计算机组织与结构

开课班次:
开课时间: 2017-09-04 — 2018-01-21
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课程介绍

一、课程简介
“计算机组织与结构”又称为“计算机组成原理”,是计算机科学技术、软件工程专业的一门重要公共基础课,是一门理论性、技术性很强的主干课程。本课程的主要任务是全面介绍计算机内部各部件的组成结构与工作原理、各部件间联系,以及并行体系结构等前沿知识。通过本课程的学习,使学生掌握计算机硬件的基本特征和实现机制,为后续计算机、软件工程专业课的学习,以及未来从事计算机软硬件研究与开发,打下一个良好的基础。
二、课程组织形式
1、本课程采用慕课形式教学,教学环节以知识点为单位组织,知识点分为核心知识点和辅助知识点两类,核心知识点是授课内容的主体部分,辅助知识点为补充内容;
3、每节课安排大约3个核心知识点,以及1个辅助知识点。
三、课程实施形式
每节课的教学过程分为2个阶段:
1、线上学习阶段:按照教学进度安排,学生进行线上的核心知识点教学视频学习(总时长约为24学时,每学时45分钟),通过课件学习辅助知识点,以及阅读推荐资料、实验实践材料等,并完成习题。
2、翻转课堂学习阶段:按照教学进度安排,教师组织线下的翻转课堂学习,主要教学内容为组织知识点讨论,以及答疑,随堂测试等;
全部教学内容结束后,建议教师进行线下考试,以适应本校教务处要求。
四、课程资源
本课程所有授课资源按照“章-节-知识点”组织,基本单元为知识点。对应每个核心知识点,将提供知识点授课视频(约12-15分钟)、推荐阅读材料、实践实验材料、习题;对应每个辅助知识点,将提供ppt课件;同时还将提供翻转课堂实施建议(含讨论内容、测试内容等)。

课程大纲

按照慕课的教学方式与特点,设计本课程的44个核心知识点如下:

1. 课程概述:对计算机组织与结构课程的介绍、参考书目、学习方法介绍
----------第一章 绪论----------
2. 计算机系统的基本组成与工作过程:介绍计算机系统的组成部件、冯诺依曼体系、指令执行流程
3. 计算机系统性能指标:介绍计算机系统的机器字长、速度、容量等性能指标
----------第二章 系统总线----------
4. 总线的概念与分类:介绍总线的概念、总线结构举例,以及总线标准,介绍总线的分类,三总线结构
5. 总线的仲裁方式:介绍总线的3种基本仲裁方式
6. 总线的通信控制:介绍总线的通信控制的4种方式及特点
----------第三章 存储器----------
7.半导体存储器概述:介绍半导体存储器的基本结构、字节序问题、译码驱动问题
8. 静态随机存储器:介绍静态随机存储器的基本单元电路和工作原理
9. 动态随机存储器:介绍动态随机存储器的基本单元电路和工作原理、介绍动态随机存储器的3种刷新方式
10. 存储器的扩展方式:介绍存储器的位扩展、字扩展、字位同时扩展
11. 并行存储结构:介绍提高访存速度的措施,包括双口RAM、多模块存储器
12. Cache的工作原理:介绍Cache的工作原理、cache的命中率和效率、替换算法、一致性问题
13. Cache的映射方式:介绍Cache的3种映像方式及各自特点
14. 虚拟存储机制:介绍虚拟存储器的实现机制、快表
15. 循环冗余校验码:介绍循环冗余校验码的工作原理、生成方法、校验方法,提及奇偶校验和海明码
----------第四章 输入输出系统----------
16. 输入输出系统概述:介绍主机与外设的5种通信方式,输入输出系统的组成、编址方式、数据传送方式、联络方式,I/O接口的作用、分类与基本组成
17. 程序中断方式概述:介绍程序中断方式的基本原理、特点、流程,以及中断源的概念
18. 中断接口电路:介绍中断接口电路,包括中断标记位、中断屏蔽位、中断判优、中断向量形成等
19. 中断处理过程:介绍CPU响应中断的时间与条件、中断隐指令、完整的中断处理流程
20. 中断屏蔽技术:介绍多重中断和中断屏蔽技术
21. DMA工作方式:介绍DMA工作原理、与主存交换数据的3种方式、DMA接口的类型等
22. 典型外设:介绍硬磁盘的工作原理、激光打印机的工作原理
----------第五章 计算方法----------
23. 数的原码表示法:介绍有符号数和无符号数、整数和小数的原码表示法,及原码计算的特点
24. 数的补码表示法:介绍数的补码表示法、补码的获得方法
25. 数的移码表示法:介绍数的反码和移码表示法的定义及获得方法
26. 定点数与浮点数:介绍定点数和浮点数的表示方法、表示范围及特点
27. 定点数移位运算:介绍定点数移位运算,包括原码、反码和补码
28. 定点数加减法及溢出判断:介绍定点数加减法规则,及3种溢出判断方法
29. 定点数乘法:介绍手算乘法的特点,机器乘法的问题,及定点数原码一位乘法的流程
30. 定点数除法:通过恢复余数法定点数除法,以及计算实例
31. 浮点数运算:介绍浮点数加减法的5个步骤,以及计算实例
32. 加法器:介绍半加器、全加器、串行加法器、超前进位加法器的工作原理
----------第六章 指令系统----------
33. 指令的基本格式:介绍指令的基本格式,指令的地址格式
34. 操作类型:介绍操作数类型、操作类型
35. 寻址方式1:介绍计算机的指令寻址、立即数寻址、直接寻址、寄存器寻址、间接寻址、寄存器间接寻址、隐含寻址等
36. 寻址方式2:介绍计算机的基址寻址、变址寻址、堆栈寻址、相对寻址
----------第七章 CPU的结构与功能----------
37. 控制器概述:介绍CPU的结构与功能、寄存器的作用与分类,介绍多级时序系统的概念,以及指令周期的概念
38. 指令周期操作命令分析:以10条指令为例,分析指令周期的操作命令,以及操作顺序
39. 控制信号:介绍总线及非总线结构处理器中指令执行流程中的控制信号及作用
40. 流水线技术:介绍流水线技术的原理和相关计算问题
41. 流水线的相关问题:介绍流水线产生的3种相关问题及解决方法
----------第八章 控制器设计----------
42. 组合逻辑控制器设计流程:介绍组合逻辑控制器设计步骤
43. 微程序控制器工作原理:介绍微程序控制器的工作原理、控存的工作原理、
44. 微程序控制器设计方法:介绍微程序控制器的编码方式和下址字段设计方式

