計算機組成原理課程教學(xué)大綱

1、計算機組成原理課程教學(xué)大綱【課程名稱】（ComputerOrganizationPrinciple）【課程編碼】JSZB0170【適用專業(yè)】計算機科學(xué)與技術(shù)【課時】理論課時：72，實驗課時：20【學(xué)分】4【課程性質(zhì)、目標(biāo)和要求】計算機組成原理是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)必修課之一。課程教學(xué)主要包括理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩大部分。其中，理論教學(xué)著重基本理論，基本概念的學(xué)習(xí)，采用從抽象到具體的分析方法，通過計算機系統(tǒng)概論、數(shù)據(jù)信息的表示與處理、控制信息的表示與處理、存儲系統(tǒng)與I/O系統(tǒng)等主要模塊，討論系統(tǒng)程序員所能見到的計算機硬件特性和計算機硬件的具體實現(xiàn)，并面向主題逐層面地講解計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成原

2、理及硬件與軟件的界面（即指令系統(tǒng)）跟整個計算機系統(tǒng)功能之間的關(guān)系。實驗教學(xué)通過微機原理實驗室開設(shè)的相關(guān)實驗，注重培養(yǎng)學(xué)生獨立分析和實驗典型部件的工作過程，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和系統(tǒng)開發(fā)工作打下扎實基礎(chǔ)。教學(xué)目標(biāo)力求學(xué)生掌握運算器、控制器、存儲器的構(gòu)成原理、指令流程、組合邏輯控制、微程序控制、I/O控制等內(nèi)容；了解數(shù)據(jù)信息的表示、運算方法與各類半導(dǎo)體存儲器、輔助存儲器；了解目前各種新興的計算機、外部設(shè)備、并行處理和計算機網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)內(nèi)容。要求學(xué)生運用電子線路知識進一步掌握計算機硬件設(shè)計原理和實現(xiàn)技術(shù)；同時運用匯編語言程序設(shè)計知識進一步掌握指令系統(tǒng)和各種接口的應(yīng)用?！窘虒W(xué)時間安排】本課程計4學(xué)分，72+

3、20學(xué)時,學(xué)時分配如下：理論課教學(xué)課時分配序號課程內(nèi)容/實驗名稱實驗類型課時備注1第1章計算機系統(tǒng)概論22第2章計算機的邏輯部件83第3章運算方法和運算部件84第4章主存儲器45第5章指令系統(tǒng)106第6章中央處理部件CPU127第7章存儲系統(tǒng)48第8章輔助存儲器69第9章輸入輸出（I/O）設(shè)備610第10章輸入輸出（I/O）系統(tǒng)611第11章計算機系統(tǒng)412第12章計算機硬件設(shè)計和實現(xiàn)導(dǎo)論2合計72學(xué)時注：(1) 課時是建議課時，教師可根據(jù)學(xué)生實際情況適當(dāng)調(diào)整；(2) 重點教學(xué)內(nèi)容為110章，11、12章可根據(jù)情況調(diào)整;實驗課教學(xué)課時分配序號課程內(nèi)容/實驗名稱實驗類型課時(學(xué)時)備注1緒論講解

4、22實驗儀器的基本功能和操作方法講解、學(xué)習(xí)23匯編語言程序設(shè)計實驗綜合4必做4運算器實驗驗證2必做5觀察數(shù)據(jù)流程及測試相關(guān)信號驗證2必做6存儲器部件實驗驗證2必做7用微指令來完成一條機器指令驗證2必做8微程序設(shè)計實驗驗證4選作9串行口實驗綜合4必做10整機故障模擬排查綜合4選作實驗1180X86masm32程序初步綜合4選作實驗12微型計算機系統(tǒng)組裝綜合8選作實驗13計算機網(wǎng)絡(luò)與通信綜合4選作實驗14硬件設(shè)計語言HDL初步綜合20選作實驗合計20必做部分注：(1) 實驗學(xué)時不含實驗準(zhǔn)備時間，只給出實驗上機時間，要求學(xué)生在實驗前弄清當(dāng)次實驗的要求，預(yù)先做好實驗設(shè)計工作。(2) 實驗儀器采用計算機

