《计算机组成原理》教学大纲

1《计算机组成原理》教学大纲本门课程的教学目标和要求：《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业的一门核心专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握计算机系统的基本组成、计算机中数据的表示方法、计算机各硬件部件的功能和工作原理等，为学生学习计算机专业课打下坚实的基础。要求学生：1.从总体上了解计算机硬件、软件、计算机主要部件的基本概念；2.掌握计算机中各种数据的表示方法；3.掌握运算器的功能、组成和工作原理；4.掌握广泛使用的各类半导体存储器的工作原理和特性、主存储器系统的设计、多级存储器层次结构；5.掌握CPU的组成、CPU各个部件在计算机运行过程中的作用、如何实现各条指令的功能；6.掌握指令的格式、常见的寻址方式和指令的主要类型；7.掌握总线的概念、特性和几种常用的总线标准；8.掌握几种基本的信息交换方式和常用的外围设备的工作原理。教学重点和难点：本课程重点是：运算方法和运算器、存储系统、中央处理器。本课程难点是：存储系统和中央处理器。教学对象：计算机科学与技术专业本科大学生。教学方式：采用多媒体教学。教学时数：60学时。教学具体内容及学时分配：2第一章概论（2学时）教学目标和要求：通过学习本章，使学生了解计算机硬件、软件的概念和计算机的基本组成，从总体上认识计算机。要求学生：1.了解计算机的分类和应用领域；2.了解计算机硬件的概念和基本组成；3.了解计算机层次结构。教学重点和难点：本章重点：计算机硬件、软件的概念和计算机的基本组成。无难点。教学方式：课堂讲授2学时。第一节计算机系统简介（0.5学时）一、计算机系统简介计算机软件、硬件概念。二、计算机层次结构将计算机的层次结构。第二节计算机的基本组成（1学时）一、数字计算机的硬件组成介绍数字计算机的基本组成。二、计算机的工作步骤介绍数字计算机的工作步骤。第三节计算机硬件的主要技术指标（0.5学时）计算机硬件的主要技术指标。3复习与思考题：1.数字计算机如何分类？2.数字计算机主要应用有哪些？3.数字计算机的主要组成部分有哪些？4.计算机的系统软件包括哪几类？第二章总线系统（2学时）教学目标和要求：通过学习本章，使学生掌握总线的概念和基本技术，掌握当前流行的PCI总线的结构。要求学生：1.掌握总线的特性和性能指标；2.掌握单机系统中总线结构的基本类型；3.掌握总线传送信息的方式；教学重点和难点：本章重点：1.总线的特性和性能指标；2.总线的仲裁方式和定时方式；本章难点：总线的仲裁方式和定时方式。教学方式：课堂讲授2学时。第一节总线的概念（1学时）一、总线的基本概念介绍总线的特性和总线带宽。二、总线的连接方式介绍单机系统总线结构的三种类型。三、总线结构对计算机系统性能的影响介绍总线结构对计算机的最大存储容量、指令系统和吞吐量的影响。4第二节总线分类（1学时）介绍片内总线、系统总线、通信总线。复习与思考题：1.总线的特性有哪些？如何计算总线带宽？2.片内总线、系统总线、通信总线区别。第三章运算方法和运算器（16学时）教学目标和要求：通过学习本章，使学生掌握各种数据、字符在计算机中的表示方法，掌握运算器的功能、组成和工作原理。要求学生：1.掌握定点数、浮点数、字符和汉字的表示方法，数的机器码表示；2.掌握定点加、减法运算、定点乘除法运算、浮点加、减法运算的实现方法；3.掌握定点运算器、浮点运算器的基本结构和工作原理。教学重点和难点：本章重点：1.定点数、浮点数的表示方法、数的机器码表示；2.