【课程编码】JSZB0170
【适用专业】计算机科学与技术
【课时】理论课时：
72，实验课时：
20
【学分】4
【课程性质、目标和要求】
计算机组成原理是计算机科学与技术专业的专业必修课之一。
课程教案主要包括理论教案和实验教案两大部分。
其中，理论教案着重基本理论，基本概念的学习，采用从抽象到具体的分析方法，通过计算机系统概论、数据信息的表示与处理、控制信息的表示与处理、存储系统与I/O系统等主要模块，讨论系统程序员所能见到的计算机硬件特性和计算机硬件的具体实现，并面向主题逐层面地讲解计算机系统结构、组成原理及硬件与软件的界面<即指令系统）跟整个计算机系统功能之间的关系。
实验教案通过微机原理实验室开设的相关实验，注重培养学生独立分析和实验典型部件的工作过程，为后续课程的学习和系统开发工作打下扎实基础。
教案目标力求学生掌握运算器、控制器、存储器的构成原理、指令流程、组合逻辑控制、微程序控制、I/O控制等内容；了解数据信息的表示、运算方法与各类半导体存储器、辅助存储器；了解目前各种新兴的计算机、外部设备、并行处理和计算机网络等相关内容。
要求学生运用电子线路知识进一步掌握计算机硬件设计原理和实现技术；同时运用汇编语言程序设计知识进一步掌握指令系统和各种接口的应用。
【教案时间安排】
本课程计4学分，72+20学时,学时分配如下：
理论课教案课时分配
序号
课程内容/实验名称
实验类型
课时
备注
1
第1章计算机系统概论
2
2
第2章计算机的逻辑部件
8
3
第3章运算方法和运算部件
8
4
第4章主存储器
4
5
第5章指令系统
10
6
第6章中央处理部件CPU
12
7
第7章存储系统
4
8
第8章辅助存储器
6
9
第9章输入输出（I/O>设备
6
10
第10章输入输出（I/O>系统
6
11
第11章计算机系统
4
12
第12章计算机硬件设计和实现导论
2
合计
72学时
注:
（1）课时是建议课时，教师可根据学生实际情况适当调整；
（2）重点教案内容为1－10章，11、12章可根据情况调整；
实验课教案课时分配
序号
课程内容/实验名称
实验类型
课时
<学时）
备注
1
绪论
讲解
2
2
实验仪器的基本功能和操作方法
讲解、学习
2
3
汇编语言程序设计实验
综合
4
必做
4
运算器实验
验证
2
必做
5
观察数据流程及测试相关信号
验证
2
必做
6
存储器部件实验
验证
2
必做
7
用微指令来完成一条机器指令
验证
2
必做
8
微程序设计实验
验证
4
选作
9
串行口实验
综合
4
必做
10
整机故障模拟排查
综合
4
选作实验
11
80X86masm32程序初步
综合
4
选作实验
12
微型计算机系统组装
综合
8
选作实验
13
计算机网络与通信
综合
4
选作实验
14
硬件设计语言HDL初步
综合
20
选作实验
合计
20[必做部分]
注：
（1）实验学时不含实验准备时间，只给出实验上机时间，要求学生在实验前弄清当次实验的要求，预先做好实验设计工作。
（2）实验仪器采用计算机原理实验室的微机原理实验设备、仪器；
（3）实验资料，采用实验仪器附带的实验资料；
（4）选作实验根据学生实际情况由任课教师选择执行；
【教案内容要点】
1、总论：
<1）课程教案内容要求的层次划分为掌握、理解、了解三个层次，其中：
掌握:
要求学生能够全面、深入理解和熟练掌握所学内容，并能够用其分析、初步设计和解答与应用相关的问题，能够举一反三。
理解:
要求学生能够较好地理解所学内容，并且能够进行简单分析和判断。
了解:
要求学生能够一般地了解所学内容。
<2）教材内容分割：
第1章～第10章：
是基本部分，着重阐述构成一台计算机的基本原理，着重于基本原理的理解。
例如对于计算机的各个功能部件，应着重了解它们在整机中的作用以及由此而分配给各部件所要完成的任务，从而正确设计或选用硬件，而不致被众多的、风格各异的计算机结构及组成所迷惑。
根据摩尔定律，半导体芯片的集成度每隔18个月翻一番，由此可理解计算机技术的发展是必然的，这就可以说明为什么过去仅在大型机中才采用的流水线组织、并行处理、cache等技术可以移到微处理器芯片中去实现，甚至还可实现二级cache和三级cache；为什么计算机中主存DRAM的容量增加得这样快，而且又有多种DRAM类型出现。