5、原理實驗室的微機原理實驗設(shè)備、儀器；(3) 實驗資料，采用實驗儀器附帶的實驗資料；(4) 選作實驗根據(jù)學(xué)生實際情況由任課教師選擇執(zhí)行；【教學(xué)內(nèi)容要點】1、總論：(1)課程教學(xué)內(nèi)容要求的層次劃分為掌握、理解、了解三個層次，其中掌握：要求學(xué)生能夠全面、深入理解和熟練掌握所學(xué)內(nèi)容，并能夠用其分析、初步設(shè)計和解答與應(yīng)用相關(guān)的問題，能夠舉一反三。理解：要求學(xué)生能夠較好地理解所學(xué)內(nèi)容，并且能夠進行簡單分析和判斷。了解：要求學(xué)生能夠一般地了解所學(xué)內(nèi)容。(2)教材內(nèi)容分割：第1章第10章：是基本部分，著重闡述構(gòu)成一臺計算機的基本原理，著重于基本原理的理解。例如對于計算機的各個功能部件，應(yīng)著重了解它們在整機中的

6、作用以及由此而分配給各部件所要完成的任務(wù)，從而正確設(shè)計或選用硬件，而不致被眾多的、風(fēng)格各異的計算機結(jié)構(gòu)及組成所迷惑。根據(jù)摩爾定律，半導(dǎo)體芯片的集成度每隔18個月翻一番，由此可理解計算機技術(shù)的發(fā)展是必然的，這就可以說明為什么過去僅在大型機中才采用的流水線組織、并行處理、cache等技術(shù)可以移到微處理器芯片中去實現(xiàn)，甚至還可實現(xiàn)二級cache和三級cache；為什么計算機中主存DRAM的容量增加得這樣快，而且又有多種DRAM類型出現(xiàn)。第11章：對當(dāng)前出現(xiàn)的多種計算機諸如筆記本電腦、多媒體PC、個人數(shù)字助理(PDA)等進行了分析，強調(diào)其特點。并行處理和計算機網(wǎng)絡(luò)雖不是本書的重點，卻是很重要的，了解一

7、些概念是必要的。第12章：簡單地講述了計算機硬件設(shè)計的若干問題，目的是擴充知識面，作為計算機專業(yè)的學(xué)生，今后可能會有一部分人從事硬件設(shè)計工作。有一些基礎(chǔ)知識后，可在工作中進一步自學(xué)。以下分章節(jié)列出教學(xué)內(nèi)容要點：第1章計算機系統(tǒng)概論一、學(xué)習(xí)目的要求初步了解計算機語言，計算機硬件等概念，了解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，電子計算機的發(fā)展簡史，以及各種計算機的應(yīng)用。二、主要教學(xué)內(nèi)容第1章計算機系統(tǒng)概論1.1 計算機的語言1.2 計算機的硬件1.3 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.4 電子計算機的發(fā)展簡史1.5 計算機的應(yīng)用第2章計算機的邏輯部件一、學(xué)習(xí)目的要求掌握：三種基本邏輯操作及布爾代數(shù)的基本公式,邏輯函數(shù)的化

8、簡,邏輯門的實現(xiàn);理解：計算機中常用的組合邏輯電路(加法器、算術(shù)邏輯單元、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器)、時序邏輯電路(觸發(fā)器、寄存器和移位寄存器、計數(shù)器)了解：陣列邏輯電路(只讀存儲器ROM、可編程序邏輯陣列PLA、可編程序陣列邏輯PAL、通用陣列邏輯GAL、門陣列(GA)、宏單元陣列(MA)、標(biāo)準(zhǔn)單元陣列(SCA)、可編程序門陣列(PGA)二、主要教學(xué)內(nèi)容第2章計算機的邏輯部件2.1 三種基本邏輯操作及布爾代數(shù)的基本公式2.2 邏輯函數(shù)的化簡2.2.1 代數(shù)化簡法2.2.2 卡諾圖化簡法2.3邏輯門的實現(xiàn)2.4 計算機中常用的組合邏輯電路2.4.1 加法器2.4.2算術(shù)邏輯單元2.4.3 譯碼器2.

