计算机组成原理教学设计

《计算机组成原理》教学设计

一、该课程应讲授的内容体系

1．基本描述

【课程中文名称】：计算机组成原理

【课程英文名称】：PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION

【总学时】：68

【讲课学时】：52

【实验学时】：16

【授课对象】：计算机科学与技术专业、信息安全专业、生物信息技术专业

【先修课程】：数字电路设计

2．教学定位

《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业本科教学中的一门重要技术基础课，在计算机科学与技术专业的教学计划中占有重要地位和作用。学习本课程旨在使学生掌握计算机硬件各子系统的组成原理及实现技术，建立计算机系统的整体概念，对培养学生设计开发计算机系统的能力有重要作用。该课程为今后学习计算机体系结构、计算机网络、计算机容错技术、计算机并行处理、计算机分布式处理技术等课程打好基础。

3．知识点与学时分配

（ 1 ）第一章计算机系统概论（2.5学时）

计算机软硬件概念、计算机系统的层次结构、计算机的基本组成、冯•诺依曼计算机的特点、计算机的硬件框图及工作过程、计算机硬件的主要技术指标和本书结构及学习指南。

（ 2 ）第二章计算机的发展及应用（0.5学时）

计算机的产生、发展及在各个不同领域的应用。

（ 3 ）第三章系统总线（3学时）

总线的基本概念、总线的分类、总线特性及性能指标、总线结构和总线的判优控制及通信控制。

（ 4 ）第四章存储器（10学时）

存储器分类和存储器的层次结构；主存储器（包括半导体存储芯片简介、静态随机存取存储器和动态随机存取存储器、只读存储器、存储器与CPU的连接、存储器的校验、提高访存速度的措施）；高速缓冲存储器（包括Cache的基本结构及工作原理、Cache--主存地址映像、替换算法）；辅助存储器（包括辅助存储器的特点及主要技术指标、磁记录原理和记录方式、磁盘存储器的结构、光盘存储器的存取原理）。

（ 5 ）第五章输入输出系统（8学时）

输入输出系统的发展概况及组成、I/O与主机的编址方式、传送方式、联络方式以及设备寻址；外部设备分类及简介、I/O接口的功能及基本组成；程序查询方式的工作原理及程序查询接口电路；程序中断方式的工作原理及程序中断接口电路、中断服务流程；DMA方式的特点、DMA接口电路的功能、组成、类型及DMA 的工作过程。

（ 6 ）第六章计算机的运算方法（12学时）

计算机中有符号数（原码、补码、反码、移码）和无符号数的表示；计算机中数的定点表示和浮点表示；定点运算（算术移位和逻辑移位、补码加减、原码补码乘法、原码补码除法）及相应的硬件配置；浮点四则运算和算术逻辑单元及进位链。

（ 7 ）第七章指令系统（4学时）

机器指令的一般格式、操作数类型和操作类型、指令的地址格式和寻址方式、指令格式举例和RISC技术。

（ 8 ）第八章 CPU的结构和功能（4学时）

CPU的功能及结构框图、指令周期、指令流水和中断系统（包括引起中断的各种因素，中断系统所需解决的共性问题，如中断请求标记、中断判优、中断响应、中断服务、中断返回、多重中断等）。

（ 9 ）第九章控制单元（4学时）

微操作命令的分析（按取指周期、间址周期、执行周期和中断周期分析不同指令的微操作命令）、控制单元的外特性、多级时序系统、控制方式和控制信号实例分析。

（ 10 ）第十章控制单元的设计（4学时）

组合逻辑设计（包括组合逻辑控制单元框图、微操作节拍安排、组合逻辑设计举例）；微程序设计（包括微程序控制单元框图及工作原理、微指令的编码方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序设计举例）。

二、教材选择

本课程教材选用唐朔飞编著《计算机组成原理》（高等教育出版社，2000年7月第一版）。该教材是国家教育部提出的“面向21世纪计算机类专业教学内容和课程体系改革”课题的研究成果，是教育部高等学校计算机科学教学指导委员会统一组织编写的计算机科学与技术专业“九五”规划课程系列教材之一。

该教材根本上扭转了从二进制数制码制开始，接着按运算器、存储器、控制器、输入输出系统的顺序，逐一讲述计算机中各部件的传统写法，致使学生往往学了半个学期，仍不知其所以然，直到最后才将全部的内容连贯起来。这种自底向上的讲述方法，不易激发学生主动探求知识，也不利于“以学生为主”的教学方式。

