《计算机组成与结构》教学大纲.docx
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《计算机组成与结构》教学大纲
《计算机组成与结构》教学大纲
课程编号：
课程名称：
计算机组成与结构
课程基本情况：
1．学分：
4学时：
68（课内学时60，课内实验：
8）
2．课程性质：
专业基础课
3．适合专业：
计算机科学与技术、适用对象：
本科
信息管理与信息系统
4．先修课程：
计算机导论、数字逻辑电路、汇编语言
5．首选教材：
顾浩、赵宝华《计算机组成原理》高等教育出版社2006.7
顾浩、姜永辉《计算机组成原理题解与实验指导》高等教育出版社2006.7
备选教材：
蒋本珊.《计算机组成原理》.清华大学出版社，2004年
6．考核形式：
闭卷考试
7．教学环境：
多媒体教室及实验室
一、教学目的与要求
《计算机组成与结构》是计算机科学与技术专业的主干课程之一，具有专业基础课和专业的双重作用。
其地位是起着承上起下的作用，其前期课程为《计算机导论》、《数字逻辑电路》和《汇编语言》。
通过本课程的学习，使学生能掌握计算机系统的基本概念和基本工作原理，了解各主要部件的硬件结构、相互联系和作用，从而对整个计算机系统从硬件角度有一个完整的了解，为学习后继课程及今后对计算机的应用和开发打下良好的基础。
本课程以计算机系统结构为主线，以计算机原理为重点.，通过本课程的教学使学生掌握计算机系统的组织和结构、计算机的基本工作原理、计算机各部分的组成、原理、新技术和新方法，进一步培养学生的逻辑思维和推理能力，启迪学生的创新意识，锻炼学生的动手能力，促使学生全面素质的提高。
二、教学内容及学时分配
课程内容及学时分配表
章节
教学内容
学时
课内讲授
课内实验
第一章
计算机系统概论
4
4
第二章
数字电路基础和计算机中的逻辑部件
4（6）
4
2（信息）
第三章
信息表示与运算基础
6
6
第四章
存储系统
14
12
2
第五章
中央处理器
16
12
4
第六章
外部设备
6
6
第七章
输入输出系统
8
8
第八章
总线系统
4（6）
4
2（计算机）
第九章
计算机系统结构的发展（自学）
0
0
期中考查
2
2
复习,答疑
2
2
合计
68
60
8
实验一
数字电路实验（仅对信息专业）
2
2
实验二
存储器读写操作
2
2
实验三
汇编语言程序设计和上机过程
2
2
实验四
8位算术逻辑运算
2
2
实验五
总线系统（仅对计算机专业）
2
硬件实训
详见实验教学大纲
12
不计其内
三、教学内容安排
第一章计算机系统概论
【教学目的】
本章是对计算机系统的基本概貌的叙述。
通过本章的学习，要了解整个计算机系统由硬件和软件两大部分组成，其中硬件包括运算器、控制器、存储器、输入与输出设备等五大功能部件，通过“总线”相互连成一个完整的硬件系统，要重点掌握每一功能部件的基本功能；软件部分包括系统软件、应用软件和程序设计语言，要了解计算机系统的层次结构，及软件在计算机中的作用；要领会冯.诺依曼提出的存储程序的概念；要了解计算机的发展简史及计算机应用的几大领域。
【教学重点】
1.计算机系统简介
2．图灵机
3．计算机的基本组成
4．计算机系统的性能指标
【教学难点】图灵机、计算机组成与结构的关系、兼容性
【教学方法】课堂讲授
【教学内容】
第一节计算机系统简介
一、计算机系统简介（带*为教学难点）
（一）计算机的硬件和软件的概念：
计算机的功能是通过软件和硬件共同发挥的，硬件好比计算机的“驱体”，而软件犹如计算机的“灵魂”，两者相辅相成、互相渗透，在功能上并无严格的分界线。
（二）计算机系统的层次结构：
用层次结构的观点去看待和分析计算机。
（三）计算机体系结构与计算机组成*
计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。