定点加减法运算、定点乘除法运算、浮点加减法运算；3.定点运算器。本章难点：定点乘除法运算、浮点加减法运算。教学方式：课堂讲授14学时，习题课2学时。第一节无符号数和有符号数（1学时）一、无符号数介绍无符号数表示法二、有符号数介绍无符号数表示法5第二节数的定点表示和浮点表示（2学时）一、数的定点表示介绍数的定点表示。二、数的浮点表示介绍数的浮点表示。第三节定点运算（8学时）一、补码加法介绍补码加法公式。二、补码减法介绍补码减法公式。三、溢出概念与检测方法介绍溢出的概念、溢出的两种检测方法：双符号位法和单符号位法。四、基本的二进制加法/减法器介绍行波进位的补码加法/减法器。五、原码乘法介绍原码乘法运算过程。六、原码除法介绍原码除法运算过程。第四节浮点四则运算（2学时）一、浮点加法、减法运算介绍浮点加、减法运算的操作过程。二、浮点乘法、除法运算介绍浮点乘法、除法运算规则和浮点乘、除法运算步骤。6第五节算术逻辑单元（1学时）一、逻辑运算介绍逻辑非运算、逻辑加运算、逻辑乘运算和逻辑异或运算。二、多功能算术/逻辑运算单元介绍多功能算术/逻辑运算单元ALU的基本思想、逻辑表达式，还介绍了ALU芯片74181和先行进位发生器74182的逻辑电路。复习与思考题：1.已知一个数的原码，如何求它的补码？2.试说明乘法器原理。3.试说明不恢复余数阵列除法器的工作原理。4.试说明多功能算术/逻辑运算单元的基本思想。5.试说明浮点加、减法运算的操作过程。第四章存储系统（10学时）教学目标和要求：通过学习本章，使学生掌握各类半导体存储器的工作原理和特性、主存储器容量的扩充方法、多级存储器的层次结构。要求学生：1.掌握主存储器的主要技术指标；2.掌握静态MOS存储器、SRAM的结构和工作原理；3.掌握动态MOS存储器，EPROM的工作原理；4.掌握SRAM、EPROM与CPU连接的方法；5.掌握Cache的工作原理、主存与Cache的地址映射方式；教学重点遇难点：本章重点：1.各类半导体存储器的工作原理；2.主存储器容量的扩充方法；3.虚拟存储器；74.多级存储器的层次结构。本章难点：1.主存储器容量的扩充方法；2.虚拟存储器。教学方式：课堂讲授8学时，习题课2学时。第一节存储器概述（1学时）一、存储器分类介绍存储器的作用和存储器的五种分类方法。二、存储器的分级结构介绍多级存储系统的层次结构和每级存储器的职能。三、主存储器的技术指标介绍主存储器的主要技术指标。第二节主存储器（4学时）一、SRAM存储器主要介绍SRAM存储器的原理、SRAM存储器的结构、SRAM存储器芯片与CPU的连接方式。二、DRAM存储器介绍DRAM存储元的工作原理、DRAM存储器芯片和DRAM的刷新。三、主存储器与CPU的连接第三节Cache存储器（2学时）一、Cache基本原理介绍Cache的功能、工作原理、Cache的命中率。二、主存与Cache的地址映射介绍三种映射方式：全相联映射、直接映射和组相联映射。三、替换策略8介绍常用的三种替换算法。四、Cache的写操作策略介绍三种写操作策略。五、奔腾PC机的Cache奔腾PC机采用两极Cache结构，集成在CPU内的是一级Cache，安装在主板上的是二级Cache。第四节辅助存储器（1学时）一、硬盘的原理介绍硬盘的储存原理。复习与思考题：1.在设计主存储器时，如何将存储器芯片与CPU连接？2.在三级存储器体系结构中，各级存储器的职能是什么？3.主存与Cache的地址映射方式有那三种？4.试说明段页式虚拟存储器地址变换过程。第五章指令系统（7学时）教学目标和要求：通过学习本章，使学生掌握指令的格式、地址码的结构、指令和数据的寻址方式、指令的类型，为下一章分析CPU的组织打下基础。