计算机组成与结构课程序言
计算机系统结构-教材
计算机系统结构教材目录1. 引言1.1 背景和意义1.2 结构概述1.3 目的2. 计算机系统组成2.1 中央处理器(CPU)2.2 存储器2.3 输入输出设备(I/O)3. 计算机指令与运行流程3.1 指令集体系结构(ISA)3.2 控制单元(CU)与运算单元(ALU)3.3 数据通路与总线连接方式4. 存储器层次结构与缓存管理4.1 存储器层次结构概念4.2 缓存的工作原理与替换策略4.3 虚拟内存管理与页面置换算法5. 输入输出系统和外设控制5.1 I/O接口及其分类5.2 程序控制I/O和直接存储器访问(DMA)5.3 磁盘存储器和文件系统管理1. 引言1.1 背景和意义计算机系统结构是计算机科学中的重要领域，它研究了计算机硬件和软件之间的关系以及它们如何协同工作来实现高效的数据处理和信息交流。
在21世纪，计算机系统结构面临着越来越多的挑战和需求。
随着人们对于计算能力、存储容量和数据传输速度的不断追求，计算机系统结构在日常生活、科学研究、商业应用等各个领域都扮演着重要角色。
1.2 结构概述计算机系统结构主要包括中央处理器(CPU)、存储器、输入输出设备(I/O)和数据通路等组成部分。
中央处理器是计算机系统的核心，负责执行指令集并进行运算操作。
而存储器则用于存储程序代码和数据，以及缓存中间结果以加快处理速度。
输入输出设备则负责与外界进行信息交互，例如键盘、显示器、打印机等。
1.3 目的本教材旨在为读者提供一个全面且系统性的介绍计算机系统结构的教材。
通过学习本教材，读者将能够了解计算机硬件和软件之间的关系，掌握计算机指令与运行流程以及存储器层次结构与缓存管理的原理，进一步理解输入输出系统和外设控制的工作方式。
接下来，我们将逐一介绍计算机系统组成、计算机指令与运行流程、存储器层次结构与缓存管理以及输入输出系统和外设控制等内容。
希望本教材能够帮助读者深入理解计算机系统结构，并为相关领域的学习和研究提供基础知识。
计算机组成与系统结构教学大纲
计算机组成原理教学大纲一、课程名称计算机组成原理（Principles of Computer Construction）二、课堂授课学时与学分学时：64学时三、授课对象计算机科学与技术及相关专业本科学生四、先修课程计算机应用基础、数字逻辑五、教学目的本课程的学习将使学生了解计算机系统的硬件和软件构成方法，了解其硬件系统中运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备和总线系统的构成原理。
为后续专业课程的学习打下扎实的理论基础。
六、主要内容、基本要求及学时分配主要内容：1、计算机系统概论：包括计算机的语言，计算机的硬件，计算机系统的层次结构和电子计算机的发展简史及计算机的应用。
2、运算方法和运算器：包括数据表示方法和转换，带符号数的表示及加减运算，二进制乘法运算，二进制除法运算，浮点数的运算方法，运算部件和数据校验码。
3、主存储器：包括主存储器处于全机中心地位，主存储器分类，主存储器的主要技术指标，主存储器的基本操作，随机存储器RAM，非易失性半导体存储器，DRAM的研究与发展，半导体存储器的组成与控制和多体交叉存储器。
4、指令系统：包括指令系统的发展，指令格式，数据表示，寻址方式，指令类型，指令系统的兼容性，RISC和CISC和指令系统举例。
5、中央处理部件CPU：包括计算机的硬件系统，控制器的组成，微程序控制器计算机的工作原理，微程序设计技术，硬布线控制的计算机，控制器的控制方式，流水线工作原理，CPU举例和计算机的加电及控制过程。
6、存储系统：包括存储系统的层次结构，高速缓冲存储器Cache，虚拟存储器，相联存储器和存储保护。
7、辅助存储器：包括辅助存储器的种类与技术指标，磁记录原理与记录方式，硬磁盘存储器，软磁盘存储器，磁带存储器和光盘存储器。
8、输入输出设备：包括外部设备概述，输入设备，输出设备—显示器和输出设备—打印机。