第二节图灵机（简单介绍）
一、图灵机简介
图灵的研究结果：
可计算性＝图灵可计算性。
二、图灵机的基本模型*
第三节计算机的基本组成
一、冯．诺依曼计算机的特点：
着重讲解“存储程序“的概念。
二、计算机的主要部件：
对五大部件作总体概貌性的介绍。
（一）输入设备：
输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中，并将它们转换成计算机内部能识别和接受的信息形式。
（二）输出设备：
输出设备的功能可将机器运算结果以人或其它设备能接受的形式送出计算机。
（三）存储器：
存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。
（四）运算器：
用来完成对信息的算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。
（五）控制器：
控制器是整个计算机的指挥中心，用来存放数据和程序，其功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制计算机的各部件，实现有条不紊的自动工作。
三、计算机的总线结构：
着重讲解总线的重要地位及总线的两大特点。
四、计算机的工作过程*
使学生对计算机的工作原理和过程有初步了解。
（一）程序：
程序是为求解某个特定问题而设计的指令序列。
（二）指令：
程序是由指令组成的。
指令是机器所能识别的一组编制成特定格式的代码串，它要求机器在一个规定的时间段（指令周期）内，完成一组特定的操作。
（三）指令的执行：
指令规定的内容是通过控制器执行的，或者说控制器是按照一条指令的内容指挥操作的。
（四）计算机的解题过程：
在机器一级的程序设计，就是按照解题要求在机器指令系统中选择并有序组合解题需要的指令序列的过程。
第四节计算机的主要性能指标
要讲清各性能指标间的关系。
一、主频：
主频即时钟频率，是指计算机的CPU在单位时间内发出的脉冲数目。
它在很大程度上决定了计算机的运行速度。
二、机器字长：
机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，它是由加法器、寄存器的位数决定的，所以机器字长一般等于内部寄存器的位数。
字长标志着精度，字长越长，计算的精度越高，指令的直接寻址能力也越强。
三、主存容量：
主存容量是指一个主存储器所能存储的全部信息量。
四、运算速度：
运算速度是一项综合性指标，它与许多因素有关，如机器的主频、执行何种操作及主存本身的速度等。
对运算速度的衡量有不同的方法。
五、兼容性*：
兼容性是指一台设备、一个程序或一个适配器在功能上能容纳或替代以前版本或型号的能力，
【复习思考题】
1．兼容性是计算机的一个重要性能，请解释一下何为向上兼容？
2．按照冯．诺依曼原理，现代计算机应具备哪些功能？
3．如何理解软、硬件之间的等价性？
4．主教材中第一章的习题
5．本教材配套的《计算机组成原理题解与实验指导》中第一章的补充习题
第二章数字电路基础和计算机中的逻辑部件
【教学目的】
本章主要介绍数字电路和逻辑设计的基础知识，是下一步学习计算机组成原理的先修内容。
本章在简要介绍半导体和二极管的入门性知识、双极型和MOS型三极管的伏安特性之后，对三种基本逻辑门电路进行原理性的叙述，并用真值表和逻辑表达式对其逻辑功能进行描述。
本章的逻辑部件部分，主要介绍最常用的中小规模逻辑电路，力求做到线路的逻辑设计和计算机组成原理的知识能有机地结合。
本章的最后部分简单介绍了现场可编程器件的工作原理及其应用。
【教学重点】
1．数字电路基础
2．布尔代数和基本逻辑门电路
3．组合逻辑电路
4．时序逻辑电路
【教学难点】数字电路的分析、布尔代数的运用
