实验课时: 综合实验 | 2 | 1 | |
19 | 考试周 | |||
20 | 考试周 | |||
总学时 | 30 | 16 | 8 |