计算机组成与结构

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个人介绍

计算机组成与结构

提供学校：	青岛大学
课程编号：	151815

课程介绍

“计算机组成与结构”是一门理论性、工程性、技术性和实践性都很强的核心专业基础课程，在计算机学科系列课程中处于承上启下的作用。 课程教学目标是通过相关的教学活动，帮助学生理解计算机基本组成部件(包括运算器、控制器、存储器、输入/输出)的结构、工作原理、内部运行机制和设计方法。加深学生对计算机软、硬件系统的整体化理解，建立硬件/软件协同的整机概念，并有效增强学生的计算机系统设计能力。课程学习为研究生考试、后续课程（如系统结构，并行编程、嵌入式系统、接口技术）的学习，参加IT企业招聘等都奠定了坚实的基础。

教学大纲

《计算机组成与结构》教学大纲 Computer Organization and Architecture

【课程编号】C07080900002	【课程类别】专业基础必修课
【总学时数】64+16	【周学时数】4+1
【学分数】4+0.5	【先修课程】数字电路与逻辑设计、计算机系统基础

【适用专业】计算机科学与技术 【课程负责人】刘纯毅

一、课程简介

“计算机组成与结构”是一门理论性、工程性、技术性和实践性都很强的核心专业基础课程，在计算机学科系列课程中处于承上启下的作用。课程教学目标是通过相关的教学活动，帮助学生理解计算机基本组成部件(包括运算器、控制器、存储器、输入/输出)的结构、工作原理、内部运行机制和设计方法。加深学生对计算机软、硬件系统的整体化理解，建立硬件/软件协同的整机概念，并有效增强学生的计算机系统设计能力。课程学习为研究生考试、后续课程（如系统结构，并行编程、嵌入式系统、接口技术）的学习，参加IT企业招聘等都奠定了坚实的基础。

二、课程目标

本课程是计算机相关专业的必修基础课，旨在介绍现代计算机共同遵循的设计原理——冯诺依曼体系结构。在完成先修课程的基础上，系统了解计算机的整机组成部分，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，理解各部分的基本组成和工作原理，并在整体上把握其各自功能和相互协作机制。

通过本课程教学，实现具体课程目标如下：

课程目标1：掌握计算机系统的基本组成原理；掌握计算机系统硬件的基本组成和各功能部件的工作原理。形成整机概念，完整理解冯·诺依曼体系结构，理解计算机性能衡量的重要指标。

课程目标2：掌握计算机性能衡量指标，准确理解指令系统设计风格演变，深入理解微程序、硬连线控制方式的内在机制和性能差异。能在复杂工程问题中对计算机总体及局部技术性、经济性进行准确的对比分析。

课程目标3：掌握计算机CPU核心原理及其与外部设备之间的接口技术，在解决复杂工程问题中，初步具备完整的计算机硬件系统分析、设计、开发能力。

表1 课程目标对毕业要求指标点的支撑关系矩阵

毕业要求	毕业要求指标点	课程目标
1、工程知识	1.2 掌握计算机工程基础和专业知识，具备理解计算机应用领域复杂工程问题的能力。	课程目标1
2、.问题分析	2.3 能够分析计算机领域复杂工程问题解决过程中的关键影响因素，判断、评估解决方案的合理性。	课程目标2
3、设计/开发解决方案	3.2 能够根据目标和解决方案设计或开发满足特定需求的计算机软硬件系统、组件及产品。	课程目标3