【教学方法】课堂讲授
【教学内容】
第一节数字电路基础
一、数字电路基础（对计算机专业学生只作简单介绍）
（一）半导体材料和晶体二极管简介
（二）双极型三极管的结构及其伏安特性
（三）MOS管的结构及其伏安特性
第二节布尔代数和基本逻辑门电路
一、布尔代数基础知识
（一）布尔代数的基本运算定律
（二）逻辑函数化简举例
（三）真值表与布尔代数式的关系
二、基本逻辑运算和基本逻辑门电路
（一）“与”运算和“与门”
（二）“或”运算和“或门”
（三）“非”运算和“非”门
（四）正逻辑与负逻辑
第三节组合逻辑电路
一、基本逻辑门
（一）“缓冲门”
（二）“与-非门”
（三）“或-非门”
（四）“异或门”
（五）“同或门”
（六）“三态门”：
重点介绍
二、数据选择器
三、译码器
第四节时序逻辑电路
一、基本R-S触发器
二、D触发器和J-K触发器
（一）D触发器：
重点
（二）J-K触发器
（三）边沿触发器的特点
三、寄存器
（一）移位寄存器：
左移寄存器和左移寄存器
（二）计数器：
行波计数器、同步计数器和环形计数器
第五节现场可编程器件
一、概述
（一）可编程序逻辑器件的基本结构
（二）可编程序逻辑器件的分类
二、可编程只读存储器PROM（ProgrammableROM）
（一）PROM的基本结构
（二）采用PROM的组合逻辑设计
三、可编程逻辑阵列
（一）PLA的基本结构
（二）采用PLA实现组合逻辑设计
四、可编程阵列逻辑PAL和通用阵列逻辑GAL
（一）可编程阵列逻辑PAL
（二）通用阵列逻辑GAL
【复习思考题】
1．主教材中第一章的习题
2．本教材配套的《计算机组成原理题解与实验指导》中第一章的补充习题
第三章数字电路基础和计算机中的逻辑部件
【教学目的】
本章是数字计算机设计与应用的基本理论之一，要求能熟练掌握并运用自如。
通过本章的学习，要掌握计算机内最常用的信息编码方案，包括中西文字符编码、逻辑型数据的表示、数值型数据的表示与编码、不同进制数据间的转换、二进制数据算术与逻辑运算规则；要搞清定点数、浮点数的概念，能写出定点数、浮点数的表示范围；搞清真值、原码、补码、反码和移码的概念，能准确、熟练地表示和转换；要掌握十进制有权码中最常用的BCD码的编码与用法；了解几种常用的数据校验码（奇偶校验码、循环冗余码）的生成和校验方法。
【教学重点】
1．常用的进位计数制及其相互转换
2．数值数据的表示和运算
3．非数值数据编码
4．十进制数的编码
5．数据校验码
6．其他信息的表示
【教学难点】数值数据的表示和运算、数据校验码
【教学方法】课堂讲授
【教学内容】
第一节常用的进位计数制及其相互转换
一、常用的进位计数制
（一）数制的概念
（二）数制转换
R进制数转换成十进制数，十进制数转换成R进制数，二进制数转换为十六进制数，十六进制转换成二进制数
（三）二进制算术
二、数值数据的表示和运算
（一）机器数：
机器数与真值的概念、无符号数和符号数、原码表示法、反码、补码、原码、补码、反码的比较与转换和移码
（二）机器数的定点与浮点表示法：
定点数表示法、浮点数表示法
三、非数值数据编码
（一）ASCII字符编码
（二）汉字编码
四、十进制数的编码
五、数据校验码
（一）奇偶校验码
（二）海明校验码
（三）循环冗余校验码
六、其他信息的表示
（一）语音的计算机表示方法
（二）位图图像的计算机表示方法
（三）图形的计算机表示
【复习思考题】
1.习题集第三章判断题1-5
2.习题集第三章综合题1-5
第四章存储系统
【教学目的】
本章教学的要求是使学生掌握分级存储体系的形成，包括存储系统的性能要求、分层结构、虚拟存储器和Cache-主存结构；主存储器组成，包括理解存储器（RAM和ROM）存取信息的原理、组成与工作过程；熟练掌握用不同容量的存储器芯片组成满足一定要求的存储器的方法；了解并行存储结构和并行处理机中的存储组织及相联存储器的概念；了解辅助存储器的主要技术指标、磁表面存储器（含磁盘、磁带和光盘）及磁盘阵列RAID技术。