学习目标

本课程的学习目标为:要求学生了解所有核心知识点和辅助知识点的内容,重点掌握至少60%-80%核心知识点的原理、机制和方法,并能将所学知识点应用到日后的工作实际中。

学习要求

1、基本要求:按照教学大纲及考核标准,完成课程学习,基本达到学习目标。
2、中级要求:在达到基本要求的基础上,对课程核心知识点有深入理解,能提出有价值的问题,了解解决问题的一般流程,并能付诸实施。
3、高级要求:在达到中级要求的基础上,能对课程进行宏观全面的思考,能对课程内容建设提出建议,并能落实建议内容。

考核标准

本课程的考核方式分为3种类型:
1、线上作业考核:教师可通过客观题和主观题测试学生对知识点的掌握程度;
2、平时成绩:在翻转课堂讨论中,教师可根据实际情况评定平时成绩;
3、期末考试成绩:由于网络考试与各学校教务处的实际规定并不一定完全相符,因此建议期末考试仍旧采用传统方式。
各部分成绩比例由教师根据各学校教务处要求,以及自身课程情况自行决定。

教材教参

推荐教材:
《计算机组成原理》(第2版) 唐朔飞. 高等教育出版社. 2008
参考教材:
《计算机组成与设计 软硬件接口》(原书第四版)David A. Patterson & John L. Hennessy著,康继昌,樊晓桠,安建峰等译. 机械工业出版社. 2011
《计算机组织与体系结构》(第7版)William Stallings著,张昆藏等译. 清华大学出版社. 2006
《计算机组成结构化方法》(第5版) Andrew S. Tanenbaum著, 刘卫东,宋佳兴,徐恪译. 人民邮电出版社. 2006
《计算机组成与系统结构》 袁春风编著. 清华大学出版社. 2010
《计算机组成原理》(第3版)蒋本珊编著. 清华大学出版社. 2013
《计算机组成与结构》(第5版)王爱英主编. 清华大学出版社. 2013