计算机组成与体系结构

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课程介绍

你知道计算机内部都有什么东西吗?你知道计算机是怎么工作的吗?你知道怎样设计才能让计算机工作起来更快吗?快来学习《计算机组成与体系结构》吧,在这门课程中你都能找到刚才所有问题的答案。顾名思义,课程的主要内容可以分为两大部分,重点讲解计算机系统的完整组成和提高性能的可行途径。第一部分是计算机组成方面的内容,包括计算机系统概论、计算机中数的表示方法、指令系统、中央处理器、微程序控制器、运算方法与运算器、存储器、总线、输入/输出系统。第二部分是体系计算机组成与体系结构方面的内容,包括流水线技术、存储层次等。这门课程虽然是一门硬件课程,但是它是操作系统等软件课程的基础。

课程大纲

1. 计算机的基本结构   2学时
(1)了解计算机的分类,理解存储程序的概念。
(2)理解计算机的五大功能部件:运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。
(3)理解计算机的基本操作概念。
(4)了解以逻辑器件划分的计算机的发展历程:真空管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模超大规模集成电路计算机。
2. 算术运算   12学时
(1)熟练掌握有符号数的原码、补码、反码表示形式及表示范围。
(2)熟练掌握有符号数的加减运算方法,熟练掌握一位全加器中和与进位输出的逻辑表达式,掌握n位行波进位加法器的原理,掌握n位加减法器的原理。
(3)熟练掌握超前进位加法原理。
(4)熟练掌握正数乘法算法,掌握有符号操作数乘法:布斯乘法。
(5)熟练掌握整数除法:恢复余数除法和不恢复余数除法可选择其一。
(6)理解浮点数的IEEE标准,熟练掌握浮点数的加、减、乘、除运算方法,熟练掌握以添加保护位来提高运算精度的方法和以截取方式来获得规格化浮点数的方法。
3. 存储器系统   14学时
(1)理解存储器的基本概念:存储容量、存储器地址、存储器的读写方式、存储器访问时间、存储器的分类。
(2)了解静态存储器的存储原理,理解静态存储器芯片的内部组织结构,了解动态存储器的存储原理,理解动态存储器芯片的内部组织结构;熟练掌握用小容量存储器芯片构成大容量存储器的方法。
(3)理解存储器系统的层次结构。
(4)理解Cache的基本原理,熟练掌握直接映射、全相联映射、组相联映射方式,掌握Cache映射技术的例子,理解Cache命中率的概念,熟练掌握Cache命中率的计算方法,掌握LRU替换算法,掌握写直达策略和写回策略。
(5)理解虚拟存储器的原理,理解页式虚拟存储器的原理,掌握页式虚拟存储器的地址转换过程,了解TLB的原理。
(6)了解辅助存储器的分类,了解硬磁盘的结构和读写原理,理解磁道和扇区的概念,掌握计算磁盘容量的方法,理解磁盘的访问时间概念。
4.指令集体系结构   4学时
(1)理解操作码的作用,理解操作码长度的概念,掌握地址码格式:零地址、一地址、二地址、三地址,理解指令长度的概念,掌握扩展操作码的方法。
(2)理解指令中操作数的寻址方式: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、变址寻址、相对寻址、自增寻址、自减寻址等,了解寻址方式实例。
(3)理解RISC和CISC指令集的区别。
5. 基本处理部件   8学时
(1)了解CPU中主要的寄存器,理解执行寄存器传送、算术或逻辑操作、读存储器和写存储器这四种基本操作所需要的微操作。
(2)理解一条完整指令的执行过程以及执行指令的硬件组件。
(3)理解硬布线控制器的原理,掌握硬布线控制器的组成框图,了解如何产生控制信号。
(4)理解微指令、微程序的概念,理解微指令与机器指令的关系,理解微程序控制器的原理,掌握微程序控制器控制部件的基本构成。
6. 流水线   4学时
(1)了解流水线的基本概念、原理和结构。
(2)掌握流水线上可能出现的冲突问题:数据依赖、存储器延迟、转移延迟、资源限制以及各自的解决方法。
7. 基本输入/输出   4学时
(1)了解I/O接口的功能和原理,掌握I/O设备的两种编址方式。
(2)了解程序控制I/O方式的原理。
(3)理解中断的概念,了解中断请求、中断响应、中断服务程序,理解中断的处理过程,了解开关中断方法,掌握多中断源情况下识别中断源的方法,掌握多级中断,了解多中断源同时发出中断请求时的中断响应。
(4)掌握DMA的原理,掌握DMA的三种传送方式。
(5)了解总线结构及互连标准。

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自学知识点的内容,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(25%):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(25%):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(50%):由于网络考试与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。

教材教参

推荐教材:
《Computer Organization and Embeded System》(英文版第6版) Carl Hamacher, 机械工业出版社,2012
参考教材:
《Structured Computer Organization》(Sixth Edition)Andrew S. Tanenbaum,Prentice Hall,2012
Computer Organization and Design-The Hardware/Software Interface(Fifth Edition,Asian Edition),David A. Patterson, John L. Hennessy,机械工业出版社,2014
《计算机组成与结构》(第5版)王爱英主编. 清华大学出版社. 2013
《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
《计算机组成原理》(第2版)唐朔飞. 高等教育出版社. 2008