本章知识点中，重点是：
掌握各种类型存储器的性能、特点、组成及工作过程；了解CPU与Cache、主存、辅存之间的关系及交换信息的过程。
本章教学可通过实物讲解，可使学生更易理解。
【教学重点】
1．分级存储体系
2．主存储器
3．辅助存储器
【教学难点】虚拟存储器、地址映象、主存元件的工作原理、磁记录方式
【教学方法】课堂讲授、上机
【教学内容】
第一节分级存储体系
一、对存储系统的性能要求
（一）存储容量
（二）存取速度
（三）可靠性
（四）功耗
（五）性能价格比
二、存储系统的分层结构
（一）计算机应用对存储器要求的矛盾
（二）存储器访问的局部性原理
（三）存储层次的性能参数
三、虚拟存储器
（一）虚拟存储器的基本概念
（二）虚拟存储器的特点
（三）页式虚拟存储器
（四）段式虚拟存储器
（五）段页式虚拟存储器
四、Cache—主存结构
（一）Cache的特点
（二）Cache的读写过程
（三）Cache的基本结构与工作原理
（四）地址映像
第二节主存储器
一、概述
二、主存记忆元件
（一）RAM记忆元件：
SRAM六管记忆单元电路、DRAM记忆元件、MRAM记忆元件
（二）ROM记忆元件：
ROM、PROM、EPROM、E2PROM、闪存
三、主存储器的组成
（一）存储体：
常用的扩展方式有位扩展法、字扩展法、字、位同时扩展法。
（二）地址编码与译码：
地址译码方式有单译码和双译码两种。
（三）读/写操作与时序
四、内存条
（一）内存条的接口模式：
有SIMM、DIMM、SODIMM和RIMM等
（二）内存工作模式：
有同步RAM、双倍数据传输率的同步RAM、DDRⅡRAM、RDRAM等
五、并行存储结构
（一）单体多字寻址方式
（二）多体存储器的寻址方式
（三）多体交叉寻址方式
（四）多体并行存储器两种访问方式
六、相联存储器（AssociativeMemory）
（一）相联存储器的基本组成和工作原理
（二）相联存储器的应用
第三节辅助存储器
一、辅助存储器的主要技术指标
（一）存储密度
（二）存储容量
（三）寻址时间
（四）数据传输率
（五）误码率
（六）价格
（七）举例
二、磁表面存储原理
（一）磁表面存储原理
（二）磁记录方式：
有归零制、不归零制、不归零—1制、调相制、调频制和成组编码记录方式等
三、磁盘存储器
（一）硬盘存储器
（二）软盘存储器
（三）磁带存储器
（四）光盘存储器
（五）闪速存储器
（六）磁盘阵列RAID
【复习思考题】
1.主教材习题第四章填空题1-10
2.主教材习题第四章选择题1-10
3.主教材习题第四章计算题1-8
第五章中央处理器
【教学目的】
通过本章的教学，要求学生掌握计算机控制器的功能、基本组成、两种实现方法（组合逻辑和微程序）及工作原理，并要求了解目前控制器中采用的新技术：
流水线技术、RISC技术，以及处理器并行技术的新进展。
本章的重点内容还包括指令与指令系统，并以INTEL的8086处理器为例，介绍其指令系统（含指令格式和寻址方式），要求学生掌握汇编语言和汇编语言程序设计的方法。
【教学重点】
1．指令系统
2．指令的时序
3．控制器设计
【教学难点】指令系统、汇编程序的设计、控制器的两种设计方法
【教学方法】课堂讲授、上机
【教学内容】
第一节指令系统
一、机器语言与汇编语言
（一）指令系统与机器语言
（二）符号语言与汇编语言
二、指令与数据的寻址方式
（一）指令的格式：
一条有效指令应该包括以下信息：
操作码、地址码、操作结果的存放地址和下一条要执行的指令地址。
（二）指令的语义和指令的种类：
按操作功能可以分为数据处理类指令，数据传送类指令，程序控制类指令和状态管理类指令。