9、4.4 數(shù)據(jù)選擇器2.5 時序邏輯電路2.5.1 觸發(fā)器2.5.2 寄存器和移位寄存器2.5.3 計數(shù)器2.6 陣列邏輯電路2.6.1只讀存儲器(ROM)2.6.2可編程序邏輯陣列(PLA)2.6.3可編程序陣列邏輯(PAL)2.6.4通用陣列邏輯(GAL)2.6.5門陣列(GA)、宏單元陣列(MA)、標(biāo)準(zhǔn)單元陣列(SCA)2.6.6可編程序門陣列(PGA)第3章運算方法和運算部件一、學(xué)習(xí)目的要求請參考主要教學(xué)內(nèi)容后的括號注釋部分二、主要教學(xué)內(nèi)容第3章運算方法和運算部件3.1 數(shù)據(jù)的表示方法和轉(zhuǎn)換(掌握)3.1.1 數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示和轉(zhuǎn)換3.1.2十進制數(shù)的編碼與運算3.2 帶符號的二進制數(shù)據(jù)

10、在計算機中的表示方法及加減法運算(理解)3.2.1 原碼、補碼、反碼及其加減法運算3.2.2 加減法運算的溢出處理3.2.3 定點數(shù)和浮點數(shù)3.3 二進制乘法運算(理解)3.3.1 定點數(shù)一位乘法3.3.2 定點數(shù)二位乘法3.3.3 陣列乘法器3.4二進制除法運算(理解)3.4.1 定點除法運算3.4.2 提高除法運算速度的方法舉例3.5 浮點數(shù)的運算方法(了解)3.5.1 浮點數(shù)的加減法運算3.5.2 浮點數(shù)的乘除法運算3.6 運算部件(理解)3.7 數(shù)據(jù)校驗碼(理解)3.7.1 奇偶校驗碼3.7.2 海明校驗碼3.7.3循環(huán)冗余校驗(CRC)碼第4章主存儲器(一、學(xué)習(xí)目的要求參考主要教學(xué)內(nèi)

11、容后的括號注釋部分二、主要教學(xué)內(nèi)第4章主存儲器4.1主存儲器處于全機中心地位4.2主存儲器分類4.3主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)4.4主存儲器的基本操作4.5讀/寫存儲器（即隨機存儲器（RAM）4.6非易失性半導(dǎo)體存儲器4.7 DRAM的研制與發(fā)展4.8半導(dǎo)體存儲器的組成與控制4.9多體交叉存儲器4.9.1編址方式4.9.2重疊與交叉存取控制第5章指令系統(tǒng)一、學(xué)習(xí)目的要求請參考主要教學(xué)內(nèi)容后的括號注釋部分二、主要教學(xué)內(nèi)容第5章指令系統(tǒng)（重點內(nèi)容）5.1指令系統(tǒng)的發(fā)展（了解）5. 2指令格式（掌握）5.2.1指令格式5.2.2指令操作碼的擴展技術(shù)5.2.3指令長度與字長的關(guān)系5.3數(shù)據(jù)表示（掌握）5.

12、4尋址方式（編址方式）（掌握）5.5指令類型（理解）5.5.1指令的分類及功能5.5.2雙字長運算（子程序舉例）5.6指令系統(tǒng)的兼容性（理解）5.7精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）和復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機（CISC）（理解）5.7.1什么是復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機5.7.2RISC的產(chǎn)生與發(fā)展5.7.3RISC的特點5.8指令系統(tǒng)舉例（了解）5.8.1SPARC的指令系統(tǒng)5.8. 2Pentium微處理器指令系統(tǒng)5.8.3IBM大型機指令系統(tǒng)5.8.4PDP11與VAX11基本指令格式簡介5.8.5向量指令舉例5.9機器語言、匯編語言和高級語言（了解）第6章中央處理器（CPU）一、學(xué)習(xí)目的要求請參考主要教

