计算机组成原理 教学大纲

计算机组成原理教学大纲
一、说明
（一）课程性质
学院平台必修课程，学习者需先修数字电路类课程，具备数字电路的基础知识。

该课程是后续操作系统、编译原理、接口技术等许多计算机专业课程的基础课。

（二）教学目的
《计算机组成原理》是计算机科学与工程学院所有专业的专业必修主干课程，通过本课程的学习，使学生理解单处理机系统的组成结构以及各功能部件的组成和工作原理，让学生建立计算机的整机概念，初步具备设计简单计算机系统的能力，并对一些新技术、新产品以及计算机硬件的发展方向有一定的了解，为进一步学习本专业后继课程和进行有关的技术工作打下基础。

（三）教学内容
计算机的主要组成部分、各部分的功能以及工作原理，主要内容包括运算方法和运算器、多层次存储体系、指令系统、中央处理器、总线系统、外围设备与输入输出系统等（四）教学时数
72学时
（五）教学方式
课堂教学
二、本文
第一章计算机系统概论
教学要点：
本章是学习本门课程的基础。

目的是让学生对计算机的组成有一个全面的概括的了解。

了解硬件和软件的概念、计算机组成和计算机体系结构的不同。

掌握计算机系统的层次结构；准确画出计算机的硬件框图，并能解释其工作的过程；能深刻理解硬件的主要技术指标，并用这些技术指标描述常见硬件的性能。

教学时数：
4学时
教学内容：
第一节计算机的分类（0.5学时）
模拟计算机和电子计算机以及它们各自的特点。

第二节计算机的发展简史（1学时）
计算机的五代变化、半导体存储器的发展、微处理器的发展、计算机的性能指标。

第三节计算机的硬件（1学时）
硬件组成要素、运算器、存储器、控制器、适配器与输入输出设备。

第四节计算机的软件（1学时）
软件的组成与分类、软件的发展演变。

第五节计算机系统的层次结构（0.5学时）
多级组成的计算机系统、软件与硬件的逻辑等价性。

第二章运算方法和运算器
教学要点：
讲述数据和文字的表示、数据格式以及不同格式数据的基本运算方法、ALU电路的设计。

目的在于使学生了解计算机的基本运算过程。

教学中注意引导学生如何用简单的运算步骤实现复杂的运算，培养学生分解复杂运算的能力。

理解：数的符号表示、数的定点与浮点表示。

掌握：定点数加减法运算、定点数乘法运算、浮点数加减运算、ALU电路中的快速进位链设计。

重点：定点的加减运算、定点的乘法运算、快速进位链设计。

难点：定点乘法运算、快速进位链设计。

教学时数：
16学时
教学内容：
第一节数据与文字的表示方法（4学时）
数据格式（定点数、浮点数）、数的机器码表示（原码、补码、反码、移码）、字符与字符串的表示方法、汉字的表示方法、校验码。

第二节定点加法、减法运算（3学时）
补码加法、补码减法、溢出概念与检测方法、基本的二进制加法减法器。

第三节定点乘法运算（3学时）
原码并行乘法、直接补码并行乘法。

第四节定点除法运算（2学时）
原码除法算法原理、并行除法器。

第五节定点运算器的组成（2学时）
逻辑运算、多功能算术逻辑运算单元（ALU）、内部总线、定点运算器的基本结构。

第六节浮点运算方法和浮点运算器（2学时）
浮点加法、减法运算、浮点乘法、除法运算、浮点运算流水线、浮点运算器实例。

第三章存储器体系
教学要点：
讲述计算机系统中的多层次存储体系，包括寄存器、高速缓冲存储器、内存、外存，以及高速缓冲存储器、主存、辅存的基本原理。

使学生对存储器的层次结构有一个较为深刻的认识，对常见的存储器的工作原理有一个初步的认识，并能基于各种存储模块进行存储体的设计。

理解：磁记录设计的工作原理、光存储介质的工作原理、提高存储体访问速度的一般措施。

掌握：存储器的概念、存储器的主要性能指标、存储器的分类、存储器层次结构的概念、RAM/ROM芯片的外部逻辑特性；海明码/CRC码的编码、解码与检错的工作过程。

能进行简单的CACHE的地址映象方法设计。

能针对不同型号的CPU与存储颗粒进行存储体的设计。

重点：主存储体设计、海明码、CRC码。

难点：主存储体设计、CACHE的地址映象方法。

教学时数：
16学时
教学内容：
第一节存储器概述（1学时）
存储器的分类、存储器的分级、主存储器的技术指标。

第二节SRAM存储器（2学时）
基本的静态存储元阵列、基本的SRAM逻辑结构、读写周期波形图。

第三节DRAM存储器（4学时）
DRAM存储元的记忆原理、DRAM芯片的逻辑结构、读写周期、刷新周期、存储器容量的扩充、高级的DRAM结构、DRAM读写的正确性校验。