9、输入输出系统：包括系统概述，程序中断输入输出方式，DMA输入输出方式，通道控制方式和外围处理机方式，总线结构和外设接口。
计算机组成与结构课程标准
计算机组成与结构课程标准第一篇：计算机组成与结构课程标准计算机组成与结构Computer Organization and Architecture【课程编号】1020216 【总学时数】48 【学分数】3 【适用专业】网络工程【课程类别】专业必修课【周学时数】4 【先修课程】一、教学目标通过本课程的教学，让学生从计算机的基本概念、基本组成及基本功能着手，对计算机的各个基本组成部件及控制单元的工作原理进行讨论，使学生掌握有关软、硬件的基本知识，尤其是各基本组成部件有机连接构成整机系统的方法，为培养学生对计算机系统的分析、设计、开发和使用能力打下基础。
二、教学内容、要求及学时分配第一章计算机系统概论学时：4 教学内容：1.1 计算机与语言 1.2 计算机的硬件1.3 计算机系统的层次结构 1.4 电子计算机的发展简史 1.5 计算机的应用教学要求：了解计算机的发展概况、现代计算机的特点；掌握计算机的组成及工作过程；理解计算机的分级及技术指标。
重点、难点：计算机的组成及工作过程，计算机的分级实验课、习题课、讨论课等教学形式：讲授、多媒体第二章计算机的逻辑部件学时：4 教学内容：2.1 三种基本逻辑操作及布尔代数的基本公式 2.2 逻辑函数的化简2.3 逻辑门的实现2.4 计算机中常用的组合逻辑电路 2.5 时序逻辑电路 2.6 阵列逻辑电路教学要求：掌握逻辑代数、门电路、组合逻辑电路的应用及设计；理解触发器、时序逻辑电路；了解阵列逻辑电路。
重点、难点：逻辑代数、门电路、组合逻辑电路实验课、习题课、讨论课等教学形式：讲授、多媒体第三章运算方法和运算部件学时：4 教学内容：3.1 数据的表示方法和转换3.2 带符号的二进制数据在计算机中的表示方法及加减运算 3.3 二进制乘法运算 3.4 二进制除法运算 3.5 浮点数的运算方法 3.6 运算部件3.7 数据校验码教学要求：掌握各种进制及其转换、带符号二进制数在计算机中的表示方法及相互关系；掌握定点数，定点数的加、减、乘、除运算方法及相应的电路实现；理解浮点数，浮点数的加、减、乘、除运算方法及相应的电路实现；了解数据校验的概念和方法。
计算机组成与体系结构课程设计
计算机组成与体系结构课程设计一、设计背景计算机组成与体系结构是计算机科学与技术专业中的一门重要基础课程，它是学生全面认识计算机硬件、软件系统的入门课程。
此次课程设计旨在通过设计和实现一个简单的计算机系统的方式，让学生深入理解计算机的组成原理和工作方式，培养学生的计算机系统设计和编程能力。
二、设计目的本课程设计的主要目的是：1.加深学生对计算机系统组成和工作方式的理解；2.培养学生利用计算机系统构建实际系统的能力；3.提高学生的编程和调试能力；4.加强学生的团队合作和信息交流能力。
三、设计内容1.设计和实现一个简单的计算机系统，包括计算机的处理器、存储器、输入输出设备等；2.设计和实现计算机系统的指令集、操作系统、文件系统等软件功能；3.设计和实现测试和调试工具，进行系统测试和调试；4.进行实际系统的性能测试和优化；5.编写课程设计报告，对整个系统进行详细描述，并对设计过程和实现过程进行总结。
四、设计流程本课程设计的流程如下：1.组建项目团队，确定团队各成员的职责；2.研究计算机系统的组成原理和工作方式；3.确定计算机系统的基本要求和功能；4.制定计算机系统的整体设计方案；5.实现计算机系统的硬件和软件功能；6.进行系统测试和调试，优化系统性能；7.编写课程设计报告。
五、设计语言与环境1.计算机系统的硬件设计使用Verilog语言，并采用Quartus II软件进行仿真和实现；2.计算机系统的软件设计使用C语言，并采用GCC编译器进行编译。