13、學(xué)內(nèi)容后的括號注釋部分二、主要教學(xué)內(nèi)第6章中央處理部件CPU（重點內(nèi)容）6.1計算機的硬件系統(tǒng)（了解）6.2控制器的組成（掌握）6.2.1控制器的功能6.2.2控制器的組成6.2.3指令執(zhí)行過程6.3微程序控制計算機的基本工作原理（理解）6.3.1微程序控制的基本概念6.3.2實現(xiàn)微程序控制的基本原理6.4微程序設(shè)計技術(shù)（理解）6.4.1微指令的編譯法（編碼譯碼方法）6.4.2微程序流的控制6.4.3微指令格式6.4.4微程序控制存儲器和動態(tài)微程序設(shè)計6.4.5微程序設(shè)計語言6.5硬布線控制的計算機（理解）6.5.1時序與節(jié)拍6.5.2操作控制信號的產(chǎn)生6.5.3控制器的組成6.5.4硬布線控

14、制邏輯設(shè)計中的若干問題6.5.5硬布線控制與微程序控制的比較6.6控制器的控制方式（理解）6.7流水線工作原理（了解）6.8 CPU舉例（了解）6.8.1 RISC的CPU6.8.2 RISC的編譯系統(tǒng)6.8. 3Pentium微處理器6. 9計算機的加電及控制過程（掌握）第7章存儲系統(tǒng)一、學(xué)習(xí)目的要求請參考主要教學(xué)內(nèi)容后的括號注釋部分二、主要教學(xué)內(nèi)容第7章存儲系統(tǒng)7.1存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)7.2高速緩沖存儲器(cache)7.2.1cache存儲器工作原理7.2.2cache存儲器組織7.2.3cache存儲器舉例7.2.4多層次cache存儲器7.3 虛擬存儲器7.3.1 虛擬存儲器概述7.

15、3.2 頁式虛擬存儲器7.3.3 段頁式虛擬存儲器7.3.4 虛擬存儲器工作的全過程7.3.5Pentium處理機的虛擬存儲器7.3.6存儲管理部件(MMU)7.4相聯(lián)存儲器7.5 存儲保護第8章輔助存儲器一、學(xué)習(xí)目的要求請參考主要教學(xué)內(nèi)容后的括號注釋部分二、主要教學(xué)內(nèi)容第8章輔助存儲器8.1 輔助存儲器的種類與技術(shù)指標(biāo)(掌握)8.2 磁記錄原理與記錄方式(理解)8.2.1 磁記錄原理8.2.2 磁記錄介質(zhì)與磁頭8.2.3 磁記錄方式8.3 硬磁盤存儲器(理解)8.3.1 硬磁盤存儲器的種類及基本結(jié)構(gòu)8.3.2硬磁盤驅(qū)動器(HDD)及硬磁盤控制器(HDC)8.3.3 磁盤cache8.3.4

16、磁盤陣列存儲器8.3.5 硬磁盤驅(qū)動器的發(fā)展動向8.4軟磁盤存儲器(了解)8.4.1 概述8.4.2 軟磁盤片8.4.3 軟磁盤的記錄格式8.4.4 軟磁盤驅(qū)動器和控制器8.4.5 軟磁盤驅(qū)動器發(fā)展動向8.5 磁帶存儲器(了解)8.5.1 概述8.5.2 磁帶機的結(jié)構(gòu)8.5.3 磁帶的記錄格式&5.4循環(huán)冗余校驗碼(CRC)8.5.5 磁帶機的發(fā)展動向8.6 光盤存儲器（了解）8.6.1 光盤存儲器種類8.6.2 光盤的讀寫原理8.6.3 光盤存儲器的組成8.7 硬盤、軟盤、磁帶和光盤存儲器的綜合比較第9章輸入輸出設(shè)備一、學(xué)習(xí)目的要求請參考主要教學(xué)內(nèi)容后的括號注釋部分二、主要教學(xué)內(nèi)容第

