《计算机组成原理》教学大纲

《计算机组成原理》课程教学大纲
一、课程说明
1、课程简介
《计算机组成原理》是计算机类专业本科生必修的一门专业基础课，也同样适用于教育技术学、应用物理学、电子类和水利水电类及相关专业学生，也可作为信息类专业本科的专业选修课。

本课程分为理论教学(62学时)和实验教学(10学时)两部分。

本课程从计算机基本原理讲起，密切注意与当前计算机发展水平相结合。

计算机软件和微电子是国家重点发展的目标之一，计算机软件运行在计算机上，微电子的水平体现在微处理器的设计和制造能力上，这就说明了这些专业的学生都需要学习这门课程，了解计算机硬件。

在本课程中把计算机结构定义为系统程序员所能见得到的计算机硬件特性，计算机组成则是指计算机硬件的具体实现。

目前计算机的硬件设计已深入到微电子领域，作为计算机、电子和物理类专业的学生，今后会有一部分人从事硬件设计工作。

有一些基础知识后，可在工作中进一步自学。

2、教学目的要求
通过本课程的学习，让学生深入了解计算机系统的组成，从系统结构的角度理解计算机系统各部分的工作原理，掌握CPU、内存储器子系统、I/O接口子系统的设计方法，了解计算机常用运算方法及典型电路，了解存储系统基本原理和基本I/O方式。

最终具备简单CPU及其计算机系统设计、分析能力，并了解现代计算机系统设计与发展现状。

3、教学重点难点
重点：讨论了组成计算机的基本硬件部件，包括存储器、运算器、控制器、输入输出系统和连接它们之间的系统总线的构成、组织方式和工作原理，以及部件和单元的设计思想。

难点：如何以控制流和数据流为主线，将计算机的各大部件联系起来，建立整机概念。

如CPU和存储器，CPU和I/O、存储器与I/O之间的逻辑关系，控制器如何控制每一条指令的执行过程，控制单元的设计思想和实现方案等。

4、教学手段及教学方法建议
本课程的教学方法主要采用课堂教学，其次是实验课教学。

课堂教学以多媒体教学为主要手段，实验课的教学方法以实际动手演示、验证和设计操作。

根据各章节的内容的特点因章节施教，启发式教学贯穿始终。

5、考核方式
期末考试成绩=理论成绩(考试卷面成绩)*70%+平时成绩(平时作业和考勤)*30%
6、选用教材
王爱英主编.计算机组成与结构(第4版).清华大学出版社.2007年7月。

本书从计算机基本原理讲起，密切注意与当前计算机发展水平相结合，内容广泛，但仍力图贯彻少而精的原则。

本书先后获得电子部和教育部的若干奖励，第3版被评定为精品教材。

7、教学参考书
[1] 王爱英主编.计算机组成与结构习题(第4版).清华大学出版社.2007年11月；
[2] 白中英主编.计算机组成原理(第4版).科学出版社.2008年1月；
[3] 白中英主编.计算机组成原理解题指南(第4版).科学出版社.2008年8月；
[4] 白中英主编.计算机组成与体系结构(第3版).科学出版社.2006年1月；
[5] 唐朔飞主编.计算机组成原理(第2版).高等教育出版社.2008年1月。

8、教学环节及学时安排(根据本课程实际情况填写)
课程学时分配表
二、教学内容
第一章计算机系统概述(2学时)
1、教学目标
了解计算机层次结构及语言间的转换；理解冯诺依曼提出的存储程序的概念；掌握计算机硬件的功能和软件的作用。

2、本章重点
计算机系统简介；计算机的基本组成；计算机的性能指标。

3、本章难点
计算机的组成与计算机的层次结构；计算机中三大语言之间的转换情况。

4、本章思考题及实训题目
(1)计算机硬件由哪几部分组成？各自的作用是什么？各部分之间是怎样联系的？
(2)计算机系统可分为哪几个层次？说明各层之间的特点及其联系？
5、讲授内容
第一节计算机的语言
第二节计算机的硬件
第三节计算机系统的层次结构
第四节电子计算机的发展简史
第五节计算机的应用
第六节计算机网络
一、计算机网络基础知识
二、局域网
三、广域网和网路协议(ISO/OSI基本参考模型、TCP/IP协议)
四、网络互连设备
*第二章计算机的逻辑部件(4学时)
1、教学目标
掌握双极型和MOS型三极管的伏安特性。

三种基本逻辑电路以及它们的原理；力求做到线路的逻辑设计与计算机结合。

2、本章重点
布尔代数和基本的逻辑门电路；组合逻辑电路和时序逻辑电路。

3、本章难点
布尔代数和基本的逻辑门电路；组合逻辑电路和时序逻辑电路。

4、本章思考题及实训题目
(1)用两片74181构成8位带符号整数的加法器，设采用控制端M，S3—S0和Cn实现输入A=A7A6…A0与B=B7B6…B0之间的加减运算，结果为F=F7F6…F0，试写出判断溢出的逻辑表达式 (提示：假设按双符号位运算，当结构的两符号为不相同则为溢出) 。

