計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)教學(xué)大綱

1、計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)教學(xué)大綱（課程編號：0902302學(xué)分-學(xué)時(shí)-上機(jī)：4-64-16）東南大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院一、課程的性質(zhì)與目的本課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)必修的一門主要的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程系統(tǒng)地介紹計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及各組成部分的工作原理，其內(nèi)容著重于基本概念、基本原理的學(xué)習(xí)，同時(shí)也體現(xiàn)最新的成果。通過學(xué)習(xí)本課程，培養(yǎng)學(xué)生初步建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念，掌握計(jì)算機(jī)的五個功能部件的組成原理，邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法及其互連結(jié)構(gòu)，并奠定良好的計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)，為今后參加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)工作打下一個良好的基礎(chǔ)。二、課程內(nèi)容的教學(xué)要求第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡介：理解計(jì)算機(jī)軟硬件在系統(tǒng)中的作用與關(guān)系，理解

2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成、實(shí)現(xiàn)三者之間的關(guān)系。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本組成：重點(diǎn)掌握馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型原理，掌握計(jì)算機(jī)硬件的基本組成，重點(diǎn)掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過程。1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)：掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)及與軟硬件的關(guān)系，了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能瓶頸及性能設(shè)計(jì)方法。1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程：了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及微型計(jì)算機(jī)軟硬件發(fā)展歷史及分類。第2章數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算2.1 數(shù)據(jù)的編碼：理解數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換方法，熟練掌握機(jī)器數(shù)及其原碼、補(bǔ)碼、反碼編碼方法及十進(jìn)制編碼方法，了解字符及字符串編碼方法，掌握奇偶校驗(yàn)碼、海明校驗(yàn)碼及循環(huán)冗余校驗(yàn)碼編碼方法及校驗(yàn)原理，了解CRC校驗(yàn)

3、碼原理。2.2 數(shù)據(jù)的表示：重點(diǎn)掌握數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法，以及定點(diǎn)表示、浮點(diǎn)表示的格式及特征，理解非數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表示方法及格式。2.3 定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算：熟練掌握定點(diǎn)數(shù)的移位運(yùn)算、加減運(yùn)算方法，掌握運(yùn)算溢出的處理方法及所需硬件配置，掌握定點(diǎn)數(shù)的乘法運(yùn)算方法及所需硬件配置。2.4 浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算：掌握浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算過程，理解規(guī)格化數(shù)的概念。2.5算術(shù)邏輯單元ALU:理解加法的串行及并行進(jìn)位實(shí)現(xiàn)原理，了解ALU的功能與組成，掌握運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)。第3章存儲系統(tǒng)3.1 存儲系統(tǒng)概述：了解存儲器的性能指標(biāo)，理解程序訪問局部性對提高存儲器性能/價(jià)格的作用，掌握層次結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)的組成及工作原理。3.2半導(dǎo)體存

4、儲器基礎(chǔ)：掌握SRAMDRAM芯片的結(jié)構(gòu)與組成、讀寫周期，理解DRAM芯片的刷新方法，了解ROM結(jié)構(gòu)與存儲原理。3.3主存儲器：理解主存儲器的組成及CPU的相關(guān)信號線，熟練掌握利用MEM芯片組成主存儲器的方法（容量擴(kuò)展方法），掌握主存儲器與CPU的連接方法，了解提高訪問存儲器性能的硬件組織方法（多體/高性能/雙端口存儲器）。3.4 高速緩沖存儲器：掌握Cache的結(jié)構(gòu)與組成原理，理解Cache的工作流程，掌握Cache組成的地址映像及變換方法、替換算法、寫策略的原理與性能，了解提高Cache性能的相關(guān)技術(shù)。3.5 虛擬存儲器：理解虛擬存儲器的工作原理，掌握段式、頁式、段頁式虛擬存儲器的存儲管理

5、方法，了解虛擬存儲器的實(shí)現(xiàn)原理及工作全過程。第4章指令系統(tǒng)4.1 指令系統(tǒng)組成：深入理解指令系統(tǒng)與軟硬件的關(guān)系，掌握指令功能相關(guān)參數(shù)與指令格式的組成，理解軟硬件對指令字的要求及指令字的種類。4.2 數(shù)據(jù)存放與尋址方式：理解不同長度數(shù)據(jù)在REGMEM中的存放方式及地址表示，掌握堆棧存取方式及堆棧的實(shí)現(xiàn)及操作方法，熟練掌握指令及數(shù)據(jù)尋址方式的尋址過程及形式地址組成。4.3 指令格式舉例：了解指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過分析Pentium及PowerPC指令系統(tǒng)，理解指令系統(tǒng)的組成及優(yōu)化手段。4.4 指令系統(tǒng)發(fā)展：了解CISC及RISC產(chǎn)生原因，掌握RISC的設(shè)計(jì)目標(biāo)及實(shí)現(xiàn)手段。第5章中央處理器5.1

6、CPU的功能與結(jié)構(gòu)：理解CPU的功能及基本結(jié)構(gòu)，了解指令周期與CPU工作流程的組成，掌握指令執(zhí)行過程、CPU基本操作及微操作的相互關(guān)系，了解CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的組織方法，熟練掌握單總線通路的各種指令執(zhí)行過程的微操作步序列組成。5.2控制器的組成與工作原理：理解CPU功能實(shí)現(xiàn)需求與控制器的功能，理解控制器的基本結(jié)構(gòu)與分類，掌握時(shí)序系統(tǒng)組成原理及與CPU工作流程的關(guān)系，了解信號時(shí)序的三種控制方式原理，理解微操作實(shí)現(xiàn)與微操作命令的關(guān)系，掌握微操作控制信號形成原理、及與微操作命令有效條件的關(guān)系。5.3 硬布線控制器：了解組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)步驟，能夠根據(jù)要求進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。5.4 微程序控制器：理解微程