课程安排

表2 教学内容、学时、方法等安排，与课程目标之间的支撑关系矩阵

序号	知识单元	知识点	教学要求（重点，难点，方法，要求等）	推荐学时	教学方式	支撑目标
1	概论	① 计算机系统的硬件组成结构 ② 计算机系统的层次结构 ③ 计算机系统软件及语言 ④ 计算机的逻辑部件 ⑤ 计算机性能评价	了解冯诺依曼计算机的硬件结构和主要功能；掌握计算机系统的硬件结构和层次结构；了解计算机软件的基本概念；了解计算机科学的发展历史及应用范围。	3	讲授	1 2
2	计算机的逻辑部件	① 基本逻辑门电路的工作原理 ② 逻辑门电路的实现 ③ 常用的组合逻辑电路原理 ④ 组合逻辑电路的组成 ⑤ 阵列逻辑电路原理 ⑥ 阵列逻辑电路组成	回顾数字逻辑电路相关知识，理解计算机常用的组合逻辑电路的组成和工作原理。	3	讲授	1 2
3	数据表示	① 不同进制分析 ② 定点数 ③ 浮点数 ④ 非值型数据表示 ⑤ 校验码	了解计算机中数值数据的表示、转换和运算。	3	讲授	1 2
4	运算方法	① 定点运算 ② 浮点运算	掌握定点数和浮点数的硬件描述和运算方法。	3	讲授	1 2
5	运算器	① 定点运算器 ② 浮点运算器 ③ 乘法阵列 ④ 流水线设计	掌握从半加器、全加器到加减法器的设计思想和具体方案；理解流水线设计理念，掌握并行计算方法。	6	讲授	1 2
6	存储系统	① 三级存储体系概述 ② 半导体存储器分类 ③ SRAM存储器原理 ④ DRAM存储器原理 ⑤ ROM与闪存 ⑥ 并行存储器 ⑦ 高速缓冲存储器	① 掌握存储器的基本概念 ② 掌握随机读写存储器的存储原理及读写过程 ③ 掌握只读存储器和闪速存储器的存储原理及读写过程 ④ 掌握高速存储器的结构原理及读写过程 ⑤ 掌握Cache存储器的实现原理及实现技术	12	讲授	2 3
7	指令系统	① 指令系统概述 ② 指令格式 ③ 寻址方式 ④ RISCT特点	① 掌握指令格式的组成内容 ② 掌握信息的存储结构与存取方式具 ③ 掌握指令和数据寻址方式 ④ 掌握指令的类型	8	讲授	2 3
8	中央处理器	① CPU的结构及功能 ② 指令周期、机器周期、时钟周期 ③ 微程序控制 ④ 硬连线控制 ⑤ 流水CPU ⑥ RISC机器	① 掌握CPU的功能和组成部件 ② 掌握指令周期、机器周期等时序概念及相互关系 ③ 掌握时序产生器的工作原理和和控制器的常用的几种控制方式 ④ 掌握微程序控制器的相关概念 ⑤ 掌握微程序控制器的的设计技术 ⑥ 掌握硬布线控制器的设计过程 ⑦ 掌握流水CPU的原理及相关技术 ⑧ 掌握RISC CPU的基本设计思想和特点	16	讲授	2 3
9	总线系统	① 总线基本概念 ② 总线仲裁机制 ③ 接口/适配器 ④ 总线标准	① 熟悉总线的概念和结构形态 ② 熟悉总线接口的构成和工作过程 ③ 熟悉的总线仲裁、定时和数据传送的几种常用模式	4	讲授	2 3
10	输入输出系统	① I/O概述 ② 输入输出控制方式 ③ 程序中断 ④ DMA	① 熟悉外围设备的定时方式与信息交换方式 ② 熟悉程序中断方式的工作过程 ③ 熟悉DMA方式的工作过程	4	讲授	1 2 3
11	实验1	实验系统及计算机时序电路	熟悉计算机组成原理教学实验系统的使用并掌握计算机的时序电路，应能产生机器周期状态、节拍电位和时钟脉冲三级时序控制信号，它们在时间上不允许交叉。	2	验证实验	2 3
12	实验2	运算器实验	① 掌握16位串/并算术逻辑运算器的工作原理及设计方法。 ② 掌握4位函数发生器74181和先行进位发生器74182的工作原理和使用方法。	2	验证实验	2 3
13	实验3	存储器实验	① 掌握半导体静态RAM的特性和使用方法。 ② 掌握多片存储器的扩展技术和片选技术。	2	验证实验	2 3
14	实验4	总线传输	① 通过一个简单的8位总线传输线路了解总线传输控制技术。 ② 熟悉几种常用的三态输出器件的性能和使用方法。	2	验证实验	2 3
15	实验5	控制器的组成及设计	掌握时序产生器的工作原理和组成原理，掌握微程序的编制、写入、观察微程序的执行，掌握硬布线控制器的组成原理、设计方法，了解硬布线控制器和微程序控制器的各自优缺点。	2	设计实验	2 3
16	实验6	模型计算机设计	利用TDN-CM++实验仪提供的硬件资源（功能模块、控制台及外设等），按设计、组装、调试三个步骤研制一台微程序控制的实验计算机。掌握设计、组装、调试实验计算机的方法。	4	设计实验	2 3
	合计			80

四、课程教学与方法

本课程是一门专业基础课，所涉及的内容广泛，所讲授的内容基本要求是了解基本内容、体系架构、核心技术。在掌握基本理论的基础上，需要辅之以合理的实验。

主要采用导引式、启发式、研讨式教学，激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动进行文献检索、通过实践和自学获得自己想学到的知识。

