計算機組成原理課程介紹

計算機組成原理課程介紹第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二精品課程建設中的體會哈爾濱工業(yè)大學唐朔飛2009年10月30日——

計算機組成原理課程介紹第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二精品課程建設中的體會課程目標和定位課程內(nèi)容教材建設教學方法教學手段實踐教學教學隊伍計算機組成原理課程第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二一、課程目標和定位

同一名稱的課程，不同的學校，不同的培養(yǎng)目標，不同的學生基礎，在課程的深度和廣度上應該不同。計算機組成原理課程

哈工大是國家“985”

重點建設的大學，哈工大計算機科學與技術學科被認定為國家一級重點學科，我們的人才培養(yǎng)理念是“研究型、個性化、精英式”人才。第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二一、課程目標和定位

本課程圍繞單CPU計算機硬件系統(tǒng)的基本組成和工作原理，系統(tǒng)地講述計算機硬件系統(tǒng)及其功能部件的內(nèi)部結構、功能特征、工作原理、交互方式和基本設計方法，通過課堂教學和實踐環(huán)節(jié)，使學生系統(tǒng)地理解計算機硬件系統(tǒng)的組織結構和工作原理，掌握計算機硬件系統(tǒng)的基本分析與設計方法，為進一步學習計算機系統(tǒng)結構、操作系統(tǒng)等后續(xù)課程，全面培養(yǎng)對計算機軟硬件系統(tǒng)的認知、設計與創(chuàng)新能力奠定良好的基礎。計算機組成原理課程第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二一、課程目標和定位計算機組成原理課程認知能力：通過對計算機組成原理的分析、講解和配套實驗，培養(yǎng)學生計算機硬件的系統(tǒng)級認知能力。設計能力：掌握必要的硬件描述語言、設計工具及仿真環(huán)境，體驗計算機硬件系統(tǒng)的設計過程，掌握相關硬件設計技術與方法，達到驗證功能部件和系統(tǒng)功能的目的。創(chuàng)新能力：體會前人在特定的技術條件下的創(chuàng)新思維，結合新技術的介紹，大膽暢想未來的技術發(fā)展趨勢，引領學生突破思維定勢。

第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二二、課程內(nèi)容計算機組成原理課程

符合教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會發(fā)布的《高等學校計算機科學與技術專業(yè)公共核心知識體系與課程》和《高等學校計算機科學與技術專業(yè)實踐教學體系和規(guī)范》第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二二、課程內(nèi)容計算機組成原理課程

重點：計算機幾大部件（存儲器、運算器、控制器、輸入輸出系統(tǒng)及總線）的內(nèi)部結構、組織方式和工作原理，以及部件和單元電路的設計思想。

難點：如何以控制流和數(shù)據(jù)流為主線，將計算機各大部件聯(lián)系起來，建立整機概念。如CPU與存儲器、CPU和I/O、存儲器與I/O之間的邏輯關系，控制器如何控制每一條指令的執(zhí)行過程，控制單元的設計思想和實現(xiàn)方案等。第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二三、教材建設計算機組成原理課程

貫穿激發(fā)學生主動探求知識的理念，采用從整體框架入手，自頂向下，由表及里，層層細化的分析方法，詳述計算機組成原理，誘發(fā)學生主動思索、激勵學生主動探求解決各類問題的途徑和手段。

《計算機組成原理第2版》（唐朔飛編著，高等教育出版社）是“十一五”國家級規(guī)劃教材，自2008年1月出版至今，已印刷5

次，共90000

余冊。

第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二四、教學方法計算機組成原理課程填鴨似的灌入式學生參與思索的啟發(fā)式激發(fā)學生主動探求答案積極性的激發(fā)式老師授課時在每個章節(jié)處安排疑點在每一堂課的前后連接處提出懸念激發(fā)學生學習的興趣和探索的欲望，引導學生主動思考

第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二五、教學手段計算機組成原理課程配套的電子課件（隨書出版）輔助教材