六、设计要求1.计算机系统的硬件设计要求符合计算机系统的基本工作原理和规范；2.计算机系统的软件设计要求符合C语言编程规范，并能够实现计算机系统的基本功能；3.计算机系统的测试和调试要求严谨认真，确保系统的稳定性和性能；4.编写课程设计报告要求内容全面、结构清晰，文句通顺、简明易懂。
七、设计成果展示本课程设计成果包括：1.计算机系统的完整硬件和软件实现；2.计算机系统的详细测试和调试报告；3.计算机系统的设计和实现文档；4.课程设计报告和演示材料。
计算机组成与系统结构课程设计
计算机组成与系统结构课程设计一、课程设计背景计算机组成与系统结构是计算机科学与技术专业中的一门重要课程，它主要介绍计算机的基本组成、原理和结构等方面的知识。
计算机组成与系统结构课程的学习对于学生深入了解计算机硬件的工作原理、优化计算机程序的运行速度以及开发计算机系统和应用具有重要意义。
在此背景下，本文将介绍一项计算机组成与系统结构课程设计，旨在帮助学生深入了解计算机的基本结构、实践搭建计算机系统，并通过开发一个简单的程序来提高对计算机软硬件的综合应用能力。
二、课程设计内容1.设计计算机组成与系统结构的实验方案；2.利用物理部件构建计算机硬件；3.完成编译过程，将源代码转换成机器码；4.编写汇编语言程序，学习对计算机硬件的操作；5.制作计算机操作系统，并将其嵌入到计算机硬件中；6.完成一个简单的计算机程序，以实现对计算机的硬件和软件进行综合应用和测试。
三、课程设计流程1.实验方案设计在计算机组成与系统结构课程设计中，首先需要制定实验方案。
实验方案需要明确实验目的、实验内容、实验要求、实验步骤和实验细节等方面的要求。
2.选择物理部件在实验方案制定之后，需要选择所需要的物理部件。
常用的组成计算机硬件的物理部件包括CPU、存储器、输入/输出设备等。
3.构建计算机硬件通过选择物理部件，学生可以开始构建计算机硬件。
这个阶段主要包括将CPU、存储器、输入/输出设备等部件进行连接、搭建硬件框架等工作。
4.将源代码转换成机器码在构建计算机硬件之后，学生需要完成编译过程，将源代码转换成机器码。
5.编写汇编语言程序通过制定实验方案，学生需要编写汇编语言程序，利用程序对计算机硬件进行操作，从而实现对计算机的控制。
6.制作计算机操作系统在编写汇编语言程序之后，学生需要制作一个计算机操作系统。
通过将操作系统嵌入到计算机硬件中，可以实现对计算机系统各个方面的整合，为计算机应用提供支持。
7.开发简单的计算机程序学生需要开发一个简单的计算机程序，以测试自己所建立的计算机系统的性能和可靠性。
计算机组成结构课程教学大纲
GDOU-B-11-213《计算机组成结构》课程教学大纲课程简介课程简介:计算机组成结构是软件工程专业重要专业基础课。
包括了计算机的基本构成，内存与ＣＰＵ的连接关系；外设的基本概念；中断的基本概念等。
是学生进一步深入学习后续课程如《操作系统》和《嵌入式操作系统》的重要基础。
课程大纲一、课程的性质与任务：本课程是计算机专业一门重要的主干课程。
课程的任务是使学生掌握计算机组成部件的工作原理、逻辑实现、设计方法及将各部件连接成整机的方法，强调建立CPU级和硬件系统级的整机概念，培养学生对计算机硬件系统的分析、开发与设计的能力。
该课程是计算机硬件系列课程的重要先修基础二、课程的目的与基本要求：通过本课程的学习，使学生掌握计算机系统的组成和工作原理，熟悉运算方法和运算器，理解存贮系统、各种存贮器的工作原理和存贮器扩展技术；掌握计算机指令的寻址方式、指令格式和指令分类机功能；掌握微处理器的结构组成原理，熟悉控制器的设计方法；掌握总线结构和总线控制，熟悉常用的系统总线；熟悉外围设备的功能、种类和作用；掌握输入输出技术，为后继课程的学习奠定坚实的的理论基础。
三、面向专业：软件工程专业四、先修课程:《计算系统基础》五、本课程与其它课程的联系：计算机组成机构的基础是《计算系统基础》，需要组合逻辑电路，时序逻辑电路的分析能力以及PLA电路的设计能力，并且对于理解计算机基本组成非常关键，并且计算机组成结构是嵌入式系统的基础，对从分理解嵌入式系统的工作原理非常重要。