第11章：
对当前出现的多种计算机诸如笔记本电脑、多媒体PC、个人数字助理（PDA>等进行了分析，强调其特点。
并行处理和计算机网络虽不是本书的重点，却是很重要的，了解一些概念是必要的。
第12章：
简单地讲述了计算机硬件设计的若干问题，目的是扩充知识面，作为计算机专业的学生，今后可能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。
以下分章节列出教案内容要点：
第1章计算机系统概论
一、学习目的要求
初步了解计算机语言，计算机硬件等概念，了解计算机系统的层次结构，电子计算机的发展简史，以及各种计算机的应用。
二、主要教案内容
第1章计算机系统概论
1.1计算机的语言
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
第2章计算机的逻辑部件
一、学习目的要求
掌握：
三种基本逻辑操作及布尔代数的基本公式,逻辑函数的化简,逻辑门的实现。
理解：
计算机中常用的组合逻辑电路<加法器、算术逻辑单元、译码器、数据选择器）、时序逻辑电路<触发器、寄存器和移位寄存器、计数器）
了解：
阵列逻辑电路<只读存储器ROM、可编程序逻辑阵列PLA、可编程序阵列逻辑PAL、通用阵列逻辑GAL、门阵列（GA>、宏单元阵列（MA>、标准单元阵列（SCA>、可编程序门阵列（PGA>
二、主要教案内容
第2章计算机的逻辑部件
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
2.2.1代数化简法
2.2.2卡诺图化简法
2.3逻辑门的实现
2.4计算机中常用的组合逻辑电路
2.4.1加法器
2.4.2算术逻辑单元
2.4.3译码器
2.4.4数据选择器
2.5时序逻辑电路
2.5.1触发器
2.5.2寄存器和移位寄存器
2.5.3计数器
2.6阵列逻辑电路
2.6.1只读存储器（ROM>
2.6.2可编程序逻辑阵列（PLA>
2.6.3可编程序阵列逻辑（PAL>
2.6.4通用阵列逻辑（GAL>
2.6.5门阵列（GA>、宏单元阵列（MA>、标准单元阵列（SCA>
2.6.6可编程序门阵列（PGA>
第3章运算方法和运算部件
一、学习目的要求
请参考主要教案内容后的括号注释部分
二、主要教案内容
第3章运算方法和运算部件
3.1数据的表示方法和转换<掌握）
3.1.1数值型数据的表示和转换
3.1.2十进制数的编码与运算
3.2带符号的二进制数据在计算机中的表示方法及加减法运算<理解）
3.2.1原码、补码、反码及其加减法运算
3.2.2加减法运算的溢出处理
3.2.3定点数和浮点数
3.3二进制乘法运算<理解）
3.3.1定点数一位乘法
3.3.2定点数二位乘法
3.3.3阵列乘法器
3.4二进制除法运算<理解）
3.4.1定点除法运算
3.4.2提高除法运算速度的方法举例
3.5浮点数的运算方法<了解）
3.5.1浮点数的加减法运算
3.5.2浮点数的乘除法运算
3.6运算部件<理解）
3.7数据校验码<理解）
3.7.1奇偶校验码
3.7.2海明校验码
3.7.3循环冗余校验（CRC>码
第4章主存储器<
一、学习目的要求
参考主要教案内容后的括号注释部分
二、主要教案内容
第4章主存储器
4.1主存储器处于全机中心地位
4.2主存储器分类
4.3主存储器的主要技术指标
4.4主存储器的基本操作
4.5读/写存储器（即随机存储器（RAM>>
4.6非易失性半导体存储器
4.7DRAM的研制与发展
4.8半导体存储器的组成与控制
4.9多体交叉存储器
4.9.1编址方式
4.9.2重叠与交叉存取控制
第5章指令系统
一、学习目的要求
请参考主要教案内容后的括号注释部分
二、主要教案内容
第5章指令系统<重点内容）
5.1指令系统的发展<了解）
5.2指令格式<掌握）
5.2.1指令格式
5.2.2指令操作码的扩展技术
5.2.3指令长度与字长的关系
5.3数据表示<掌握）
