計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)大綱-Piazza

1、計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)大綱課程代碼：課程負(fù)責(zé)人：課程中文名稱：計(jì)算機(jī)組成原理課程英文名稱：Computer Organization課程類別：必修課程學(xué)分?jǐn)?shù)：4課程學(xué)時(shí)數(shù)：72授課對(duì)象：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息安全及相關(guān)專業(yè)本科生本課程的前導(dǎo)課程：高級(jí)程序設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯等本課程的后續(xù)課程：微機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等一、教學(xué)目的本課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息安全專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課。本課程的學(xué)習(xí)將使學(xué)生理解單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念；理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握以MIPS為代

2、表的RISC指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)；能夠?qū)τ嘘P(guān)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算與分析；能根據(jù)指令語(yǔ)義進(jìn)行單周期/多周期/流水線數(shù)據(jù)通路及其控制器的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)；能對(duì)MIPS匯編程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析。二、課程內(nèi)容（一）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1 計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)(1) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成(2) 計(jì)算機(jī)硬件的基本組成(3) 計(jì)算機(jī)軟件和硬件的關(guān)系(4) 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程2 計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、帶寬、延遲；CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時(shí)間；MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS。（二）MIPS指令系統(tǒng)及匯編語(yǔ)言1 指令基本格式2 指令基本功能

3、算數(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、存儲(chǔ)指令、分支指令、無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令3 指令地址及操作數(shù)尋址(1) 指令尋址：下一條指令地址計(jì)算(2) 數(shù)據(jù)尋址：寄存器尋址、數(shù)據(jù)尋址（字節(jié)尋址、半字尋址、字尋址）4 MIPS匯編語(yǔ)言(1) 寄存器使用約定(2) 函數(shù)/過(guò)程調(diào)用5 ARM指令集簡(jiǎn)介6 x86指令集簡(jiǎn)介（三）數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算1 數(shù)制與編碼(1) 進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換(2) 真值和機(jī)器數(shù)(3) 字符與字符串2 定點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算(1) 定點(diǎn)數(shù)的表示無(wú)符號(hào)數(shù)的表示；有符號(hào)整數(shù)的表示。(2) 定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算定點(diǎn)數(shù)的移位運(yùn)算；原碼定點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算；補(bǔ)碼定點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算；溢出概念和判別方法；乘法運(yùn)算；除法運(yùn)算3

4、 浮點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算(1) IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)表示浮點(diǎn)數(shù)；(2) 浮點(diǎn)加減法運(yùn)算；浮點(diǎn)乘法；浮點(diǎn)除法（四）中央處理器1 CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)2 指令執(zhí)行過(guò)程3 單周期/多周期數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)4 硬布線控制器的功能和工作原理(1) 單周期處理器控制器(2) 多周期處理器控制器5 微程序控制器的簡(jiǎn)介6 中斷和異常7 指令流水線(1) 指令流水線的基本概念(2) 流水線冒險(xiǎn)及處理策略(3) 指令流水線的基本實(shí)現(xiàn)（五）存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)1 局部性原理2 存儲(chǔ)器技術(shù)(1) DRAM(2) SRAM(3) 快閃式存儲(chǔ)器(4) 硬盤(pán)3 高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）(1) Cache的基本工作原理(2

5、) Cach和主存之間的映射方式(3) Cache中主存塊的替換算法(4) Cache寫(xiě)策略(5) 多層Cache性能計(jì)算4 可信度、可靠性和可用性(1) 海明碼(2) 磁盤(pán)陣列5 虛擬存儲(chǔ)器(1) 虛擬存儲(chǔ)器的基本概念(2) 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器(3) TLB(快表)三、學(xué)時(shí)分配課程內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配表課堂教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)分配1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述42、MIPS指令系統(tǒng)及匯編語(yǔ)言123、數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算124、中央處理器245、存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)20總計(jì)72四、教材與參考書(shū)1 教材(1) 計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)：硬件、軟件接口（原書(shū)第4版），（美）帕特森，（美）亨尼斯著，康繼昌，樊曉椏，安建峰等譯，機(jī)械工業(yè)出版社，20

6、12.1，ISBN：58(2) 計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)：硬件、軟件接口（原書(shū)第3版），（美）帕特森，（美）亨尼斯著，鄭偉民等譯，機(jī)械工業(yè)出版社，2007.4，ISBN 978-7-111-20214-1(3) 計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)：硬件/軟件接口（英文版第5版）（亞洲版），（美）帕特森，（美）亨尼斯著，機(jī)械工業(yè)出版社，2014.2，ISBN：612 參考用書(shū)(1) 計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，清華大學(xué)出版社，袁春風(fēng)，2010年4月。五、考核方式筆試、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)。（1）課內(nèi)考核環(huán)節(jié)考核環(huán)節(jié)名稱考核環(huán)節(jié)內(nèi)容考核知識(shí)單元預(yù)計(jì)安排時(shí)間考核形式備注第一次課內(nèi)考核已授課知識(shí)單元所覆蓋的主要知識(shí)點(diǎn)，尤其是重點(diǎn)難點(diǎn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述，MIPS匯編語(yǔ)言，數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算第8周開(kāi)卷筆試第二次課內(nèi)考核已授課知識(shí)單元所覆蓋的主要知識(shí)點(diǎn)，尤其是重點(diǎn)難點(diǎn)。中央處理器第14周開(kāi)卷筆試（2）課內(nèi)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)名稱綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容考核能力單元預(yù)計(jì)安排時(shí)間實(shí)踐形式備注雙端口通用寄存器組的設(shè)計(jì)使用verilog設(shè)計(jì)雙端口通用基礎(chǔ)器組CPU數(shù)據(jù)通路第9周面試單周期CPU設(shè)計(jì)使用verilog設(shè)計(jì)CPU，支