六、教学内容安排、要求、学时分配及作业：第一章机器数(6学时)1.1. 机器数的特点(A)1.2. 数的编码表示(C)原码、补码，变形补码、反码、移码1.3. 定点数与浮点数、规格化数的概念(B)第二章存储体系(6学时)2.1. SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM单个存储单元工作原理(A) 2.2. 存储芯片内的组织及地址译码，DRAM刷新(C)2.3. 双端口存储器，多体存储器，相联存储器(B)2.4. Cache存储器(B)2.5. 虚拟存储器(B)2.6. 磁记录原理及记录方式(B)2.7. 磁盘、磁带、光盘简单工作原理(B)第三章指令系统(6学时)3.1. 指令的设计准则(A)3.2. 寻址方式(B)3.3. 指令类型(C)3.4. CISC与RISC(B)第四章运算方法及运算器(8学时)4.1. 定点数的加减运算(A)4.2. 定点数的乘法运算(C)4.3. 定点数的除法运算(B)4.4. 浮点数的四则运算(C)4.5. 二--十进制运算(C)4.6. 运算器的组成(C)第五章控制器(8学时)5.1. 控制器基本组成(A)5.2. 指令执行流程(C)5.3. 控制方式及控制时序(B)5.4. 组合逻辑控制器(B)5.5. 微程序控制器(B)第六章I/O组织及接口(8学时)6.1.I/O组织概述(A)6.2程序查询方式及其接口. (C)6.3.程序中断方式及其接口(C)6.4. DMA方式及其接口(C)6.5.通道方式及IOP方式(C)七、实验名称与类别:注:实验类别指:演示型、操作型、验证型、综合型、设计型、研究创新型八、实验目的、内容与要求实验1半导体存储器实验实验目的：掌握内存与CPU的连接方法。
计算机组成与结构教学大纲
计算机组成与结构教学大纲理解计算机硬件组成的基本原理，把握冯·诺依曼体系的思想精髓，奠定计算机大类专业的系统基础，为后续专门领域的深入学习提供强有力的支撑。
课程概述《计算机组成与结构》课程具有知识面广、内容多、难度大、更新快的特点。
本课程在教学中着重计算机的基本原理、基本知识点的讲授，通过课堂教学和实践环节的训练，使学生掌握计算机各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成单机系统的技术。
课程内容以冯．诺依曼机基本结构为主线，介绍计算机的基本组成和内部工作机制，主要讲授计算机系统概论、运算基础、数值的机器运算、存储系统和结构、指令系统、中央处理器、外围设备和输入输出系统和总线等内容。
课程大纲第一章计算机系统概论1.2 计算机基本组成1.1 计算机系统介绍第一章课件1.3 计算机硬件主要技术指标系统概论单元测验系统概论测试2第二章计算机发展及应用2.2 计算机应用领域及发展前景2.1 计算机发展简史单元测验2发展及应用测验第三章系统总线3.5 总线控制3.2 总线种类3.4 总线的基本结构3.3 总线特性及性能指标3.1 总线的基本概念系统总线测验系统总线测验2第四章存储系统4.2.7 提高存储速度的措施4.3 高速缓冲存储器Cache 4.2.4 只读存储器4.4 辅助存储器4.2.2 半导体存储器简介4.2.5 存储器与CPU的连接4.2.6 存储校验4.2.3 随机存取存储器4.1 概述4.2 主存储器4.2.1 主存概述存储器单元测验存储器单元测验2第五章输入输出系统5.3 IO接口5.1 概述5.2 IO设备5.4 程序查询方式5.6 DMA方式5.5 程序中断方式输入输出测验I/O测验第六章计算机的运算方法6.2 数的定点表示和浮点表示6.3 定点运算6.4 浮点运算6.5 算术逻辑单元6.1 无符号数和有符号数运算方法测验运算方法单元测验第七章指令系统7.1 机器指令7.5 RISC技术7.3 寻址方式7.4 指令格式7.2 