（三）寻址方式：
寻址方式就是寻找操作数地址的方式。
三、INTEL8086典型指令简介
（一）传送类指令
（二）数据操作类
（三）字符串处理类
（四）程序控制类
（五）处理器控制类
四、CISC和RISC的比较
（一）RISC的基本思想
（二）RISC的发展趋势
第二节指令的时序
一、指令时序的控制方式
（一）同步控制方式
（二）异步控制方式
（三）联合控制方式
二、同步控制的时序
三、指令的微操作分析
（一）非访内指令
（二）直接访内指令
（三）间接访内指令
（四）程序控制指令
四、指令周期的确定：
以同步控制方式为例，可选择如下的三种方法来确定指令周期。
（一）集中控制方式
（二）分散的节拍控制
（三）中央控制与局部控制结合
五、指令时序的形成
第三节控制器设计
一、控制器的基本组成
（一）CPU寄存器组：
有数据缓冲寄存器、指令指针IP、指令寄存器、地址寄存器、累加寄存器、状态标志寄存器等。
（二）操作控制部件：
功能是根据指令操作码和时序信号产生各种操作控制信号，以便正确地建立信息通路，完成对取指令和执行指令过程的控制。
（三）时序部件：
有脉冲源、启停控制逻辑、节拍信号发生器等。
二、组合逻辑电路控制器
（一）组合逻辑实现控制器的基本方法
（二）组合逻辑控制器举例
（三）组合逻辑网络的控制原理
三、微程序控制器
（一）微程序控制的概念
（二）微程序控制器的组成
（三）微程序控制器设计举例
【复习思考题】
1.主教材习题第五章填空题1-10
2.主教材习题第五章选择题1-10
3.主教材习题第五章计算题1-8
第六章外部设备
【教学目的】
外部设备是整个计算机系统中最具有多样性和复杂性的部分，通过本章的教学，使学生了解常用的输入设备、输出设备（含显示输出设备和打印输出设备）和其他输入输出设备的工作原理以及新技术——虚拟现实（VirtualReality，VR）和新器件——平板显示器。
【教学重点】
1．外部设备的地位与作用
2．输入设备的基本组成与工作原理
3．显示输出设备的基本组成与工作原理
4．打印输出设备基本组成与工作原理
5．其他输入输出设备
【教学难点】外部设备的基本组成、工作原理
【教学建议】
本章的难点是各种输入/输出设备的基本组成与工作原理，在工作原理的讲解深度上要恰到好处，并避免与后续课程重复。
本章教学也应结合实物讲解。
【教学方法】课堂讲授
【教学内容】
第一节外部设备概述
一、外部设备的分类
（一）人-机交互设备
（二）计算机信息的驻在设备
（三）机-机通信设备
二、外部设备的地位和作用
（一）外部设备的地位：
外部设备是计算机和外部世界联系的纽带、接口和界面。
没有外部设备，计算机将无法工作。
随着大规模集成电路技术的发展，主机的价格越来越低，而外部设备的价格在整个计算机系统中所占的比例越来越高，外部设备在计算机系统中的地位日显重要。
（二）外部设备的作用：
外部设备是人机对话的通道、是完成数据媒体变换的设备、是计算机系统软件和信息的驻在地，是计算机在各领域应用的桥梁。
第二节输入设备
一、键盘：
是目前应用最普遍的输入设备
二、鼠标器
（一）机械式鼠标器
（二）光机式鼠标器
（三）光电式鼠标器
（四）光学鼠标器
三、扫描仪
（一）概述
（二）扫描仪的组成及工作原理
第三节显示输出设备
一、显示器概述
二、CRT（CathodeRayTube,阴极射线管）显示器
（一）CRT显示器的主要技术指标：
有点距和分辨率、行频和场频、视频带宽、屏幕尺寸和辐射和环保等。
（二）CRT显示原理：
CRT的扫描方式有随机扫描和光栅扫描两种。
三、字符显示器
（一）字符显示原理：
通常采用光栅扫描法并以点阵为基础。
（二）字符显示器的构成：
由接口电路、视频VRAM、字符发生器、移位寄存器、扫描电路、控制逻辑电路用阴极射线管CRT等部件组成。
四、图形显示器