《計算機組成原理——

學習指導與習題解答》

（唐朔飛，高教出版社2005

年出版）

化解課程中遇到的重點和難點，達到“自檢”學習的效果試題庫為教師提供試題參考教學網(wǎng)站

提供教學大綱、教學設計、教學日歷、學習指導、實驗大綱、習題精選、互動論壇等

各種教學資源集成發(fā)展

有助于學生消化、吸收、理解、掌握課程內(nèi)容第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二六、實踐教學計算機組成原理課程第一階段基本技能的培養(yǎng)第二階段部件綜合設計能力的培養(yǎng)第三階段系統(tǒng)設計能力的培養(yǎng)

通過實驗課，結合實驗臺完成驗證型、設計型、綜合型三種實驗，進一步加深課堂教學的感性認識

通過課程設計或“計算機設計實踐”后續(xù)課完成

通過“計算機設計與實踐”后續(xù)課完成第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二六、實踐教學計算機組成原理課程

“計算機設計與實踐”是一門實踐性很強的計算機組成原理的后續(xù)課程，實踐環(huán)節(jié)占80%。要求學生學會一種硬件描述語言，熟練使用指定的芯片級開發(fā)工具和相應的調(diào)試手段，掌握系統(tǒng)級設計的過程和深入領會芯片級設計的層次化思想，設計并實現(xiàn)指定功能的處理器芯片，再利用該芯片搭建一個系統(tǒng)，完成訪存控制操作和基本I/O控制操作，建立整機概念。第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二六、實踐教學計算機組成原理課程

通過計算機部件設計和處理器設計，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)分析與設計能力以及運用知識求解問題的能力。

通過硬件描述語言的學習和開發(fā)工具的使用，訓練學生的系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試能力，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力，提高工程素質(zhì)。第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二七、教學隊伍計算機組成原理課程

教師隊伍的建設是能否確保教學事業(yè)持續(xù)發(fā)展和不斷創(chuàng)新的根本保證。

強調(diào)教師隊伍的知識結構。

注重培養(yǎng)年輕教師的能力，要求他們不僅會“教”，還要求他們會“導”，參與本課程的各個環(huán)節(jié)，（聽課、答疑、批改作業(yè)、講習題、指導實驗等），貫徹老帶中、中帶新，層層有指導，有督察。第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二精品課程建設中的體會課程目標和定位課程內(nèi)容教材建設教學方法教學手段實踐教學教學隊伍計算機組成原理課程第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二計算機組成原理教學設計哈爾濱工業(yè)大學唐朔飛2009年10月30日第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二計算機組成原理教學設計課程的內(nèi)容體系教材選擇課程講授作業(yè)安排實驗環(huán)節(jié)考題設計成績評定第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二一、課程的內(nèi)容體系

1．基本描述計算機組成原理教學設計課程名稱：計算機組成原理課程英文名稱：PrinciplesofComputerOrganization課程性質(zhì)：計算機科學與技術專業(yè)必修的核心專業(yè)基礎課總學時：68講課學時：52實驗學時：16先修課程：計算機導論、數(shù)字邏輯設計、匯編語言程序設計后續(xù)課程：計算機接口技術、計算機系統(tǒng)結構、操作系統(tǒng)等第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二一、課程的內(nèi)容體系

2．教學定位計算機組成原理教學設計

計算機組成原理是計算機科學與技術專業(yè)本科教學中的一門重要專業(yè)基礎課，在計算機科學與技術專業(yè)的教學計劃中占有重要地位和作用。學習本課程旨在使學生掌握計算機硬件各子系統(tǒng)的組成原理及實現(xiàn)技術，建立計算機系統(tǒng)的整體概念，對培養(yǎng)學生設計開發(fā)計算機系統(tǒng)的能力有重要作用。該課程為今后學習接口技術、計算機系統(tǒng)結構、嵌入式系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡等后續(xù)課程，全面培養(yǎng)學生計算機軟硬件系統(tǒng)認識、設計與創(chuàng)新能力奠定良好的基礎。第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二一、課程的內(nèi)容體系計算機組成原理教學設計（1）計算機系統(tǒng)的基本概念（3學時）計算機軟硬件概念；計算機系統(tǒng)的層次結構；計算機的基本組成；馮?諾依曼計算機的特點；計算機的硬件框圖及工作過程；計算機硬件的主要技術指標；計算機的發(fā)展及應用。（2）總線（3學時）總線的基本概念；總線的分類；總線特性及性能指標；總線結構；總線的判優(yōu)控制和通信控制。