5.4寻址方式（编址方式><掌握）
5.5指令类型<理解）
5.5.1指令的分类及功能
5.5.2双字长运算（子程序举例>
5.6指令系统的兼容性<理解）
5.7精简指令系统计算机（RISC>和复杂指令系统计算机（CISC><理解）
5.7.1什么是复杂指令系统计算机
5.7.2RISC的产生与发展
5.7.3RISC的特点
5.8指令系统举例<了解）
5.8.1SPARC的指令系统
5.8.2Pentium微处理器指令系统
5.8.3IBM大型机指令系统
5.8.4PDP11与VAX11基本指令格式简介
5.8.5向量指令举例
5.9机器语言、汇编语言和高级语言<了解）
第6章中央处理器一、学习目的要求
请参考主要教案内容后的括号注释部分
二、主要教案内容
第6章中央处理部件CPU<重点内容）
6.1计算机的硬件系统<了解）
6.2控制器的组成<掌握）
6.2.1控制器的功能
6.2.2控制器的组成
6.2.3指令执行过程
6.3微程序控制计算机的基本工作原理（理解>
6.3.1微程序控制的基本概念
6.3.2实现微程序控制的基本原理
6.4微程序设计技术<理解）
6.4.1微指令的编译法（编码译码方法>
6.4.2微程序流的控制
6.4.3微指令格式
6.4.4微程序控制存储器和动态微程序设计
6.4.5微程序设计语言
6.5硬布线控制的计算机<理解）
6.5.1时序与节拍
6.5.2操作控制信号的产生
6.5.3控制器的组成
6.5.4硬布线控制逻辑设计中的若干问题
6.5.5硬布线控制与微程序控制的比较
6.6控制器的控制方式<理解）
6.7流水线工作原理<了解）
6.8CPU举例<了解）
6.8.1RISC的CPU
6.8.2RISC的编译系统
6.8.3Pentium微处理器
6.9计算机的加电及控制过程<掌握）
第7章存储系统
一、学习目的要求
请参考主要教案内容后的括号注释部分
二、主要教案内容
第7章存储系统
7.1存储系统的层次结构
7.2高速缓冲存储器（cache>
7.2.1cache存储器工作原理
7.2.2cache存储器组织
7.2.3cache存储器举例
7.2.4多层次cache存储器
7.3虚拟存储器
7.3.1虚拟存储器概述
7.3.2页式虚拟存储器
7.3.3段页式虚拟存储器
7.3.4虚拟存储器工作的全过程
7.3.5Pentium处理机的虚拟存储器
7.3.6存储管理部件（MMU>
7.4相联存储器
7.5存储保护
第8章辅助存储器
一、学习目的要求
请参考主要教案内容后的括号注释部分
二、主要教案内容
第8章辅助存储器
8.1辅助存储器的种类与技术指标<掌握）
8.2磁记录原理与记录方式<理解）
8.2.1磁记录原理
8.2.2磁记录介质与磁头
8.2.3磁记录方式
8.3硬磁盘存储器<理解）
8.3.1硬磁盘存储器的种类及基本结构
8.3.2硬磁盘驱动器（HDD>及硬磁盘控制器（HDC>
8.3.3磁盘cache
8.3.4磁盘阵列存储器
8.3.5硬磁盘驱动器的发展动向
8.4软磁盘存储器<了解）
8.4.1概述
8.4.2软磁盘片
8.4.3软磁盘的记录格式
8.4.4软磁盘驱动器和控制器
8.4.5软磁盘驱动器发展动向
8.5磁带存储器<了解）
8.5.1概述
8.5.2磁带机的结构
8.5.3磁带的记录格式
8.5.4循环冗余校验码（CRC>
8.5.5磁带机的发展动向
8.6光盘存储器<了解）
8.6.1光盘存储器种类
8.6.2光盘的读写原理
8.6.3光盘存储器的组成
8.7硬盘、软盘、磁带和光盘存储器的综合比较
第9章输入输出设备
一、学习目的要求
请参考主要教案内容后的括号注释部分
二、主要教案内容
第9章输入输出（I/O>设备
9.1外部设备概述（理解>
9.2输入设备<理解）
9.2.1键盘
9.2.2光笔、图形板和画笔（或游动标>输入
9.2.3鼠标器、跟踪球和操作杆输入
9.2.4触摸屏
9.2.5图像输入设备（摄像机和数字照相机>
9.2.6条形码及其技术
9.2.7光学字符识别（OCR>技术和语音文字输入系统
9.3输出设备——显示器<理解）
9.3.1显示设备种类