第四节只读存储器和闪速存储器（1学时）
只读存储器ROM的原理和种类、FLASH存储器原理。

第五节并行存储器（2学时）
双端口存储器和多模块交叉存储器。

第六节cache存储器（4学时）
cache基本原理、主存与cache的地址映射、替换策略、cache的写操作策略、Pentium4的cache组织、使用多级cache减少缺失损失。

第七节虚拟存储器及奔腾系列机的虚存组织（2学时）
简单介绍虚拟存储器的基本概念、页式虚拟存储器、段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器、虚存的替换算法，奔腾系列机的虚存组织。

第四章指令系统
教学要点：
讲述指令、数据的概念与分类，介绍各种常见的寻址方式、RISC技术、CISC技术概念性的讲解。

使学生理解各种寻址方式的基本原理，掌握低级语言系统的特点和本质，并初步了解指令系统设计中应考虑的各种因素。

理解：指令的一般格式、操作数的类型、操作的类型、RISC/CISC的概念。

掌握：常见的指令寻址方式、常见的数据寻址方式、堆栈的生成方式及工作原理、操作数的分类及特点、操作的分类及特点。

能进行指令的格式设计，能从理论的角度分析操作数类型的不同对程序效率的影响。

重点：指令寻址方式、数据寻址方式、操作数类型对程序效率的影响、指令的格式设计。

难点：数据寻址方式、栈的生成方式、指令的格式设计。

教学时数：
8学时
教学内容：
第一节指令系统的发展与性能要求（0.5学时）
指令系统的发展、指令系统的性能要求、低级语言与硬件结构的关系。

第二节指令格式（2学时）
操作码、地址码、指令字长度、指令助记符、指令格式举例。

第三节操作数类型（1学时）
一般的数据类型、Pentium数据类型、PowerPC数据类型。

第四节指令和数据的寻址方式（3学时）
指令的寻址方式、操作数基本寻址方式、寻址方式举例。

第五节典型指令（1学时）
指令的分类、基本指令系统的操作、精简指令系统。

第六节ARM汇编语言（0.5学时）
用实例简要介绍ARM汇编语言。

第五章中央处理器
教学要点：
讲述CPU的功能结构、指令周期与指令流水、CPU中断系统的工作机理、控制单元设计的两种基本方法——组合逻辑设计与微程序设计。

目的在于使学生初步了解控制单元的设计方法，
为以后的深入学习打基础。

同时也培养学生功能实现的细节设计能力。

目的在于使学生了解CPU 的基本功能结构，对控制单元有一个初步了解，为以后的深造打下较为坚实的基础，同时也培养学生控制逻辑设计的能力。

理解：CPU的功能结构、指令流水、控制单元的外部特性、控制方式、组合逻辑设计的步骤、微程序控制单元的功能原理、静态微程序设计与动态微程序设计、毫微程序设计。

掌握：指令周期的基本概念、微操作命令的分析方法。

重点：微操作命令的分析方法、微程序设计的方法与步骤。

难点：微程序设计方法。

教学时数：
10学时
教学内容：
第一节CPU的功能和组成（1学时）
CPU的功能、CPU的基本组成、CPU中的主要寄存器、操作控制器与时序产生器。

第二节指令周期（4学时）
指令周期的基本概念、MOV指令的指令周期、LAD指令的指令周期、ADD指令的指令周期、STO指令的指令周期、JMP指令的指令周期、用方框图语言表示指令周期。