本教材定位在原理和性能分析上。首先把学生领到计算机整体框架的制高点上，然后带领学生自顶向下，由表及里，层层细化，一步一步进入到计算机的内核，更有利于学生对计算机工作原理的理解。在深化过程中，每走一步会出现一系列悬念，每一个悬念又都启发学生主动从下一篇章寻求答案。因此在大框架的指导下，在深入细化的过程中，学生自觉的加深了对计算机的理解。在此过程中，由于突出了启发式教育，学生经过主动探求，使知识掌握得更加牢固。

2000年至今，全国开始采用此教材，实践证明了该教材确实达到了编写的设想，激发了学生主动探索的积极性，引导了学生层层深化的目的。此教材2002年获全国普通高校优秀教材二等奖，至今已印刷１２次，共１５００００册。

本课程主要参考教材为教育部高等教育司推荐的国外优秀信息科学与技术系列教学用书 William Stallings, Computer Organization and Architecture Designing for Performance ( Fifth Edition ), 2001.8影印版。

三、课程讲授

1．重点与难点

（ 1 ）第一章计算机系统概论

重点：本章重点突出计算机组成的概貌和框架，如下图所示。

由此使学生简洁明了地了解计算机内部的工作过程实际上是指令流和数据流在此框架内由I/O→存储器→CPU→存储器→I/O的过程，是通过逐条取指令、分析指令和执行指令来运行程序的。同时要让学生了解到当今计算机尽管发展到千变万化的程度，但其最根本的组成原理还是基于冯•诺依曼的结构。

难点：本章概念、名词较多，这些只是为进一步深化学习打下基础，因此严格讲本章没什么难点，只要建立计算机组成的框架即可。对指令和数据都以0或1代码存于存储器中，计算机如何区分它们这一问题，应特别注意重点理解。

（ 2 ）第二章计算机的发展和应用

重点：使学生了解到从1946年ENIAC诞生到二十世纪五、六十年代，由于构成计算机的元器件发展变化（由电子管→晶体管→集成电路），使计算机的性能有了很大提高，每隔6至7年，计算机便更新换代一次，运算速度约提高一个数量级。而到了二十世纪七十年代，自从Intel公司生产了第一个微处理器芯片后，随着集成度成倍的提高，以每隔18个月芯片上的晶体管数就翻一番的速度使计算机得到极为广泛的应用，以至整个社会从制造时代进入到信息时代，出现了知识大爆炸，从而要激发学生学习本课程的积极性和主动性。

（ 3 ）第三章系统总线

重点：要求学生了解随着计算机的发展，应用领域的不断扩大，I/O设备的种类和数量也越来越多。为了更好地解决I/O设备与主机之间连接的灵活性，计算机的结构从分散连接发展成总线连接。由于各个子系统都通过总线交换信息，这就产生了总线的瓶颈问题，影响了计算机的速度。为了克服总线瓶颈又产生了多总线结构，进一步为了设计简化，便于维护，有利于批量生产，又提出了各种总线标准。特别是为了解决众多部件争用总线，必须对总线进行判优控制和通信控制。

难点：为了解决总线上各模块争夺总线的使用权，解决通信双方如何获知传输开始和结束，以及通信双方如何协调配合，总线的通信控制是至关重要的。

（ 4 ）第四章存储器

重点：存储器如同人的大脑具有记忆功能一样，是计算机组成的一个重要部件，它直接影响到计算机存储信息的容量和计算机的运行速度。围绕着计算机速度的提高，容量的扩大，促使存储器从基本组成元件到整体结构都在不断的发展和完善。

当今计算机大多以半导体存储器作为主存储器，以硬盘或光盘作为辅助存储器。为了更好解决存储器的速度、容量和价格/位之间的矛盾，采用Cache-主存和主存-辅存的存储器结构，使存储器的总体性能得到很大的提高。学生必须掌握各类存储器的工作原理，以及各类存储器在存储器的存储层次结构中各自起的作用。

难点：要求学生运用以前学过的电路知识和本章所学的半导体存储芯片，设计存储器和CPU的连接电路。注意要合理选用芯片，以及CPU和存储器芯片之间的地址线、数据线和控制线的连接，特别是存储芯片片选逻辑的确定。