五、图像显示器：
讲清两者的区别。
六、视频显示标准：
常用的是后三种。
（一）MDA（MonochromeDisplayAdapter）：
单色字符显示标准
（二）CGA（ColorGraphicAdapter）：
彩色图形适配器标准
（三）EGA（EnhancedGraphicAdapter）：
增强型彩色图形适配器标准
（四）VGA（VideoGraphicArray）：
视频图形阵列
（五）SVGA（SuperVideoGraphicArray）：
超级视频图形阵列
（六）XGA（ExtendedGraphicArray）：
增强图形阵列标准
七、新型平板显示器
（一）液晶显示器（1iquidCrystalDisplay，LCD）
（二）等离子显示器（Plasma）
第四节打印输出设备
一、概述
（一）打印机分类
（二）工作模式：
文本和图形模式。
二、针式打印机
（一）打印头：
打印头是打印机的关键部件，它由打印针、磁铁、衔铁等组成。
（二）控制电路：
包括接口电路、字符缓冲区、字符库和时序控制电路四大部分
三、喷墨打印机
（一）连续式喷墨技术
（二）随机式喷墨技术
（三）气泡式喷墨技术
四、激光打印机：
由激光扫描系统、电子照相系统、字符发生器和接口控制器等几部分组成。
第五节其他外部设备
一、终端设备
二、A/D、D/A转换器
三、语音处理设备
（一）语音的输入与识别
（二）语音识别系统的组成
（三）语音的合成与输出
（五）SVGA（SuperVideoGraphicArray）：
超级视频图形阵列
四、虚拟现实（VirtualReality，VR）技术
（一）虚拟现实技术的原理和特征
（二）虚拟现实系统的组成
五、调制解调器
（一）概述
（二）调制解调器的技术性能与通信标准
【复习思考题】
1.主教材习题第六章填空题1-18
2.主教材习题第六章选择题1-11
3.主教材习题第六章计算题1-4
第七章输入输出系统
【教学目的】
本章是本课程的重点之一。
通过本章的教学，使学生熟练掌握主机与外部设备进行信息交换的方式及操作过程，深刻理解“中断”的基本概念，理解“中断”在提高计算机性能中所起的作用，知道计算机产生一次中断的全过程，理解DMA控制器的组成与工作原理，了解“通道”基本概念及相应的几种工作方式。
【教学重点】
1.输入输出数据传送控制方式
2．程序查询方式
3．程序中断方式
4．DMA控制方式
5．通道控制方式
6．I/O接口
【教学难点】程序中断方式、DMA控制方式和通道控制方式的工作原理。
【教学方法】课堂讲授
【教学内容】
第一节输入输出数据传送控制方式
一、I/O设备寄存器单独编址
二、I/O设备寄存器与主存储器单元统一编址
第二节程序查询方式
一、主要部件
（一）设备选择电路
（二）数据缓冲寄存器
（三）设备状态位（标志）
二、控制流程（以输入为例）
（一）CPU向地址总线上送出地址，选中设备控制器。
（二）CPU看“忙”触发器是否为“0”，若为“0”，则发出命令字，请求启动外设进行数据输入，置“忙”触发器为“1”，置“就绪”触发器为“0”，然后不断检测“就绪”触发器何时变为“1”。
（三）接口接到CPU的命令字后，立即启动外设工作，开始输入数据。
（四）外设启动后将输入数据送入数据缓冲寄存器。
（五）CPU从数据缓冲寄存器中读入输入数据，并将控制器状态标志复位。
三、程序查询方式的优缺点
（一）优点：
控制模式简单、控制接口硬设备较少。
（二）缺点：
CPU与外部设备只能串行工作。
（三）结论：
这种输入输出控制方式多用于CPU速度不高、外部设备种类不多的情况。
第三节程序中断方式
一、中断的基本概念：
计算机在执行程序时，当出现异常情况或特殊请求时
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