9.3.2显示技术中的有关术语
9.3.3字符显示器
9.3.4图形和图像显示
9.4输出设备——打印机<理解）
9.4.1点阵针式打印机
9.4.2激光打印机
9.4.3喷墨打印机
9.4.4热转印打字机
9.4.5打印机的发展趋势
9.5汉字处理技术<理解）
9.5.1汉字编码标准
9.5.2汉字的输入方法
9.5.3汉字的存储
9.5.4汉字的输出
第10章输入输出系统（I/O>
一、学习目的要求
请参考主要教案内容后的括号注释部分
二、主要教案内容
第10章输入输出（I/O>系统<难点）
10.1输入输出（I/O>系统概述<理解）
10.1.1输入输出设备的编址及设备控制器的基本功能
10.1.2I/O设备数据传送控制方式
10.2程序中断输入输出方式<理解）
10.2.1中断的作用、产生和响应
10.2.2中断处理
10.2.3程序中断设备接口的组成和工作原理
10.3DMA输入输出方式<掌握）
10.3.1DMA三种工作方式
10.3.2DMA控制器组成
10.3.3DMA的数据传送过程
10.3.4软盘接口逻辑电路举例
10.4通道控制方式和外围处理机方式<了解）
10.4.1I/O通道的种类
10.4.2通道型I/O处理机（IOP>和外围处理机
10.5总线结构<理解）
10.5.1总线类型
10.5.2总线组成
10.5.3微机总线
10.6外设接口<理解）
10.6.1IDE和EIDE接口
10.6.2SCSI接口
10.6.3其他外设接口
第11章计算机系统
一、学习目的要求
请参考主要教案内容后的括号注释部分
二、主要教案内容
第11章计算机系统
11.1计算机系统概述（理解>
11.1.1计算机系统的分类
11.1.2提高计算机系统运算速度的方法
11.1.3开放系统
11.1.4计算机系统的性能评测
11.2微机系统<理解）
11.2.1Intel微处理器及个人计算机
11.2.2PC的分类
11.2.3家用PC
11.2.4嵌入式计算机（工业PC和军用计算机>
11.2.5智能卡
11.2.6绿色计算机
11.3工作站和服务器<了解）
11.3.1工作站
11.3.2服务器
11.4多媒体计算机
11.4.1概述
11.4.2多媒体计算机系统的组成
11.4.3多媒体计算机系统的关键技术
11.4.4视频和音频信息的获取和回放
11.4.5多媒体计算机的用途与实例
11.5超级标量处理机、超级流水线处理机和超长指令字处理机
11.6向量处理机<了解）
11.7阵列处理机和多处理机系统
11.7.1SIMD并行处理机系统（阵列处理机系统>
11.7.2多处理机系统
11.7.3SGIOrigin多处理机体系结构
11.8计算机网络<了解）
11.8.1什么是计算机网络
11.8.2网络的组成
11.8.3网络协议
11.8.4Internet（因特网>
第12章计算机硬件设计和实现导论
一、学习目的要求
请参考主要教案内容后的括号注释部分
二、主要教案内容
第12章计算机硬件设计和实现导论<理解）
12.1计算机硬件的总体设计<理解）
12.1.1计算机硬件设计过程
12.1.2指令系统的模拟与仿真
12.1.3微程序设计自动化
12.1.4逆向工程的概念
12.2专用集成电路ASIC设计概述<理解）
12.2.1专用集成电路的设计过程
12.2.2硬件描述语言（VHDL>
【实验教案内容要点】
学院已经建立了计算机组成原理实验室，该课程的实验可分组进行，独立操作，学生实验报告遵照学院有关规定执行。
一、关于各实验的通用说明:
1.先修课程要求：
学生已经先期开设汇编语言课程，有基本的汇编语言编程经历；熟悉80X86的主要指令；熟悉计算机的基本应用；
2.实验仪器设备：
使用计算机组成原理实验室提供的成套设备；
3.实验资料：
以计算机组成原理实验室提供的整套设备附带的实验资料为主，在实验教师、实验人员的指导下使用有关仪器设备；
4.实验步骤请参考具体计算机组成原理实验箱所附资料；
5.实验分组：
一般每组不超过4人；
6.实验学时并不含实验准备时间，只给出实验上机时间，要求学生在实验前弄清当次实验的要求，并预先做好实验设计工作。