7、序控制思想及微程序組成，掌握微程序控制器的組成及工作原理，了解微指令格式及其編碼方法，理解各種微地址形成方法，了解微程序控制器的設(shè)計(jì)步驟并能夠根據(jù)要求進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。5.5 CPU舉例：了解Intel8086/8088CPU的參數(shù)與CPU結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，理解8086/8088CPU的基本組成與CPU組成原理的對應(yīng)程度，理解實(shí)地址模式存儲管理的實(shí)現(xiàn)方法，了解控制器的實(shí)現(xiàn)方法。5.6 指令流水技術(shù)：掌握流水線的基本原理及實(shí)現(xiàn)要求，了解流水線的性能指標(biāo)，理解流水線的三種相關(guān)解決方法，了解提高流水線性能的方法。第6章總線6.1 總線概述：了解總線的分類方法、特性及總線性能指標(biāo)。6.2 總線傳輸與控制：理

8、解總線傳輸?shù)幕静襟E，掌握幾種集中式總線仲裁原理、連接及信號線需求，掌握總線傳輸步驟的定時(shí)方法、信號線需求，了解常見的總線標(biāo)準(zhǔn)。6.3 總線互連結(jié)構(gòu)：理解單總線、多總線互連的目標(biāo)、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，了解總線互連時(shí)接口部件的操作實(shí)現(xiàn)方法。第7章輸入輸出系統(tǒng)7.1I/O系統(tǒng)概述：理解I/O系統(tǒng)的基本組成，連接I/O設(shè)備與主機(jī)的連接方式、編址及尋址方法，理解I/O設(shè)備與主機(jī)的幾種傳送控制方式的基本思想。7.2 外部設(shè)備：理解I/O設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，了解幾種輸入、輸出設(shè)備的組成及工作原理，掌握磁盤存儲器組成、信息記錄格式、操作步驟及性能指標(biāo)，理解光存儲器記錄原理。7.3 I/O接口：了解I/O接口的功能及I/

9、O端口概念，理解I/O接口的硬件組成及工作原理，了解I/O指令格式組成。7.4 程序查詢方式：掌握程序查詢方式的傳送控制原理、流程及編程方法，理解對I/O接口相應(yīng)工作方法的要求，掌握無條件傳送控制的編程方法。7.5 程序中斷方式：掌握中斷的基本概念，理解中斷的分類方法，重點(diǎn)掌握中斷過程各階段的功能、硬件實(shí)現(xiàn)方法，理解中斷過程對I/O接口硬件組織的要求、及I/O接口的工作原理，掌握不同I/O中斷請求連接方式的相應(yīng)判優(yōu)方法，了解中斷控制器及中斷系統(tǒng)的組成，掌握中斷嵌套及中斷屏蔽的概念。7.6 DMA方式：掌握DMA方式的思想及傳送過程，理解DMA勺三種傳送方式及工作過程，掌握DMA接口的基本組成及

10、數(shù)據(jù)傳送過程，了解不同功能DMA接口的基本組成。7.7 通道方式：理解通道的功能及基本組成，了解通道的工作過程及種類。三、上機(jī)實(shí)習(xí)要求本課程進(jìn)行3個部件實(shí)驗(yàn)：總線、半導(dǎo)體靜態(tài)存儲器實(shí)驗(yàn)；運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)，它們是為課程設(shè)計(jì)整機(jī)實(shí)驗(yàn)而準(zhǔn)備的。學(xué)生通過這些實(shí)驗(yàn)可積累一些實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和技巧，熟悉一些中、大規(guī)模集成電路的使用方法，提高邏輯設(shè)計(jì)能力，為整機(jī)實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。四、能力培養(yǎng)的要求1.分析能力的培養(yǎng)：主要是對計(jì)算機(jī)各功能部件組成原理及技術(shù)進(jìn)行分析的能力的培養(yǎng)，同時(shí)關(guān)注新技術(shù)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)上運(yùn)用的意義。2.計(jì)算能力的培養(yǎng)：要求學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，具備對計(jì)算機(jī)中各種常用的算術(shù)運(yùn)算算法的掌握以及各個部件常用的性能指標(biāo)的計(jì)算。3. 自學(xué)能力的培養(yǎng)：通過本課程的教學(xué)，要培養(yǎng)和提高學(xué)生對所學(xué)知識進(jìn)行整理、概括、消化吸收的能力，以及圍繞課堂教學(xué)內(nèi)容，閱讀參考書籍和資料，自我擴(kuò)充知識領(lǐng)域的能力。4. 表達(dá)能力的培養(yǎng)：主要通過作業(yè)，清晰、整潔地表達(dá)自己解決問題的思路和步驟的能力。5. 創(chuàng)新能力的培養(yǎng)：培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、深入鉆研問題的習(xí)慣，和對問題提出多種解決方案、選擇不同實(shí)現(xiàn)方法，以及對各種技術(shù)進(jìn)行評價(jià)和舉一反三的能力。五、建議學(xué)時(shí)分配課程內(nèi)容講課習(xí)題課或課堂討論實(shí)驗(yàn)上機(jī)計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)58616計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論4數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算1114存儲系統(tǒng)1114指令系統(tǒng)31中央處理器1224總線4