(2)把4个寄存器的输出送到某一组输出线上，可使用四选一多路选择器，也可使用三态门。

试问用四选一实现和三态门实现，对开门信号的要求有什么差别？
5、讲授内容
第一节计算机中常用的组合逻辑电路
一、三态门
二、异或门及其应用
三、加法器
四、算术逻辑单元
五、译码器
六、数据选择器
第二节时序逻辑电路
一、触发器
二、寄存器和移位寄存器
三、计数器
第三节阵列逻辑电路
一、只读存储器
二、可编程逻辑阵列(PLA)
三、可编程阵列逻辑(PAL)
四、通用阵列逻辑
五、门阵列、宏单元阵列和标准单元阵列
六、可编程门阵列
第三章运算方法和运算部件(6学时)
1、教学目标
掌握计算机中常见的信息编码和转换。

二进制数的算术运算和逻辑运算。

定点与浮点数的定义及表示范围。

数据校验码的生成以及校验方法。

2、本章重点
计算机中信息的编码及转换；数值数据的表示情况和运算；十进制数的有权码和无权码；计算机运算部件及数据校验。

3、本章难点
数值型数据的表示和运算；计算机运算部件及校验码。

4、本章思考题及实训题目
(1)X=0.1101， Y=-0.1011 ，用原码一位乘法计算X*Y的积。

(2)X=-0.10110，Y=0.11111，用原码一位除法计算X/Y的商。

5、讲授内容
第一节数据的表示方法和转换
一、数值型数据的表示和转换
二、十进制数的编码与运算
第二节带符号的二进制数据在计算机中的表示方法及加减运算
一、原码、反码、补码及其加减运算
二、加减法运算的溢出处理
三、定点数和浮点数
第三节二进制乘法运算
一、定点数一位乘法
二、定点数二位乘法
三、阵列乘法器
第四节二进制除法运算
一、定点除法运算
二、提高除法运算速度速度的方法举例
第五节浮点数的运算方法
一、浮点数的加减法运算
二、浮点数的乘除法运算
第六节运算部件
第七节数据校验码
一、奇偶校验码
二、海明校验码
三、循环冗余校验(CRC)码
第四章主存储器(6学时)
1、教学目标
了解存储器的特点以及分类；掌握存储器的主要技术指标。

存储器的基本操作过程。

半导体存储器的组成与控制。

2、本章重点
各类型存储器的性能和特点；半导体存储器的组成与控制；各种类型存储器的工作过程。

3、本章难点
半导体存储器的组成与控制；各种类型存储器的工作过程。

4、本章思考题及实训题目
(1)有一个512K*16位的存储器，由64K*1位的2164RAM芯片(芯片内是4个128*128结构)构成，试问①共需要多少片RAM芯片？②采用分散式刷新方式，若单元刷新间隔不超过2ms，则刷新信号的周期是多少？③采用集中式刷新方式，设读/写周期T=0.1us，则存储器刷新一遍最少用多少时间？
(2)现有容量为256M*1位的动态存储器芯片，用它组成的存储器容量为1G*32位且采用4体交叉存储方案，请说明如何安排地址线？
5、讲授内容
第一节主存储器处于全机中心地位
第二节主存储器分类
第三节主存储器的主要技术指标
第四节主存储器的基本操作
第五节读/写存储器
第六节非易失性半导体存储器
第七节 DRAM的研制与发展
第八节半导体存储器的组成与控制
第九节多体交叉存储器
一、编址方式
二、重叠与交叉存取控制
第五章指令系统(6学时)
1、教学目标
了解RISC和CISC计算机掌握指令的格式和指令类型；理解指令操作码的扩展技术；掌握计算机指令的寻址方式。

2、本章重点
指令格式和类型；指令系统和时序；指令的寻址方式。

3、本章难点
指令系统和指令时序；计算机指令寻址方式。

4、本章思考题及实训题目
(1)某指令系统指令长16位，每个操作数的地址码长6位，指令分为无操作数、单操作数和双操作数三类。

若双操作数指令有K条，无操作数指令有L条，试问单操作数指令最多可能有多少条？
(2)基址寄存器的内容为2000H, 变址寄存器的内容为03A0H，指令的地址码部分是3FH，当前正在执行的指令所在地址为2B00H，试求出变址编址(考虑基址)和相对编址两种情况访存的有效地址(实际地址)。