① 在理论课中，主要采用电子教案，CAI课件，提高课堂教学信息量，采用模拟仿真技术，演示性实验等，增强教学的直观性。

② 在实践课中，主要采用专题研讨与报告、演示验证实验等形式。指导学生以兴趣为导向，并以独立完成一个具体的、完整的CPU为主线，根据课程进度，引导学生主动检索与查阅资料，从头到尾逐部分完成一个应用方案的设计与规划，撰写其技术报告、设计方案等，并定期分组报告、交流研讨核心技术与体会。

③ 在课后作业中，主要是依据课程进度，学生在学习一个知识模块后，引导学生课后主动检索与查阅资料，撰写与本知识模块相对应的课程综述报告。

④ 课内讨论和课外答疑相结合，每周至少一次进行答疑。

五、课程考核评价方案

（一）总评成绩

采用过程化考核，共分4个考核环节：课堂研讨、线上线下的作业和测试、实验、期末试卷。课程总评成绩由4个考核环节的成绩加权而成，权重如表3所示。

表3 各考核环节在总评成绩中所占权重

考核环节	课堂研讨	线上线下作业和测试	实验	期末试卷	注：如有调整须开课前提交申请
权重	15%	20%	15%	50%	注：如有调整须开课前提交申请

（二）课程目标达成评价

一个课程目标的达成评价由一个或多个考核环节的达成值支撑，其对应关系根据课程目标的考核内容与每个考核环节的考核内容而定。表4为考核环节与课程目标之间的对应关系，P表示支撑关系。课程实施和评价过程的细节，需在开课前填写《考核方案合理性审核表》，交由教学委员会审核。

表4课程目标与考核环节之间的支撑关系

课程目标	主要考核内容	考核环节
课程目标	主要考核内容	课堂研讨	线上线下作业和测试	实验	期末试卷
课程目标1	原理的理解和方法的表述，方法的应用和设计实践		P	P	P
课程目标2	问题分析和解决思路的分析，解决方案的比较和评估，经典机制和技术的分析应用	P	P		P
课程目标3	解决方案的设计和分析，功能模块及系统的设计与实现			P	P

（三）各考核环节的评分标准

按照《计算机科学技术学院过程性考核实施办法》的基本要求，制定本课程各考核环节的评分标准。

1. 课堂研讨环节

3-6个学生组成一个课研小组，随课程进展在教师按序给出的课研模块和选题方向中确定课研题目，提交教师确认后开始研讨。课下查阅资料、小组讨论、设计实现、形成课研成果；课上以口头形式汇报、演示并进行组间研讨；课后以PPT、视频、研讨报告形式提交课研成果。

评价方式包括教师评价和学生互评。评价标准主要看：（1）参与研讨是否主动；（2）研讨内容是否深入、有效；（3）对小组的贡献如何；（4）是否主讲研讨汇报；（5）在组内、组间研讨中是否有建设性发言或启发性提问；（6）是否发挥个人所长，积极与他人合作；（7）研讨结论是否解决了问题；（8）书面研讨成果的质量如何等。

课堂研讨环节的达成值=学生实得分/环节总设分。

2. 线上线下作业、测试环节

在中国大学MOOC上开设SPOC，提供8个章节测试、8个章节作业，随课程进度提前公布完成时限，超出时限不能提交。

章节测试为客观题，题型为判断、单选、多选，由系统案预设答案自动评分。

章节作业为主观题，题型为分析、计算、应用，在系统内提供参考答案和评分标准，学生互评和教师评分结合进行。教师也可根据需要布置线下作业题，由教师评分。

线上线下作业、测试环节的达成值=学生实得分/环节总设分。

3. 实验环节

学生根据《计算机组成与结构实验指导书》按序完成实验任务，以小组为单位进行实验任务研讨和设计，以个人为单位进行代码检查和实验报告提交。

评价标准主要看：（1）任务研讨是否参与；（2）系统设计是否合理、可行；（3）代码的实现是否正确；（4）代码的可读性、通用性如何；（5）代码的效率如何；（6）测试用例和测试方案是否合理、有效；（7）实验报告、设计报告的逻辑性、规范性如何；等。

实验环节的达成值=学生实得分/环节总设分。

4. 期末考试环节

期末考试采用线下闭卷形式。所有教学班级由课程组集体命题，集体制定《期末试卷参考答案和评分标准》，命题合理性提交教学督导委员会审核；考后集体阅卷；课程组做出课程目标达成情况分析，交由教学委员会审核。