17、9章輸入輸出（I/O）設(shè)備9.1外部設(shè)備概述（理解）9.2 輸入設(shè)備（理解）9.2.1 鍵盤9.2.2 光筆、圖形板和畫筆（或游動標(biāo)）輸入9.2.3 鼠標(biāo)器、跟蹤球和操作桿輸入9.2.4 觸摸屏9.2.5圖像輸入設(shè)備（攝像機和數(shù)字照相機）9.2.6 條形碼及其技術(shù)9.2.7光學(xué)字符識別（OCR）技術(shù)和語音文字輸入系統(tǒng)9.3輸出設(shè)備顯示器（理解）9.3.1 顯示設(shè)備種類9.3.2 顯示技術(shù)中的有關(guān)術(shù)語9.3.3 字符顯示器9.3.4 圖形和圖像顯示9.4輸出設(shè)備打印機（理解）9.4.1 點陣針式打印機9.4.2 激光打印機9.4.3 噴墨打印機9.4.4 熱轉(zhuǎn)印打字機9.4.5 打印機的發(fā)展趨勢

18、9.5 漢字處理技術(shù)（理解）9.5.1 漢字編碼標(biāo)準(zhǔn)9.5.2 漢字的輸入方法9.5.3 漢字的存儲9.5.4 漢字的輸出第10章輸入輸出系統(tǒng)（I/O）一、學(xué)習(xí)目的要求請參考主要教學(xué)內(nèi)容后的括號注釋部分二、主要教學(xué)內(nèi)第10章輸入輸出（I/O）系統(tǒng)（難點）10.1輸入輸出（I/O）系統(tǒng)概述（理解）10. 1.1輸入輸出設(shè)備的編址及設(shè)備控制器的基本功能10.1.2I/0設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式10.2程序中斷輸入輸出方式（理解）10.2.1中斷的作用、產(chǎn)生和響應(yīng)10.2.2中斷處理10.2.3程序中斷設(shè)備接口的組成和工作原理10.3DMA輸入輸出方式（掌握）10.3.1DMA三種工作方式10.3.2D

19、MA控制器組成10.3.3DMA的數(shù)據(jù)傳送過程10.3.4軟盤接口邏輯電路舉例10.4通道控制方式和外圍處理機方式（了解）10.4.1I/O通道的種類10.4.2通道型I/O處理機（IOP）和外圍處理機10.5總線結(jié)構(gòu)（理解）10.5.1總線類型10.5.2總線組成10.5.3微機總線10.6外設(shè)接口（理解）10.6.1IDE和EIDE接口10.6.2SCSI接口10.6.3其他外設(shè)接口第11章計算機系統(tǒng)一、學(xué)習(xí)目的要求請參考主要教學(xué)內(nèi)容后的括號注釋部分二、主要教學(xué)內(nèi)容第11章計算機系統(tǒng)11.1計算機系統(tǒng)概述（理解）11.1.1計算機系統(tǒng)的分類11.1.2提高計算機系統(tǒng)運算速度的方法11.1.

20、3開放系統(tǒng)11.1.4計算機系統(tǒng)的性能評測11.2微機系統(tǒng)（理解）11.2.1Intel微處理器及個人計算機11.2.2PC的分類11.2.3家用PC11.2.4嵌入式計算機（工業(yè)PC和軍用計算機）11.2.5智能卡11.2.6綠色計算機11.3工作站和服務(wù)器（了解）11.3.1工作站11.3.2服務(wù)器11.4多媒體計算機11.4.1概述11.4.2多媒體計算機系統(tǒng)的組成11.4.3多媒體計算機系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)11.4.4視頻和音頻信息的獲取和回放11.4.5多媒體計算機的用途與實例11.5超級標(biāo)量處理機、超級流水線處理機和超長指令字處理機11.6向量處理機（了解）11.7陣列處理機和多處理機系

21、統(tǒng)11.7.1SIMD并行處理機系統(tǒng)（陣列處理機系統(tǒng)）11.7.2多處理機系統(tǒng)11.7.3SGIOrigin多處理機體系結(jié)構(gòu)11.8計算機網(wǎng)絡(luò)（了解）11.8.1什么是計算機網(wǎng)絡(luò)11.8.2網(wǎng)絡(luò)的組成11.8.3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議11. 8.4Internet（因特網(wǎng)）第12章計算機硬件設(shè)計和實現(xiàn)導(dǎo)論一、學(xué)習(xí)目的要求請參考主要教學(xué)內(nèi)容后的括號注釋部分二、主要教學(xué)內(nèi)容第12章計算機硬件設(shè)計和實現(xiàn)導(dǎo)論（理解）12.1計算機硬件的總體設(shè)計（理解）12. 1.1計算機硬件設(shè)計過程12.1.2指令系統(tǒng)的模擬與仿真12.1.3微程序設(shè)計自動化12.1.4逆向工程的概念12.2專用集成電路ASIC設(shè)計概述（理解）12