5、讲授内容
第一节指令系统的发展
第二节指令格式
一、指令格式
二、指令操作吗的扩展技术
三、指令长度与字长的关系
第三节数据表示
第四节寻址方式
第五节指令类型
一、指令的分类及功能
二、双字长运算(子程序举例)
第六节指令系统的兼容性
第七节精简指令系统计算机(RISC)和复杂指令系统计算机(CISC)
一、什么是复杂指令计算机
二、RISC的产生与发展
三、RISC的特点
第八节指令系统举例
一、SPARC的指令系统
二、Pentium微处理器指令系统
三、IBM大型机指令系统
四、向量指令举例
第九节机器语言、汇编语言和高级语言
第六章中央处理器(6学时)
1、教学目标
了解组合逻辑控制器和PLA控制器掌握；掌握中央处理器组成及其功能。

控制器的控制方式及时序控制。

控制器的组成及CPU控制流程。

2、本章重点
中央处理器组成及其功能；控制器组成及CPU控制流程；组合逻辑控制器和PLA控制器。

3、本章难点
控制器的控制方式及时序控制；CPU控制流程。

4、本章思考题及实训题目
(1)分析图6.16中对ready信号有何要求并说明原因。

若不能满足要求则电路如何修改？
(2)在微程序控制计算机中，下一条要执行的微指令地址都有哪些可能的来源？各发生在什么场合？
5、讲授内容
第一节计算机的硬件系统
第二节控制器的组成
一、控制器的功能
二、控制器的组成
三、指令执行过程
第三节微程序控制计算机的基本工作原理
一、微程序控制的基本概念
二、实现微程序控制的基本原理
第四节微程序设计技术
一、微指令的编译法
二、微程序流的控制
三、微指令格式
四、微程序控制存储器和动态微程序设计
五、微程序设计语言
第五节硬布线控制的计算机
一、时序与节拍
二、操作控制信号的产生
三、控制器的组成
四、硬布线控制逻辑设计中的若干问题
五、硬布线控制与微程序控制的比较
第六节控制器的控制方式
第七节流水线工作原理
第八节 CPU举例
一、RISC的CPU
二、RISC的编译系统
三、Pentium微处理器
第九节计算机的加电及控制过程
第七章存储系统(6学时)
1、教学目标
熟悉半导体随机和只读存储器工作原理；了解磁表面存储器和光盘存储器；掌握存储体系及高速存储器，虚拟存储器。

2、本章重点
半导体存储器的工作原理；高速缓冲存储器与主存的映射。

3、本章难点
高速缓冲存储器与主存的映射。

4、本章思考题及实训题目
(1)在计算机中，主存与辅存的工作方式有什么主要差别？
(2)主存储器容量为4MB，虚存容量为1GB，试问虚拟地址和物理地址各为多少位？根据寻址方式计算出来的有效地址是虚拟地址还是物理地址？如果页面大小为4KB，则页表长度是多少？
5、讲授内容
第一节存储系统的层次结构
第二节高速缓冲存储器
一、cache存储器工作原理
二、cache存储器组织
三、cache存储器举例
四、多层次cache存储器
第三节虚拟存储器
一、虚拟存储器概述
二、页式虚拟存储器
三、段页式虚拟存储器
四、虚拟存储器工作的全过程
五、Pentium处理器的虚拟存储器
六、存储管理部件
第四节相联存储器
第五节存储保护
第八章辅助存储器(4学时)
1、教学目标
了解磁记录原理以及记录方式；理解磁盘阵列存储器；掌握硬磁盘存储器的基本结构。

硬磁盘的读/写过程。

2、本章重点
硬磁盘存储器的基本结构；硬磁盘的读/写过程。

3、本章难点
磁记录原理以及记录方式；磁盘阵列存储器。

4、本章思考题及实训题目
(1)假设写入代码为110101001，试画出RZ、NRZ、NRZ1、PM、FM和MFM的写入电流波形并指出哪些有自同不能力。

(2)假设某磁盘存储器的平均寻道时间为ts，转速为r/m,每磁道容量为N个字，每信息块为n个字，试推导出读/写一个信息块所需总时间TB的计算公式。

5、讲授内容
第一节辅助存储器的种类与技术指标
第二节磁记录原理与记录方式
一、磁记录原理
二、磁记录介质与磁头
三、磁记录方式
第三节硬磁盘存储器
一、硬磁盘存储器的种类及基本结构
二、硬磁盘驱动器及硬磁盘控制器
三、磁盘cache
四、磁盘阵列存储器
五、硬磁盘驱动器的发展方向
第九章输入输出(I/O)设备(4学时)
1、教学目标
掌握输入设备、输出设备的分类。