操作数类型和操作类型指令系统测验指令单元测验第八章中央处理器CPU8.3 指令流水8.4 中断系统8.6 组合逻辑控制8.2 指令周期8.7 微程序控制8.1 CPU的结构8.5 控制单元与控制方式CPU单元测验预备知识数字电路汇编语言参考资料（1）唐朔飞，计算机组成原理（第2版），高等教育出版社，2008.1David A.Pattterson （美）等著，康继昌等译，计算机组成与设计-硬件/软件接口（第4版），机械工业出版社，2012.1（2）David A.Pattterson（美）等著，康继昌等译，计算机组成与设计-硬件/软件接口（第4版），机械工业出版社，2012.1（3）蒋本珊，计算机组成原理（第3版），清华大学出版社，2013.8。
计算机组成与结构课程简介
四、计算机硬件系统
包括：
cpu
{ 运算器 控制器
{ Cache
存储系统 主存储器 辅助存储器
{ I/O系统
输入设备 输出设备
它们通过总线和接口被连接在一起，构成一 台完整的计算机。
计算机硬件系统
计算机硬件系统
运算器
运算器是计算机中对数据进行处理的部件， 其主要功能包括： 1、执行数值型数据的算术加、减、乘、除运算，
计算机硬件系统
控制器 存储器系统
cache 主存 辅存
运算器
由cache、主存、辅存 组成的三层存储器系统， 用来存放数据和程序等 信息，是计算机系统的 一个子系统，每一层所 用的存储介质各不相同。 分三章来讲解。
计算机硬件系统
控制器
运算器
cache 主存 辅存
输入设备
输入设备是向计算 机输入程序和数据的设 备，通过接口和总线与 主机相联，用于人机交 互。例如：鼠标、键盘 等等。
白中英 编
二、时间安排
本课程共88学时，其中讲授72，实 验12学时
三、教学内容
计算机组成原理课程大纲规定： 讲解单台计算机的完整硬件系统的基本组成
原理与内部运行机制和系统结构的基本概念和基 本理论 。
单台：非多机系统，非多处理机结构 基本：不一定是最高性能、最合理的组合，而是
最基础的、必要的组成部分 完整：计算机的全部的、基本的硬件功能部件
教学内容组织
第五单元：即教材第十一章，重点介 绍超级标量处理机、超级流水线处理 机和超长指令字处理机、向量处理机、 阵列处理机和多处理机的系统结构。
六、教学环节与成绩评定
1、理论教学 72学时。
要求：课前预习 不无故缺课、迟到、课堂不讲话。
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大学英语Ⅰ
大学英语Ⅱ
大学英语Ⅲ
本课程与相关课程的关系
计 算系 操统 作Fra bibliotek计 算结 系构 统
微 机与 系接 统口
单理 片与 机应 原用
嵌 入系 式统
计算机组成原理
电路 原理
数字 逻辑
布尔 代数
大学 物理
课程的目的和任务
计算机系统： 硬件和软件的综合体。 本课程侧重点：学习计算机单机系统组成结构； 学习各组成部分的工作原理。 学习的目的： ⑴建立计算机系统的整机概念，理解软硬件的关系和 逻辑的等价性 ⑵深入了解计算机各部件的组成原理、工作机制以及 部件之间的相互关系 ⑶加强硬件分析和设计的基本技能和方法，培养和提 高计算思维能力
---性能设计》 第4版
清华大学出版社
其它参考书
1.张钧良.计算机组成原理 .北京：清华大学出版社， 2003 2.王闵 .计算机组成原理. 第二版. 北京:电子工业出版,2001 3.张基温 .计算机组成原理教程 .北京：清华大学出版社,2000 4.陈华光 .计算机组成原理 北京：机械工业出版社， 2004 5.罗克露等 .计算机组成原理 .北京：电子工业出版社， 2004 6.王诚 .计算机组成原理与设计.北京:清华大学出版社, 2002 7. William Stallings《计算机组织与结构性能设计(第四版)
基础课 专业基础课
计 算 机 组 成 原 理
本课程的教学内容跨越专 业基础和专业课两个层次. 因此, 它具有专业基础 专业课双重性质.
