计算机组成原理课程教学大纲-应用数学学院

附件A 计算机组成原理课程教学大纲

课程名称 中文：计算机组成原理 英文： the Principle of Computer Organization 课程编号 计算机组成原理 学分/学时 2.5学分/(32+16) 所属教研室 信息与计算科学

前后课程 在学习本课程前必须先行学习《大学物理》、《离散数学》、《C语言程序设计》等课程，后续课程有《操作系统》、《计算机网络》等。 课程类型 限制性选修课 考核方式 考查 授课对象 信息与计算科学专业大三学生

教学目的 列出本课程的教学基本要求（含知识、能力及素质发展），如了解、理解、掌握及应用等。 《计算机组成原理》是信息与计算科学专业本科教学中的一门重要硬件基础课。在信息与计算科学专业的教学计划中占有重要地位和作用。学习本课程旨在使学生掌握计算机硬件各子系统的组成原理及实现技术，建立计算机系统的整体概念，对培养学生设计开发计算机系统的能力有重要作用。该课程为今后学习计算机操作系统、计算机网络等课程打好基础。 计算机组成原理课程内容结构：

第1章 计算机系统概论：2学时 重点：冯•诺依曼机结构、计算机的层次结构

序号 重点 讲解思路

1 计算机的分类 从多个角度对计算机进行分类。

2 计算机的发展简史 从第一台计算机开始，讲述计算机的五代变化。

3 计算机的硬件

说明5大部件的主要功能，与其他部件的关系；阐

明计算机的工作过程。

4 计算机的软件 说明软件的组成与分类，软件的发展演变。 5 计算机系统的层次结构

从计算机系统构建的角度和使用计算机解题两个角

度来分析，最后明确《计算机组成原理》课程主要研究的层次。

补充章节：数字电路基础：2学时 授课对象未修过前导课《数字电路》，需要讲授该章内容。 重点：逻辑运算与门电路的基础知识，常用的组合逻辑电路和时序逻辑电路。 授课对象已修过前导课《数字电路》，可以选讲该章部分内容。

第2章 运算方法和运算器：6学时 主线：各种运算器的基础就是二进制加法器。

序号 重点 讲解思路

1 数据格式 对比：计算机中正负号和小数点的表示？机器数和真值？有符号和无符号数的区别与区分？定点数和浮点数的异

同？

2 定点机器数的表示方法 对比：原码、反码、补码、译码的表示方法、表示范围和真值0的表示；与高级语言的数据类型对应

3 浮点机器数的表示方法 规格化的数学定义与硬件电路判断是否规格化的差异；IEEE754浮点数标准的格式特点

4 补码的加减运算和判溢 强调采用补码实现加减运算的优势：符号位和数值位一样参加运算，减法可以转化为加法来实现。

5 定点数的加、减运算 从手工算法入手，引导学生思索如何用硬件实现，再对不适合的地方改进，变成机器算法，最后硬件实现。

6 浮点数的加减运算 从科学计数法表示的实数的加减乘除运算方法入手，推导出浮点数的加减乘除运算方法。

7 定点运算器的结构

对单总线、双总线、三总线结构的运算器进行数据通路分

析，对比完成运算所需的机器周期数，在此开始建立数据通路和总线分时享用的概念。

第3章 多层次的存储器：6学时 主线：存储体系的核心问题就是解决容量、速度与价格的矛盾。 序号 重点 讲解思路

1 存储器概述

搭建多层次的存储体系的目的？通过层次结构来引出后面所

要讲述的各种存储器

2 SRAM和DRAM 从如何存储1位0/1代码，到如何扩展成存储器；从存储位元的结构和原理出发，引出SRAM和DRAM性能上的差异。

3 主存与CPU的连接 通过1个具体例子，由简到繁，逐步完成扩展和连接。 4 Cache 从Cache-主存的工作原理，引出一系列问题：程序访问的局部性原理、命中率、地址映射、替换策略与写策略；强调Cache完全由硬件实现。

5 虚拟存储器 结合80386CPU的虚拟存储器来讲述三种实现方式

第4章 指令系统：4学时 主线：指令系统是软、硬件的交界面。

序号 重点 讲解思路

1 指令格式与操作码扩展 从机器指令、指令系统的概念来引出指令格式，明确操作码和地址码的作用，举例说明操作码扩展技术

2 寻址方式

对比讲解：直接寻址与间接寻址，寄存器直接寻址与寄存器

间接寻址，变址寻址、基址寻址与相对寻址

3 机器指令的编码与译码 通过例子让学生直观的了解机器指令的编码，能够解读机器指令

4 指令类型

着重讲解指令的实现，尤其转移指令、子程序的调用与返回

指令、堆栈指令的实现，为控制器做准备

第5章 中央处理器：6学时 主线：CPU中控制器是控制实现取指令、分析指令、执行指令功能的部件。

序号 重点 讲解思路

1 控制器的组成

根据控制器的功能来讲解控制器的部件，注意区分程序员可

见与不可见的寄存器。

2 指令的执行过程 首先试着搭建整机系统构架，再接着细化和简化，在此基础上分析数据通路，最后以两条典型指令为例，详细描述指令的执行过程（取指令、分析指令、执行）。可以借助动态画面来帮助学生理解。

