计算机组成原理课程教学大纲

Principle of computer composition

一、课程性质

本课程是计算机科学与技术本科专业学生必修的核心专业基础课。

二、课程目标

本课程的教学目标是：围绕单CPU计算机硬件系统的基本组成和工作原理，系统地讲述计算机硬件系统及其功能部件的内部结构、功能特征、工作方式、交互方式和基本设计方法，同时通过课堂讲授、课程实验等实践环节相结合的方式，使学生系统地理解计算机硬件系统的组织结构与工作原理，掌握计算机硬件系统的基本分析与设计方法，为进一步学习计算机系统结构、操作系统等后续课程，全面培养对计算机软硬件系统的认知，设计与创新能力奠定良好的基础。

（一）思想、素质教育目标

目标1.1 求真务实、严谨细致的工作态度和精益求精的工匠精神；

目标1.2 良好的职业道德，责任心和社会责任感，具有法律意识、工程意识、安全意识；

目标1.3 爱国主义精神，社会主义荣辱观，社会主义核心价值观。

（二）知识教学目标

目标2.1  现代计算机的基本概念，现代计算机系统的基本组成及性能因素；

目标2.2  现代计算机各部件的工作原理，计算机各组成部件相互配合的工作机制；

目标2.3  现代计算机技术发展趋势，现代计算机技术应用成果。

（三）能力教学目标

目标3.1  运用信息编码的基本原理，识别、表达并处理计算机系统中的典型数据；

目标3.2  运用系统的方法和技术，对计算机各部件性能进行简单分析对比；

目标3.3  运用计算机组成原理的基本理论和方法，初步分析与设计计算机各个主要部件。

三、课程教学内容及基本要求

本课程主要内容包括计算机组成概述、数值的机器表示与运算、存储系统、指令系统、中央处理器、输入输出系统、总线、并行组织与结构等。

（一）课程教学内容及知识模块顺序

 1．知识单元一：计算机系统概述（2学时）

（1）知识点一：计算机系统的层次结构           

（2）知识点二：计算机硬件系统的基本组成与性能指标

（3）知识点三：指令执行过程简述

（4）知识点四：计算机系统发展简史  

教学基本要求：通过学习，使学生了解计算机的发展简史，理解指令的执行过程，掌握计算机的层次结构与计算机硬件系统的基本组成与性能指标。  

  2． 知识单元二：数值的机器表示（4学时） 

（1）知识点一：定点数和浮点数的表示           

（2）知识点二：有符号数和无符号数的表示

（3）知识点三：机器数与真值

（4）知识点四：字符与字符串的表示

（5）知识点五：汉字的编码

（6）知识点六：校验码

教学基本要求：通过学习，使学生掌握计算机定点数和浮点数的表示方法、有符号数和无符号数的表示、机器数与真值、字符与字符串的表示、汉字的编码、校验码。

 3． 知识单元三：数值的机器运算（10学时） 

（1）知识点一：定点数加、减法及其电路实现           

（2）知识点二：定点数乘、除法及其电路实现

（3）知识点三：运算器的组成与工作原理

（4）知识点四：浮点运算方法及其浮点运算器的组成概貌

教学基本要求：通过学习，使学生掌握计算机定点数加、减法及其电路实现、定点数乘、除法及其电路实现，理解运算器的组成与工作原理、浮点运算方法，了解浮点运算器的组成概貌。

 4． 知识单元四：存储系统组织和结构（12学时） 

（1）知识点一：存储系统的层次结构与存储器的分类           

（2）知识点二：存储单元电路的原理和性能指标

（3）知识点三：动态存储器的刷新

（4）知识点四：主存储器的组织、扩展与访问，多体交叉存储技术

（5）知识点五：高速缓冲存储器的结构与工作原理、地址映射、替换策略与性能指标

（6）知识点六：外部存储器的原理及性能指标，磁盘阵列

（7）知识点七：虚拟存储系统的基本概念和工作原理

教学基本要求：通过学习，使学生掌握存储单元电路的原理和性能指标，主存储器的组织、扩展与访问，多体交叉存储技术，高速缓冲存储器的结构与工作原理、地址映射、替换策略与性能指标，理解存储系统的层次结构与存储器的分类，动态存储器的刷新，虚拟存储系统的基本概念和工作原理，了解外部存储器的原理及性能指标，磁盘阵列。

5． 知识单元五：指令系统与中央处理器（12学时） 

（1）知识点一：指令格式、指令类型、寻址方式、指令系统设计           

（2）知识点二：中央处理器的功能与组成，指令周期，多级时序系统与控制方式

（3）知识点三：微程序控制原理及微程序控制器的设计

（4）知识点四：硬布线控制器的原理与设计

（5）知识点五：指令流水技术

教学基本要求：通过学习，使学生掌握中央处理器的功能与组成，指令周期的概念，微程序控制原理及微程序控制器的设计技术，指令流水技术；理解硬布线控制的的原理与设计，指令格式，指令类型，了解寻址方式，指令系统设计，多级时序系统与控制方式。

6． 知识单元六：输入输出系统（4学时） 

（1）知识点一：输入输出接口组成与功能           

（2）知识点二：设备编制方法

（3）知识点三：输入输出的基本过程

（4）知识点四：程序查询方式，程序中断方式，DMA方式，通道方式

（5）知识点五：基本外部设备及其工作原理

教学基本要求：通过学习，使学生掌握输入输出接口组成与功能，设备编制方法，基本外部设备及其工作原理；理解输入输出的基本过程；了解程序查询方式，程序中断方式，DMA方式，通道方式。