22、.2.1專用集成電路的設(shè)計過程12.2.2硬件描述語言（VHDL）【實驗教學(xué)內(nèi)容要點】學(xué)院已經(jīng)建立了計算機組成原理實驗室，該課程的實驗可分組進行，獨立操作，學(xué)生實驗報告遵照學(xué)院有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。一、關(guān)于各實驗的通用說明:1. 先修課程要求：學(xué)生已經(jīng)先期開設(shè)匯編語言課程，有基本的匯編語言編程經(jīng)歷；熟悉80X86的主要指令；熟悉計算機的基本應(yīng)用；2. 實驗儀器設(shè)備：使用計算機組成原理實驗室提供的成套設(shè)備；3. 實驗資料：以計算機組成原理實驗室提供的整套設(shè)備附帶的實驗資料為主，在實驗教師、實驗人員的指導(dǎo)下使用有關(guān)儀器設(shè)備；4. 實驗步驟請參考具體計算機組成原理實驗箱所附資料；5. 實驗分組：一般每組不超

23、過4人；6. 實驗學(xué)時并不含實驗準(zhǔn)備時間，只給出實驗上機時間，要求學(xué)生在實驗前弄清當(dāng)次實驗的要求，并預(yù)先做好實驗設(shè)計工作。實驗項目屬性主要內(nèi)容課時緒論講解（1）計算機硬件設(shè)計和實現(xiàn)概論（2）專用集成電路ASIC設(shè)計概述（3）編程器簡介（ROM中的程序如何存入）（4）實驗相關(guān)事項的要求；（5）有關(guān)說明等2實驗儀器的基本功能和操作方法講解示范由實驗指導(dǎo)人員講解、演示：（1）計算機組成原理實驗箱的組成，結(jié)構(gòu)；（2）計算機組成原理實驗箱的使用方法，注意事項，安全事項；（3）實驗指導(dǎo)人員實際示范、演示相關(guān)儀器設(shè)備的使用過程。（4）完整演示一次具體的實驗操作；2匯編語言程序設(shè)計實驗必做（1）IO程序編制與

24、調(diào)試（2）CV調(diào)試與debug調(diào)試（3）PROC、Macro與MACRO庫的建立與使用（4）匯編語言指令加密技術(shù)等（花指令技術(shù)，即在代碼段內(nèi)隨機摻入部分?jǐn)?shù)據(jù)，防止被跟蹤）4運算器實驗必做（1）掌握基本的運算器控制方法（2）掌握微指令概念（3）理解運算器完成各種運算的控制流程的設(shè)計思想（4）理解微指令與指令的關(guān)系（*本實驗請參考實驗箱資料）2觀察數(shù)據(jù)流程及測試相關(guān)信號必做（1）通過觀察具體的數(shù)據(jù)流程（2）掌握測試儀器的使用（3）測試信號并記錄（*本實驗請參考實驗箱資料）2存儲器部件實驗必做（1）了解存儲器的工作原理（2）了解存儲器的擴展技術(shù)（*本實驗請參考實驗箱資料）2用微指令來完成一條機器指令必做（1）使用微指令逐步驟完成一條指令（2）理解指令與微指令的關(guān)系（3）理解微指令的編碼（4）理解指令的編碼（5）觀察、并記錄實驗過程（*本實驗請參考實驗箱資料）2串行口實驗必做（1）理解串口的工作原理（2）使用匯編語言編制串口通信程序（3）使用高級語言編制串口通信程序（4）了解串口通信電纜規(guī)范（5）制作串口通信電纜（6）在兩臺計算機之間檢驗程序480X86masm32程序初步選作實驗使用MASM32進彳丁