专业课
本课程在计算机专业层次结构中的位置
本课程在计算机科学与技术专业课程的位置 软件工程方向 嵌入式方向 网络工程方向
软件编译技术 软件质量保证 软件分析与设计 数据库原理与应用 面向对象程序设计 软件工程 操作系统 认知实习 离散结构 电路与电子技术 面向过程程序设计 大学物理Ⅰ 高等数学Ⅰ 高等数学Ⅱ 算法与数据结构 计算机组成原理 数字系统逻辑设计 面向过程编程实训 数字系统设计实训 计算机基础实训 大学物理Ⅱ 高等数学Ⅲ 嵌入式软件开发 数据库原理与应用 嵌入式系统硬件设计 面向对象程序设计 嵌入式操作系统与开发 嵌入式编程语言 微机原理与接口技术 企业网络高级管理 网络信息与安全 网络操作系统 数据库原理与应用 面向对象程序设计 网络工程 TCP/IP协议 企业实训 算法设计综合实训
课程内容的主要知识层面
计算机硬件系统：由运算器、控制器、存储
器、外部设备组成；
系统级部件是由寄存器级电路组成的；
寄存器级又是由门电路级组成的；
门电路级又是由晶体管级组成的； 晶体管的物理实现是MOS和TTL；
课程内容的主要知识层面
计算机 控制器 存储器 外设 系统级
ALU
寄存器1
寄存器2
寄存器3
》清华大学出版社， PRENTICE HALL
8.王爱英主编《计算机组成与结构》，北京，清华大学出版社
几点要求
●课前要预习，课后及时复习做习题，不旷课；
●课堂练习是教学的重要组成部分要认真对待； ●希望勤提问题，不懂要及时提出，各知识点要求
理解切勿死记硬背。
下面学习第1章!
N包含的内容
1.期中阶段考试; 2. 阶段测验; 3.课程综述论文
参考书1
□高建生 、莫正坤、
《计算机组成原理》
华中科技大学出版社
参考书2
□白中英
《计算机组成原理》第三版
科学出版社
参考书3
□郑纬民 译
《计算机组成和设计
---硬件/软件接口》第2版
清华大学出版社
参考书4
□张昆藏 译
《计算机组织与结构:
….
寄存器n
寄存器级
门1 晶体管1 TTL MOS
门2 晶体管2 TTL
…. ….
门n 晶体管n MOS
门级 晶体管级 物理级
….
本课程主要学习在寄存器级及以上层面的内容
课程主要内容
1、计算机系统概论 2、计算机发展与应用 3、系统总线 4、存储器 5、输入输出系统 7、指令系统 8、CPU的结构与功能 9、控制单元的功能 10、控制单元的设计
系统结构定量分析、讨论如何优化计算机性能。
组成原理更多的是从计算机的组成结构，以及各个功能部件 的实现原理的角度去阐述及计算机的内部结构。
课程的性质
电路分析 数字逻辑 计算机组成原理 微机与接口技术 系统结构 单片机应用 嵌入式系统及应用
本课程是专业基础课，是一门承上启下的课程。
具有专业基础和专业课双重性质
课程重点
计算机的基本构成 计算机的工作原理
学习线索
6、计算机的运算方法
主要教学环节
课堂教学：64学时 实验教学：16学时 实验内容：1.总线实验 3.存储器实验 2.运算器实验 5.基本模型机设计等
4.微控制器实验
实验成绩： 15分+15分+15分+25分+30分=100分 考试： N+理论考试成绩+课堂笔记成绩
《计算机组成原理》
Principles of Computer Organization (0433208 )
张向东 计算机科学与技术系
合肥学院
课程序言
本课程的类别
计算机专业核心课程
软件基础课（数据结构）
硬件基础课（计算机组成原理）考研科目 讲述计算机内部的构成以及各个部件功能 与“计算机系统结构”课程的区别