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附件A

計算機(jī)組成原理課程教學(xué)大綱

課程名稱

中文：計算機(jī)組成原理

英文： the Principle of Computer Organization

課程編號

計算機(jī)組成原理

學(xué)分/學(xué)時

2.5學(xué)分/(32+16)

所屬教研室

信息與計算科學(xué)

前后課程

在學(xué)習(xí)本課程前必須先行學(xué)習(xí)《大學(xué)物理》、《離散數(shù)學(xué)》、《C語言程序設(shè)計》等課程，后續(xù)課程有《操作系統(tǒng)》、《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》等。

課程類型

限制性選修課

考核方式

考查

授課對象

信息與計算科學(xué)專業(yè)大三學(xué)生

教學(xué)目的

列出本課程的教學(xué)基本要求(含知識、能力及素質(zhì)發(fā)展)，如了解、理解、掌握及應(yīng)用等。

《計算機(jī)組成原理》是信息與計算科學(xué)專業(yè)本科教學(xué)中的一門重要硬件基礎(chǔ)課。在信息與計算科學(xué)專業(yè)的教學(xué)計劃中占有重要地位和作用。學(xué)習(xí)本課程旨在使學(xué)生掌握計算機(jī)硬件各子系統(tǒng)的組成原理及實現(xiàn)技術(shù)，建立計算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，對培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計開發(fā)計算機(jī)系統(tǒng)的能力有重要作用。該課程為今后學(xué)習(xí)計算機(jī)操作系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等課程打好基礎(chǔ)。

計算機(jī)組成原理課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)：

計算機(jī)系統(tǒng)概論：2學(xué)時

重點：馮?諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)、計算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)

序號

重點

講解思路

1

計算機(jī)的分類

從多個角度對計算機(jī)進(jìn)行分類。

2

計算機(jī)的發(fā)展簡史

從第一臺計算機(jī)開始，講述計算機(jī)的五代變化。

3

計算機(jī)的硬件

說明5大部件的主要功能，與其他部件的關(guān)系；闡明計算機(jī)的工作過程。

4

計算機(jī)的軟件

說明軟件的組成與分類，軟件的發(fā)展演變。

5

計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

從計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建的角度和使用計算機(jī)解題兩個角度來分析，最后明確《計算機(jī)組成原理》課程主要研究的層次。

補(bǔ)充章節(jié)：數(shù)字電路基礎(chǔ)：2學(xué)時

授課對象未修過前導(dǎo)課《數(shù)字電路》，需要講授該章內(nèi)容。

重點：邏輯運算與門電路的基礎(chǔ)知識，常用的組合邏輯電路和時序邏輯電路。

授課對象已修過前導(dǎo)課《數(shù)字電路》，可以選講該章部分內(nèi)容。

第2章 運算方法和運算器：6學(xué)時

主線：各種運算器的基礎(chǔ)就是二進(jìn)制加法器。

序號

重點

講解思路

1

數(shù)據(jù)格式

對比：計算機(jī)中正負(fù)號和小數(shù)點的表示？機(jī)器數(shù)和真值？有符號和無符號數(shù)的區(qū)別與區(qū)分？定點數(shù)和浮點數(shù)的異同？

2

定點機(jī)器數(shù)的表示方法

對比：原碼、反碼、補(bǔ)碼、譯碼的表示方法、表示范圍和真值0的表示；與高級語言的數(shù)據(jù)類型對應(yīng)

3

浮點機(jī)器數(shù)的表示方法

規(guī)格化的數(shù)學(xué)定義與硬件電路判斷是否規(guī)格化的差異；IEEE754浮點數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的格式特點

4

補(bǔ)碼的加減運算和判溢

強(qiáng)調(diào)采用補(bǔ)碼實現(xiàn)加減運算的優(yōu)勢：符號位和數(shù)值位一樣參加運算，減法可以轉(zhuǎn)化為加法來實現(xiàn)。

5

定點數(shù)的加、減運算

從手工算法入手，引導(dǎo)學(xué)生思索如何用硬件實現(xiàn)，再對不適合的地方改進(jìn)，變成機(jī)器算法，最后硬件實現(xiàn)。

6

浮點數(shù)的加減運算

從科學(xué)計數(shù)法表示的實數(shù)的加減乘除運算方法入手，推導(dǎo)出浮點數(shù)的加減乘除運算方法。

7

定點運算器的結(jié)構(gòu)

對單總線、雙總線、三總線結(jié)構(gòu)的運算器進(jìn)行數(shù)據(jù)通路分析，對比完成運算所需的機(jī)器周期數(shù)，在此開始建立數(shù)據(jù)通路和總線分時享用的概念。

第3章 多層次的存儲器：6學(xué)時

主線：存儲體系的核心問題就是解決容量、速度與價格的矛盾。

序號

重點

講解思路

1

存儲器概述

搭建多層次的存儲體系的目的？通過層次結(jié)構(gòu)來引出后面所要講述的各種存儲器

2

SRAM和DRAM

從如何存儲1位0/1代碼，到如何擴(kuò)展成存儲器；從存儲位元的結(jié)構(gòu)和原理出發(fā)，引出SRAM和DRAM性能上的差異。

3

主存與CPU的連接

通過1個具體例子，由簡到繁，逐步完成擴(kuò)展和連接。

4

Cache

從Cache-主存的工作原理，引出一系列問題：程序訪問的局部性原理、命中率、地址映射、替換策略與寫策略；強(qiáng)調(diào)Cache完全由硬件實現(xiàn)。

5

虛擬存儲器

結(jié)合80386CPU的虛擬存儲器來講述三種實現(xiàn)方式

第4章 指令系統(tǒng)：4學(xué)時

主線：指令系統(tǒng)是軟、硬件的交界面。

序號

重點

講解思路

1

指令格式與操作碼擴(kuò)展

從機(jī)器指令、指令系統(tǒng)的概念來引出指令格式，明確操作碼和地址碼的作用，舉例說明操作碼擴(kuò)展技術(shù)

2

尋址方式

對比講解：直接尋址與間接尋址，寄存器直接尋址與寄存器間接尋址，變址尋址、基址尋址與相對尋址

3

機(jī)器指令的編碼與譯碼

通過例子讓學(xué)生直觀的了解機(jī)器指令的編碼，能夠解讀機(jī)器指令

4

指令類型

著重講解指令的實現(xiàn)，尤其轉(zhuǎn)移指令、子程序的調(diào)用與返回指令、堆棧指令的實現(xiàn)，為控制器做準(zhǔn)備

第5章 中央處理器：6學(xué)時

主線：CPU中控制器是控制實現(xiàn)取指令、分析指令、執(zhí)行指令功能的部件。

序號

重點

講解思路

1

控制器的組成

根據(jù)控制器的功能來講解控制器的部件，注意區(qū)分程序員可見與不可見的寄存器。

2

指令的執(zhí)行過程

首先試著搭建整機(jī)系統(tǒng)構(gòu)架，再接著細(xì)化和簡化，在此基礎(chǔ)上分析數(shù)據(jù)通路，最后以兩條典型指令為例，詳細(xì)描述指令的執(zhí)行過程(取指令、分析

總結(jié)

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