7． 知识单元七：总线（4学时） 

（1）知识点一：总线的功能与分类           

（2）知识点二：总线结构与总线周期

（3）知识点三：总线的仲裁和定时

（4）知识点四：总线性能指标

（5）知识点五：常用总线介绍

教学基本要求：通过学习，使学生掌握总线的功能与分类，总线的仲裁和定时，总线性能指标；理解总线结构与总线周期；了解常用总线。

（二）课程的重点、难点及解决办法

课程重点、难点内容为定点数和浮点数的表示；有符号数和无符号数的表示方法；定点运算器的功能、组成、设计与实现技术；高速缓冲存储器的组成和运行过程；通过字位扩展技术设计主存储器；微程序控制器原理与设计；输入输出接口的功能、内部组成，三种基本输入输出方式；总线的功能与结构，总线的仲裁和定时。

计算机组成原理是一门多年来被认为是既难教又难学的课程，主要原因有以下三点：一是教学内容的直接应用不是很清晰，学生难以理解该课程的直接应用价值，从而对该课程的重视程度不够；二是课程教学以课堂教授知识点为主要手段，即使开设一定量的实验，也是以验证型实验为主，这与该课程具有大量技术性、工程性的教学内容和实践要求的特点不吻合，知识点的讲授缺乏有效的载体，学生学起来感觉难度大；三是部分授课教师本身缺乏计算机硬件方面的设计和工程经历，对课程知识点和精髓的理解深度不够。要有效改善这个难教难学的局面，应解决好如下一个问题。首先要采用现代化的教学手段。用比较生动的动态画面，把关键的过程动态展现出来；其次，教学内容的选择很关键，内容选择上要突出“基本”二字，主要教授计算机硬件系统的基本原理，不易把层出不穷的新的计算机技术不加选择的加入教学内容。第三，要处理好课堂授课和教学实验的关系。课堂授课与教学实验应该积极互动、密切配合。

四、实验实践环节及基本要求

1．实验实践教学环节在本课程中的作用及要求。

实验是使学生得以深入理解课堂授课内容的直接和有效手段，也是培养学生学习能力、工作能力和创新意识的重要途径。即使没有相应的硬件实验设备，也可以选用软件模拟或者仿真系统完成实验，完全没有实验教学环节无疑是一种很大的缺憾。要求学生独立或者分组完成实验环节并填写实验报告，综合运用所学计算机组成原理的知识来完成实验内容，提高学生硬件方面的实际动手能力和设计能力。

2．实验项目

实验一：寄存器实验（4学时）

实验二：运算器实验（4学时）

实验三：存储器实验（4学时）

实验四：数据通路实验（4学时）

五、课程教学内容与课程目标对应关系矩阵

课程各知识单元与课程目标对应支撑关系。

六、对学生能力培养的要求

通过课程学习，使学生掌握计算机的组成和体系结构的基本概念、工作原理、设计方法，并在此基础上了解并行计算机的体系结构和当前计算机系统的新技术与发展趋势相关的知识。通过本课程的学习，使学生掌握计算机常用的逻辑器件、部件的原理、参数及使用方法，学懂简单、完备的单台计算机的基本组成原理，具有计算机设计中的入门性知识，维护和使用计算机的基本技能。具有计算机系统的分析、设计、开发和使用能力，同时为本专业后续课程的学习打下基础。

七、课程学时分配

总学时64，其中讲课48学时，实验16学时。课程主要内容和学时分配见课程学时分配表。

课程学时分配表

八、建议教材和教学参考资料                                                     

1．教材

   [1]白中英戴志涛．计算机组成原理（第六版·立体化教材）[M]．北京：科学出版社，2019      

2．主要参考书

   [1]谭志虎．计算机组成原理[M]．北京：人民邮电出版社，2021

[2]唐朔飞．计算机组成原理（第2版）[M]．北京：高等教育出版社，2008

[3]王爱英．计算机组成与结构（第4版）[M]．北京：清华大学出版社，2007

[4]蒋本珊．计算机组成原理（第4版）[M]．北京：清华大学出版社，2019

[5]王道论坛．2021计算机组成原理考研复习指导[M]．北京：电子工业出版社，2020

[6]刘卫东，李山山，宋佳兴．计算机硬件系统实验教程[M]．北京：清华大学出版社，2013                                                                

九、课程考核

本课程考核方式为闭卷，满分为100分，考试时间一般为120分钟。

课程总评成绩=平时成绩×30%+实验成绩×20%+期末成绩×50%；平时成绩由考勤（10分），作业（15分），平时表现（5分）部分组成。                                               

十、说明

 1．先修课程：学科导论、电工电子技术、汇编语言程序设计

 2．后续课程：操作系统

平时成绩评分标准

系别：  信息工程系     20 22  ——20 23 学年第 1 学期

任课教师：              教研室主任签字：     

课程名称：  计算机组成原理    

任课班级：                   

平时成绩考核标准：（总分 100 分）

其他：                                 

备注：1、此表一式两份，一份存教务处，一份存教师所在系。

      2、请在“说明”栏中注明该考核内容具体评分规则。