第三节时序产生器和控制方式（1学时）
时序信号的作用和体制、时序信号产生器、控制方式。

第四节微程序控制器（2学时）
微程序控制原理、微程序设计技术。

第五节硬连线控制器（1学时）
基本思想、指令执行流程、微操作控制信号的产生。

第六节流水CPU和RISC CPU（1学时）
并行处理技术、流水CPU的结构、流水线中的主要问题、奔腾CPU的流水线、RISC机器的特点、动态流水线调度。

第六章总线系统
教学要点：
讲述总线的基本概念、发展过程、常见总线的方式及其控制过程。

目的在于使学生理解计算机功能部件的连接组织形式。

理解：总线的发展史、常见的总线结构、当前流行的总线标准。

掌握：总线的基本概念、总线的分类、总线的特性及性能指标。

能准确理解总线的判优机制、总线的通信机制。

重点：总结的概念、性能指标、总线判优、总线通信控制。

难点：判优控制、通信控制。

教学时数：
4学时
教学内容：
第一节总线的概念和结构形态（1学时）
总线的基本概念、总线的连接方式、总线的内部结构、总线结构实例。

第二节总线接口与总线的仲裁（1学时）
信息传送方式、总线接口的基本概念、集中式仲裁、分布式仲裁。

第三节总线的定时和数据传送模式（1学时）
总线的定时、总线数据传送模式。

第四节HOST总线和PCI总线（0.5学时）
多总线结构、PCI总线信号、总线周期类型、总线周期操作、总线仲裁。

第五节InfiniBand标准（0.5学时）
InfiniBand的体系结构、InfiniBand的通信协议。

第七章外围设备与外部存储
教学要点：
讲述熟悉外围设备的定时方式与信息交换方式，让学生了解典型外设基本构成和特点、掌握程序查询方式及其接口功能分析、掌握程序中断方式及其接口功能分析、掌握DMA方式及其接口功能分析，熟悉通道方式及其功能分析。

理解：磁表面存储器的原理、磁盘阵列、光盘存储原理、显示器显示原理、键盘鼠标的工作原理。

掌握：存储介质存储容量的计算、显示器技术指标的含义。

重点：常见外部设备的工作原理。

难点：外部设备控制。

教学时数：
4学时
教学内容：
第一节外围设备概述（0.5学时）
外围设备的一般功能、外围设备的分类。

第二节磁盘存储设备（1学时）
磁记录原理、磁盘的组成和分类、磁盘驱动器和控制器、磁盘上信息的分布、磁盘存储器的技术指标。

第三节磁盘存储设备的技术发展（0.5学时）
磁盘cache、磁盘阵列RAID、可移动存储设备。

第四节可拆卸存储设备（0.5学时）
磁带存储设备、光盘存储设备、磁光盘存储设备。

第五节I/O设备（0.5学时）
显示设备的分类与有关概念、字符／图形显示器、图像显示设备、VESA显示标准、输入设备、打印设备。

第八章输入输出系统
教学要点：
讲述输入输出系统的基本概念、接口的功能、常见的三种接口控制方式。

目的在于使学生在建立接口概念的基础上，能进行端口的功能设计，并能设计简单的输入输出接口电路。

理解：IO系统的发展概况、常见IO设备的工作原理。

掌握：IO设备与主机的联系方式、信息传送控制方式；接口的功能设计；程序查询方式、程序中断方式、DMA方式的基本概念、基本工作原理及其适用场合。

重点：IO接口的功能设计、程序查询方式、程序中断方式。

难点：IO接口的功能设计、中断电路设计。

教学时数：
6学时
教学内容：
第一节外围设备的速度分级与信息交换方式（0.5学时）
外围设备的速度分级、信息交换方式
第二节程序查询方式（0.5学时）
设备编码、输入/输出指令、程序查询方式的接口、程序查询输入/输出方式。

第三节程序中断方式（2学时）
中断的基本概念、程序中断方式的基本I/O接口、单级中断、多级中断、中断控制器、Pentium 中断机制。

第四节DMA方式（1学时）
DMA的基本概念、DMA传送方式、基本的DMA控制器、选择型和多路型DMA控制器。

第五节通道方式（1学时）
通道的功能、通道的类型、通道结构的发展。

第六节通用I／O标准接口（1学时）
并行I/O标准接口SCSI、串行I/O标准接口IEEE1394/262、I/O系统设计。

第九章并行组织与结构
教学要点：
介绍提升性能的并行处理体系结构的基础知识与基本概念。

本章内容只作概念性介绍，根据实际教学情况可做增删。

教学时数：
4学时
教学内容：
第一节体系结构中的并行性（1学时）
并行性的概念、提高并行性的技术途径、单处理机系统中的并行性、多处理机系统中的并行性、并行处理机的体系结构类型、并行处理机的组织和结构。

第二节多线程与超线程处理机（1学时）
从指令级并行到线程级并行、同时多线程结构、超线程处理机结构。

第三节多处理机（1学时）
多处理机系统的分类、SMP的基本概念、SMP的结构。

第四节多核处理机及实例（1学时）
多核处理机的优势、多核处理机的组织结构、多核处理机的关键技术、ARM多核处理机、英特尔酷睿多核处理机、英特尔至强多核处理机、龙芯多核处理机。

三、参考书目
1、白中英等，《计算机组成原理》，科学出版社，2013年，第五版
2、王爱英，《计算机组成与结构》，清华大学出版社，2013年，第五版
3、唐朔飞，《计算机组成原理》，高等教育出版社，2008年，第二版
本课程使用教具和现代教育技术的指导性意见
建议使用多媒体教室授课，讲解中央处理器等内容时使用动画手段演示，容易使同学们掌握知识点。