二、实验明细表
实验工程
属性
主要内容
课时
绪论
讲解
<1）计算机硬件设计和实现概论
<2）专用集成电路ASIC设计概述
<3）编程器简介<4）实验相关事项的要求；
<5）有关说明等
2
实验仪器的基本功能和操作方法
讲解
示范
由实验指导人员讲解、演示：
（1）计算机组成原理实验箱的组成，结构；
（2）计算机组成原理实验箱的使用方法，注意事项，安全事项；
（3）实验指导人员实际示范、演示相关仪器设备的使用过程。
（4）完整演示一次具体的实验操作；
2
汇编语言程序设计实验
必做
（1）IO程序编制与调试
（2）CV调试与debug调试
（3）PROC、Macro与MACRO库的建立与使用
（4）汇编语言指令加密技术等<花指令技术，即在代码段内随机掺入部分数据，防止被跟踪）
4
运算器实验
必做
（1）掌握基本的运算器控制方法
（2）掌握微指令概念
（3）理解运算器完成各种运算的控制流程的设计思想
（4）理解微指令与指令的关系
（*本实验请参考实验箱资料>
2
观察数据流程及测试相关信号
必做
（1）通过观察具体的数据流程
（2）掌握测试仪器的使用
（3）测试信号并记录
（*本实验请参考实验箱资料>
2
存储器部件实验
必做
（1）了解存储器的工作原理
（2）了解存储器的扩展技术
（*本实验请参考实验箱资料>
2
用微指令来完成一条机器指令
必做
（1）使用微指令逐步骤完成一条指令
（2）理解指令与微指令的关系
<3）理解微指令的编码
<4）理解指令的编码
<5）观察、并记录实验过程
（*本实验请参考实验箱资料>
2
串行口实验
必做
（1）理解串口的工作原理
（2）使用汇编语言编制串口通信程序
（3）使用高级语言编制串口通信程序
（4）了解串口通信电缆规范
（5）制作串口通信电缆
（6）在两台计算机之间检验程序
4
80X86masm32程序初步
选作
实验
使用MASM32进行windows环境下的程序设计
4
组合逻辑控制器的设计实验
选作实验
（1）了解组合逻辑控制器的设计过程
（2）设计、实现一个逻辑器件
12
微型计算机系统组装
选作实验
（1）收集组建资料
（2）了解组装计算机的过程
（3）自己组装PC
（4）安装操作系统
（5）安装应用软件
（6）网络接入等
8
计算机网络与通信
选作实验
（1）使用交换机构造基本的局域网；
（2）完成资源共享；
（3）组建基本的WEB系统
（4）WINDOWSXP基本的防火墙使用
4
硬件设计语言HDL初步
选作实验
（1>下载HDL设计软件；
<2）了解先关硬件；
<3）了解使用HDL的过程；
<4）基本的编成、模拟；
<5）了解使用已有部件，构造专用部件的过程以及方法
<6）了解计算机部件设计技术的最新动态
<注释：
本实验作为一个建设中的实验工程，供有关教师和学生参考，也可用作课程设计）
20
【成绩考核方式】
1、成绩评定总则
全面考核学生在课程学习各个环节的理解、掌握和参与情况
2、平时成绩、实验成绩评定
平时成绩：
<10%）
根据学生日常教案中的出勤、作业、课堂讨论等环节的表现情况，由开课教师给出其平时成绩。
平时成绩＝考勤成绩＋作业成绩
实验成绩：
根据学校、学院关于实验成绩的评定办法产生。
3、期末考核评定
采用以下公式之一计算：
课程成绩＝平时成绩（10%>+实验成绩（20%>+中期成绩（28%>+期末成绩（42%>
课程成绩＝平时成绩（20%>+实验成绩（32%>+期末成绩（48%>
【教材与参考书目】
指定教材：
王爱英《计算机组成与结构》第3版，清华大学出版社，2001年2月
参考书目：
1、李学干，苏东庄《计算机系统结构》第二版，西安电子科技大学出版社，1998年12月第15次印刷
2、白中英《计算机组成原理》第三版，科学出版社，2000年11月
3、郑伟民、汤志忠主编。
《计算机系统结构》。
北京清华大学大学出版社。
2001年
4、参考网络资源：
建议浏览与本课程相关的网站
编制：
李军利
审核：
王文发
2006-11-20
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