3 硬布线控制器

按照硬布线控制器的设计方法，在具体到微操作控制信号的系统结构上，仍以同样两条典型指令为例，逐步设计并实现硬布线控制器。最后，再回头在设计好的硬布线控制器上，分析指令是如何被执行的。

4 微程序控制的基本概念

从微程序控制器的基本思想（用软件来控制微操作序列）入

手，讲解微程序、微指令、微命令、控制存储器、微地址、微周期等概念。

5 微程序控制器的组成

在讲解微程序控制器的一般构成的基础上，仍以前面所述的

系统结构和两条典型指令为例，设计出一个简单的微程序控制器。 6 微程序设计技术

对微指令格式中的控制字段和下址字段分别进行设计技术的

探讨，并加以应用：对上述的简单微程序控制器的微指令格式重新进行设计，并编写微代码。

7 设计实例 以模型机的微程序控制器为样本，可与实验结合

第6章 总线：2学时 重点：总线的特性，总线仲裁与定时、常见总线标准。

第7-8章 输入输出系统： 4学时 重点：主机与外设交换信息的方式，中断系统。

教材和主要参考资料： 课堂使用教材: 《计算机组成原理（第5版）》 白中英、戴志涛编著.清华大学出版社，2013. 《计算机组成原理与系统结构实验教程》，西安唐都科教仪器公司,2007.

参考书目: 《计算机组成原理与系统结构》包健、冯建文、章复嘉编著.高等教育出版社.2009. 《计算机组成原理》 唐朔飞编著.高等教育出版社，2008.

教学内容 学时 基本要求 计算机系统概论  计算机的分类  计算机的发展简史  计算机的硬件  计算机的软件  计算机的层次结构 2学时理论 【理解】：计算机软硬件概念、计算机系统的层次结构、计算机硬件的主要技术指标。 【掌握】：计算机的基本组成、冯•诺依曼计算机的特点、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。 数字电路基础  半导体器件  逻辑代数  组合逻辑电路  时序逻辑电路 2学时理论 + 2学时实验 【掌握】常见的半导体器件的开关特性、逻辑运算与门电路的基础知识。 【理解】常用的组合逻辑电路和时序逻辑电路。

运算方法和运算器  数据与文字的表示方法  定点加法、减法运算  定点运算器的组成  浮点运算方法和浮点运算器 6学时理论 + 2学时实验 【理解】数值的表示方法和转换、定点数和浮点数、二进制乘法运算、二进制除法运算、运算部件、数据校验码 【掌握】定点数及浮点数的加减算术运算及运算部件 多层次的存储器  存储器概述  SRAM存储器  DRAM存储器  只读存储器和闪速存储器 6学时理论 + 4学时实验 【掌握】主存储器的主要技术指标、多体交叉存储器、高速缓冲存储器、虚拟存储器、相联存储器 【理解】存储系统的层次结构  并行存储器  Cache存储器  虚拟存储器 指令系统  指令系统的发展与性能要求  指令格式  操作数类型  指令和数据的寻址方式  典型指令  ARM汇编语言 4学时理论 【理解】指令格式、寻址方式、RISC和CISC、机器语言、汇编语言和高级语言 【掌握】寻址方式、指令的设计

中央处理器  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  硬连线控制器  流水线CPU  RISC CPU 6学时理论 + 4学时实验 【理解】控制器的组成、微程序设计技术、硬连线控制、流水线工作原理、计算机的控制过程 【掌握】CPU的功能和组成、控制器的设计技术（微程序和组合逻辑控制器）

总线系统  总线的概念和结构形态  总线接口  总线的仲裁  总线的定时和数据传送模式  常见总线标准 2学时理论 + 4学时实验 【掌握】总线及总线接口的定义、常见的总线标准 【理解】理解总线仲裁方式及数据传送模式。

外存与I/O设备  外围设备概述  磁盘存储设备  磁盘存储设备的技术发展  常见的输入输出设备 4学时理论 【掌握】主机与外设交换信息的方式、中断系统、常见的输入输出设备 【理解】输入输出通道控制方式、外设接品

输入输出系统  输入输出(I/O)系统概述  程序中断输入输出方式  DMA输入输出方式  通道控制方式和外围处理机方式  总线结构  外设接口

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