常见的输入、输出设备的工作原理。

2、本章重点
输入设备、输出设备的分类；常见的输入、输出设备的工作原理。

3、本章难点
常见的输入、输出设备的工作原理。

4、本章思考题及实训题目
(1)解释与显示器有关的分辨率、灰度级、刷新、刷新频率等的概念。

(2)试述阴极射线管显示器(CRC显示器)和激光打印机的工作原理？
5、讲授内容
第一节外部设备概述
第二节输入设备
一、键盘
二、光笔、图形板和画笔(或游动标)输入
三、鼠标、跟踪球和操作杆输入
四、触摸屏
五、图像输入设备(摄像机和数字照相机)
六、条形码及其技术
七、光学字符识别(OCR)技术和语音文中输入系统
第三节输出设备——显示器
一、显示技术中的有关术语
二、显示设备种类
三、字符显示器
四、图形和图像显示
第四节输出设备——打印机
一、点阵针式打印机
二、激光打印机
三、喷墨打印机
四、热转印打字机
五、打印机的发展趋势
第五节汉字处理技术
一、汉字编码标准
二、汉字的输入法
三、汉字的存储
四、汉字的输出
第十章输入输出(I/O)系统(4学时)
1、教学目标
了解输入输出设备的编址及设备控制器的基本功能；掌握程序中断、DMA输入输出方式和通道控制方式。

总线的类型和性能指标。

2、本章重点
程序中断、DMA输入输出方式和通道控制方式；总线的类型和性能指标。

3、本章难点
输入输出设备的编址及设备控制器的基本功能；程序中断、DMA输入输出方式和通道控制方式。

4、本章思考题及实训题目
(1)程序中断设备接口由哪些逻辑电路组成？各逻辑电路的作用是什么？
(2)流水线 CPU 和非流水线 CPU 在处理程序中断的方法上有什么不同？
5、讲授内容
第一节输入输出(I/O)系统概述
一、输入输出设备的编址及设备控制器的基本功能
二、I/O设备数据传送控制方式
第二节程序中断输入输出方式
一、中断的作用、产生和响应
二、中断处理
三、程序中断设备接口的组成和工作原理
第三节 DMA输入输出方式
一、DMA三种工作方式
二、DMA控制器组成
三、DMA的数据传送过程
第四节通道控制方式和外围处理机方式
一、I/O通道的种类
二、I/O处理机和外微处理机
第五节总线结构
一、总线类型
二、总线组成
三、微机总线
第六节外设接口
一、ATA(IDE)和SATA接口
二、SCSI、SAS和iSCSI接口
三、光纤通道FC和InfiniBand
四、PCMCIA
五、串行通信接口RS-232、USB和IEEE1394
六、Pentium处理器外围接口(芯片组)介绍
七、网络存储—SAN和NAS
第十一章计算机系统(4学时)
1、教学目标
掌握多种类型的计算机系统及其分类。

多种类型计算机之间的异同。

2、本章重点
计算机系统的分类；提高计算机系统运行速度的方法；各种处理机的特点。

3、本章难点
各种类型计算机系统之间的比较。

4、本章思考题及实训题目
(1)为微型机提供芯片组的目的是什么？试介绍主板的构成？
(2)存储卡中是否有COS操作？系统提高计算机运行速度有哪些方法？
5、讲授内容
第一节计算机系统概述
一、计算机系统的分类
二、提高计算机系统运行速度的方法
三、开放系统
四、计算机系统的性能评测
第二节微机系统
一、微处理器及个人计算机
二、台式机、笔记本计算机、PDA和智能手机
三、商用计算机和家用计算机
四、嵌入式计算机和片上系统
五、智能卡和电子标签
第三节工作站和服务器
一、工作站
二、服务器
三、瘦客户机
第四节多媒体计算机
一、概述
二、多媒体计算机系统的组成
三、多媒体计算机系统的关键技术
四、多媒体计算机的用途与实例
第五节超级标量处理机、超级流水线处理机和超长指令字处理机
一、超级标量、超级流水线和超长指令字处理机的特点
二、超级标量处理器举例—Ultra SPARC IV+处理器
第六节向量处理机
第七节阵列处理机和多处理机系统
一、SIMD并行处理机系统(阵列处理及系统)
二、多处理机系统
三、SGI Origin多处理机体系结构
四、高性能计算和网格计算
第十二章计算机硬件设计和实现导论(2学时)
1、教学目标
掌握计算机硬件的总体设计过程。

2、本章重点
计算机硬件的总体设计过程。

3、本章难点
计算机硬件的总体设计过程。

4、本章思考题及实训题目
(1)请举例说明ASIC芯片的应用。

(2)试述逆向工程与正向工程的差别？
5、讲授内容
第一节计算机硬件的总体设计
一、计算机硬件设计过程
二、指令系统的模拟与仿真
三、微程序设计自动化
四、引进、消化、吸收、创新
第二节集成电路设计概述
一、集成电路的设计过程
二、硬件描述语言(VHDL)
第三节电子设计自动化EDA
一、面向SoC的系统级设计
二、集成电路物理设计。