3．知識點與學時分配第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二一、課程的內(nèi)容體系計算機組成原理教學設計（3）存儲器（10學時）存儲器分類和存儲器的層次結構；主存儲器（包括半導體儲芯片簡介、靜態(tài)隨機存取存儲器和動態(tài)隨機存取存儲器、只讀存儲器、存儲器與CPU的連接、存儲器的校驗、提高訪存速度措施）；高速緩沖存儲器（包括Cache的基本結構及工作原理、Cache-主存地址映射、替換算法）；輔助存儲器（包括輔助存儲器的特點及主要技術指標、磁記錄原理和記錄方式、磁盤存儲器的結構、光盤存儲器的存取原理）。

3．知識點與學時分配第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二一、課程講授的內(nèi)容體系計算機組成原理教學設計（4）輸入輸出系統(tǒng)（8學時）輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況及組成、I/O與主機的編址方式、傳送方式、聯(lián)絡方式以及設備尋址；外部設備分類及簡介；Ｉ/O接口的功能及基本組成；程序查詢方式的工作原理及程序查詢接口電路；程序中斷方式的工作原理及程序中斷接口電路、中斷服務流程；DMA方式的特點、DMA接口電路的功能、組成、類型及DMA的工作過程。

3．知識點與學時分配第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二一、課程的內(nèi)容體系計算機組成原理教學設計（6）計算機中數(shù)的表示（4學時）計算機中有符號數(shù)（原碼、補碼、反碼、移碼）和無符號數(shù)的表示；計算機中數(shù)的定點表示和浮點表示。（7）計算機的運算方法和運算器（8學時）定點運算（算術移位和邏輯移位、補碼加減、原碼補碼乘法、原碼補碼除法）及相應的硬件配置；浮點四則運算；算術邏輯單元及進位鏈。

3．知識點與學時分配第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二一、課程的內(nèi)容體系計算機組成原理教學設計（7）指令系統(tǒng)（4學時）機器指令的一般格式；操作數(shù)類型和操作類型；指令的地址格式和尋址方式；指令格式舉例；RISC技術概述。（8）CPU的結構和功能（4學時）

CPU的功能及結構框圖；指令周期；指令流水；中斷系統(tǒng)（包括引起中斷的各種因素，中斷系統(tǒng)所需解決的共性問題，如：中斷請求標記、中斷判優(yōu)、中斷響應、中斷服務、中斷返回、多重中斷等）。

3．知識點與學時分配第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二一、課程的內(nèi)容體系計算機組成原理教學設計（9）控制單元（4學時）微操作命令的分析（按取指周期、間指周期、執(zhí)行周期和中斷周期分析不同指令的微操作命令）；控制單元的外特性；多級時序系統(tǒng)；控制方式；控制信號實例分析。

3．知識點與學時分配第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二一、課程的內(nèi)容體系計算機組成原理教學設計（10）控制單元的設計（4學時）組合邏輯設計：組合邏輯控制單元框圖、微操作節(jié)拍安排、組合邏輯設計舉例。微程序設計：微程序控制單元框圖及工作原理、微指令的編碼方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序設計舉例。

3．知識點與學時分配第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二二、教材選擇

選用普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材《計算機組成原理第2版》（唐朔飛編著，高等教育出版社，2008年1月）該教材是面向21世紀課程教材《計算機組成原理》的第2版。該教材根本上扭轉了從二進制數(shù)制碼制開始，接著按運算器、存儲器、控制器、輸入輸出系統(tǒng)的順序，逐一講述計算機中各部件的傳統(tǒng)寫法，致使學生往往學了半個學期，仍不知其所以然，直到最后才將全部的內(nèi)容連貫起來。這種自底向上的講述方法，不易激發(fā)學生主動探求知識，也不利于“以學生為主”的教學方式。

