计算机组成与体系结构 课程教学大纲 - 图文 

计算机组成与体系结构课程教学大纲

中文：计算机组成与体系结构 课程名称 英文： Computer Organization and Architecture 课程编号 23070042计算机组成与体系结构 学分/学时 3.5学分/(48+16)学时 所属教研室 计算机科学与技术 在学习本课程前必须先行学习《数字电路》、《模拟电路》、《汇编语言》等课程，后前后课程 续课程有操作系统、计算机网络、嵌入式系统原理与应用、计算机接口技术等。 课程类型 专业基础课 考核方式 考试 授课对象 计算机科学与技术、软件工程、网络工程、空间技术、信息与计算科学 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。 《计算机组成原理与体系结构》是计算机科学与技术专业本科教学中的一门重要技术基础课，它将计算机组成原理和计算机系统结构两门课合二为一。在计算机科教学目的 学与技术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、微机原理、嵌入式系统原理与应用、人工智能、计算机接口技术等课程打好基础。 计算机组成与体系结构课程内容结构： 计算机系统结构 接口与通讯 计算机组成原理 流水线与并行处理技术 总线 输入输出系统 控制器 指令系统 存储体系 运算方法与运算器 信息编码与数据表示 计算机组成原理概论 计算机硬件基础 计算机组成与体系结构 数字电路基础 理论教学组织： 贯穿《计算机组成与体系结构》课程教学的主线： 计算机的工作过程就是循环往复的取指令、分析指令和执行指令的过程。 第1章 计算机组成原理概论：约2学时 序号 重点 计算机系统的层次结构 冯·诺依曼体系结构 计算机硬件系统组成 讲解思路 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。 与第一台电子数字计算机ENIAC对比讲解，说明冯·诺依曼体系结构对其的改进。 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。 1 2 3 第2章 计算机硬件基础：约6学时 授课对象未修过前导课《数字电路》，需要讲授该章内容。 对象：一般为软件工程、网络工程、数字媒体等，讲授时以典型器件的外特性为主，为后续教学内容做准备。 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。 重点：全加器、并行进位逻辑、ALU 第3章 信息编码与数据表示：约4学时 主线：计算机中的所有信息都是以二进制形式存在的。 序号 重点 1 数据格式 讲解思路 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 3 4 5 定点机器数的对比：原码、反码、补码、译码的表示方法、表示范围和表示方法 真值0的表示；与高级语言的数据类型对应 浮点机器数的规格化的数学定义与硬件电路判断是否规格化的差异；表示方法 IEEE754浮点数标准的格式特点 ASCII码、汉字ASCII编码的特性；通过汉字输入的实际例子说明汉字的四编码 种编码的不同作用、汉字库中存放的是？ 校验码 首先要讲明校验码为什么可以检错纠错，可结合奇偶校验码讲解，然后再介绍其他校验码。 第4章 运算方法与运算器：约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 1 讲解思路 补码的加减运强调采用补码实现加减运算的优势：符号位和数值位一样算和判溢 参加运算，减法可以转化为加法来实现。 定点数的乘除从手工算法入手，引导学生思索如何用硬件实现，再对不运算 适合的地方改进，变成机器算法，最后硬件实现。 浮点数的加减从科学计数法表示的实数的加减乘除运算方法入手，推导乘除运算 出浮点数的加减乘除运算方法。 对单总线、双总线、三总线结构的运算器进行数据通路分定点运算器的析，对比完成运算所需的机器周期数，在此开始建立数据结构 通路和总线分时享用的概念。 2 3 4 第5章 存储体系：约8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 1 存储器的层次结构 SRAM和DRAM 讲解思路 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 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。 2 3 主存与CPU的连通过1个具体例子，由简到繁，逐步完成扩展和连接。 接 Cache 虚拟存储器 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。 结合80386CPU的虚拟存储器来讲述三种实现方式 4 5 第6章 指令系统：约4学时 主线：指令系统是软、硬件的交界面。 序号 重点 指令格式与操作码扩展 寻址方式 机器指令的编码与译码 指令类型 讲解思路 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 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 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 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 1 2 3 4 第7章 控制器：约8学时 主线：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 1 控制器的组成 讲解思路 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。 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。 2 指令的执行过程 3 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 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。 微程序控制的基本概念 微程序控制器的组成 微程序设计技术 设计实例 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。 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。 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。 以模型机的微程序控制器为样本，可与实验结合 4 5 6 7 第8章 输入输出系统：约4学时 培养计划中没有后续课程《接口与通讯》或者《计算机接口技术》，需要讲授该章内容。 重点：主机与外设交换信息的方式，中断系统。 培养计划中有后续课程《接口与通讯》或者《计算机接口技术》，可以概括讲解该章部分内容。 重点：I/O指令格式，中断的基本概念 第9章 总线：约2学时 培养计划中没有后续课程《接口与通讯》或者《计算机接口技术》，需要讲授该章内容。 重点：总线的特性，总线仲裁与定时、常见总线标准。 培养计划中有后续课程《接口与通讯》或者《计算机接口技术》，可以概括讲解该章部分内容。 重点：总线的特性，常见总线标准 第10章 流水线与并行处理技术：约4学时 培养计划中没有后续课程《计算机系统结构》，需要讲授该章内容。 重点：流水线的基本原理与相关处理，高级流水线技术，并行处理技术及其典型系统。 培养计划中有后续课程《计算机系统结构》，可以概括讲解该章部分内容。 重点：流水线的基本概念，并行处理技术的基本概念 教材和主要参考资料： 课堂使用教材: 《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年9月. 《计算机组成原理》 唐朔飞编著.高等教育出版社，2008. 《计算机组成原理》 白中英编著.清华大学出版社，2008. 《计算机组成原理实验指导书》许高攀编著.厦门理工学院出版,2009. 参考书目: 《计算机组成与设计》 薛宏熙编著.清华大学出版社，2007. 《计算机组成原理》 杜象元编著.南京大学出版社，2001. 《计算机组成和设计》 David A.Patterson编.清华大学出版社,2003 . 《计算机组织与结构》 William Stallings编.高等教育出版社,2001. 教学内容 计算机组成原理概论 ? 计算机系统的层次结构 ? 冯?诺依曼体系结构 ? 计算机硬件系统组成 学时 2学时理论 基本要求 理解：计算机软硬件概念；计算机系统的层次结构；计算机的基本组成、冯?诺依曼计算机的特点；计算机的硬件框图及工作过程；计算机硬件的主要技术指标。 掌握：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。 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。重点：全加器、并行进位逻辑、ALU。 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： 乘法运算、除法运算、浮点数的算术运算、数据校验码、运算部件 计算机的逻辑部件 ? 计算机中常用的组合逻辑电路 ? 时序逻辑电路 ? 阵列逻辑电路 6学时理论 信息编码与数据表示 ? 数值的表示方法和转换 ? 加减法运算 ? 二进制乘法运算 ? 二进制除法运算 ? 浮点的运算方法 ? 运算部件 ? 数据校验码 存储体系 ? 主存储器的主要技术指标 ? 读/写存储器(即随机存储器(RAM)) ? 高速存储器 ? 存储系统的层次结构 ? 高速缓冲存储器（cache） ? 虚拟存储器 指令系统 ? 指令格式 ? 数据表示 10学时理论 + 2学时实验 8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 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