要求学生：1.掌握指令的格式和地址码的结构；2.掌握指令和数据的寻址方式；3.掌握堆栈的概念和两种堆栈的结构；4.掌握指令的分类；5.掌握精简指令系统的特点。教学重点和难点：本章重点：指令的格式、地址码的结构和寻址方式。9本章无难点。教学方式：课堂讲授6学时，习题课1学时。第一节机器指令（0.5学时）一、机器指令格式介绍机器指令格式。二、机器指令字长介绍机器指令字长。第二节操作数类型和操作类型（1.5学时）一、操作数类型二、操作类型第三节指令和数据的寻址方式（3学时）一、指令的寻址方式指令的寻址方式有两种：一种是顺序寻址方式，另一种是跳跃寻址方式。二、操作数的寻址方式介绍了九种寻址方式。三、寻址方式举例第四节RISC和CISC（1学时）一、RISC介绍介绍RISC概念。二、CISC介绍介绍CISC概念。复习与思考题：1.试说明指令操作码、地址码的功能和地址码的结构。2.试说明操作数的寻址方式有哪几种。103.试说明存储器堆栈进栈和出栈的操作过程。第六章中央处理器（23学时）教学目标和要求：通过学习本章，使学生掌握CPU的功能和逻辑组成，从指令流程和微操作命令序列这两个层次上懂得计算机是如何工作的。要求学生：1.掌握CPU的功能和基本组成；2.掌握指令的执行过程；3.掌握微程序控制器的工作原理；4.掌握机器指令与微指令的关系；5.掌握微程序设计技术。教学重点和难点：本章重点：CPU的功能和基本组成；微程序控制器的工作原理；微程序设计技术。本章难点：微程序设计技术。教学方式：课堂讲授19学时，习题课4学时。第一节CPU的功能和结构（2学时）一、CPU的功能介绍CPU四个方面的功能。二、CPU的基本组成介绍控制器、运算器的组成和功能。三、CPU中的主要寄存器介绍CPU中六类寄存器的作用。四、操作控制器与时序产生器操作控制器有三种类型，其作用是在各寄存器之间建立数据通路；时序产生器的作用是对各种操作实施时间上的控制。11第二节指令周期（2学时）一、指令周期的基本概念介绍指令周期的概念和指令周期、CPU周期、时钟周期三者之间的关系。二、CLA指令的指令周期CLA是一条非访内指令，分析这条指令的执行过程。三、ADD指令的指令周期ADD是一条访内存指令，分析这条指令的执行过程。四、STA指令的指令周期STA是一条访问内存的存数指令，分析这条指令的执行过程。五、NOP指令和JMP指令的指令周期分析NOP指令和JMP指令的执行过程。六、用方框图语言表示指令周期介绍如何用方框图语言来表示机器指令的周期。第三节指令流水（2学时）一、指令流水原理二、影响流水线性能因素第四节中断系统（2学时）中断系统工作过程。第五节控制单元的功能（4学时）一、微操作命令的分析介绍取指令周期、间址周期、执行周期、中断周期二、控制单元的功能介绍控制单元特性、控制方式。12第六节控制单元的设计（5学时）一、微程序设计思想二、微程序控制单元工作原理三、微指令的编码方式四、微指令格式微指令格式大体上分为两类：水平型微指令和垂直型微指令。介绍了每种微指令的格式。第七节控制单元的设计举例（2学时）微程序设计举例。复习与思考题：1.试说明CPU的功能和基本组成。2.试说明微命令、微操作、微指令和微程序的概念。3.微程序控制器由哪三部分组成？每部分的作用是什么？4.试说明机器指令与微指令的关系。5.微命令编码有哪几种方法？参考文献：1.王爱英,《计算机组成与结构》,第二版,清华大学出版社,19962.俸远祯,《计算机组成原理》,修订本,电子工业出版社,19973.王诚等,《计算机组成与设计》,第二版,清华大学出版社,2004