計算機組成原理課程第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二二、教材選擇

本教材定位在原理和性能分析上。首先把學生領到計算機整體框架的制高點上，然后帶領學生自頂向下，由表及里，層層細化，一步一步進入到計算機的內(nèi)核，更有利于學生對計算機工作原理的理解。在深化過程中，每走一步會出現(xiàn)一系列懸念，每一個懸念又都啟發(fā)學生主動從下一篇章尋求答案。因此在大框架的指導下，在深入細化的過程中，學生自覺的加深了對計算機的理解。在此過程中，由于突出了激發(fā)式教育，學生經(jīng)過主動探求，使知識掌握得更加牢固。計算機組成原理課程第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二三、課程講授

1．重點與難點計算機組成原理教學設計第1章計算機系統(tǒng)概論重點：計算機組成的概貌和框圖；主機完成一條指令的

信息流程

難點：如何區(qū)分存放在存儲器中的指令和數(shù)據(jù)

第2章計算機的發(fā)展及應用本章屬于綜述性內(nèi)容不存在重點及重點第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二三、課程講授

1．重點與難點計算機組成原理教學設計第3章系統(tǒng)總線重點：總線的功能與結構；總線的性能指標；總線的判優(yōu)控制和通信控制；如何克服總線的瓶頸

難點：總線的通信控制第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二三、課程講授

1．重點與難點計算機組成原理教學設計第4章存儲器重點：存儲系統(tǒng)的層次結構；主存、Cache的工作原理及技術指標；半導體體存儲芯片的外特性及與CPU

的連接；提高訪存速度的措施。

難點：對于一定容量的存儲器，按字節(jié)或字訪問的尋址范圍；多體并行結構存儲器順序編址和交叉編址對訪存速度的影響；

Cache—主存地址映射。第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二三、課程講授

1．重點與難點計算機組成原理教學設計第5章輸入輸出系統(tǒng)重點：主機與I/O交換信息的三種控制方式；程序查詢方式、程序中斷方式和DMA方式的各自特點、接口電路和工作原理。難點：處理I/O中斷的各類軟、硬件技術的運用；

DMA

與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點；周期竊取的含義；

CPU響應中斷請求和DMA請求的時間。第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二三、課程講授

1．重點與難點計算機組成原理教學設計第6章計算機的運算方法重點：有符號數(shù)、無符號數(shù)、定點數(shù)和浮點數(shù)的表示；移位運算、定點補碼加、減、乘、除運算；浮點補碼

加減運算；提高運算速度的措施。難點：機器字長相同的條件下，補碼比原碼和反碼能多表示一個負數(shù)；區(qū)分浮點數(shù)和補碼表示的浮點規(guī)格化數(shù)；在定點機和浮點機中，如何判斷運算結果溢出；不同的機器數(shù)運算規(guī)則不同，直接影響運算器的硬件組成。第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二三、課程講授

1．重點與難點計算機組成原理教學設計第7章指令系統(tǒng)重點：指令格式，尋址方式難點：設計指令格式擴展操作碼技術的運用在可按字節(jié)和字尋址的存儲器中，不同的機器其數(shù)據(jù)的存放方式是不同的第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二三、課程講授

1．重點與難點計算機組成原理教學設計第8章CPU的結構和功能重點：CPU的功能和硬件組成；

CPU工作周期和指令周期的概念；一個完整的指令周期中的信息流程；指令流水；中斷系統(tǒng)需要解決的問題及實施方案。難點：影響指令流水線性能的因素；超標量、超流水、超長指令字的特點；各種中斷技術和實現(xiàn)多重中斷所需配置的硬件；響應優(yōu)先級和處理優(yōu)先級的區(qū)別。第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期二三、課程講授

1．重點與難點計算機組成原理教學設計第9章控制單元的功能重點：控制單元對不同的指令在取指、間址和中斷周期中，發(fā)出哪些相同的操作命令；多級時序系統(tǒng)；控制單元的控制方式（同步、異步、聯(lián)合）。難點：指令周期、機器周期、時鐘周期與控制信號的關系；