《計(jì)算機(jī)組成原理》思政版教學(xué)參考大綱 張基溫

《計(jì)算機(jī)組成原理》有機(jī)思政版教學(xué)參考大綱一、課程概況《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)核心課程，側(cè)重于討論計(jì)算機(jī)基本部件的構(gòu)成和組成方式、基本運(yùn)算的操作原理和單元的設(shè)計(jì)思想、操作方式及其實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)本課程，能了解計(jì)算機(jī)一般組成原理與內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理，為學(xué)習(xí)這類專業(yè)后繼課程和進(jìn)行與硬件有關(guān)的技術(shù)工作打好基礎(chǔ).課程中文名稱計(jì)算機(jī)組成原理課程英文名稱PrinciplesofComputerOrganization適用專業(yè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)網(wǎng)絡(luò)工程軟件工程信息管理與信息系統(tǒng)課程編碼課程性質(zhì)專業(yè)核心課程專業(yè)核心課程專業(yè)核心課程專業(yè)核心課程課程學(xué)分3.53.53.53建議總學(xué)時72646448課堂教學(xué)50505040實(shí)驗(yàn)教學(xué)1810106復(fù)習(xí)考試4442先修課程無推薦教材張基溫著，《計(jì)算機(jī)組成原理教程》（第10版），清華大學(xué)出版社，2023年二、教學(xué)目標(biāo)1.理論教學(xué)目標(biāo)（1）使學(xué)生熟練掌握各種信息進(jìn)行0、1編碼的基本方法。（2）深刻理解現(xiàn)代電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的諾伊曼體系的形成過程和發(fā)展趨勢。（3）深刻理解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)各部件的基本原理、發(fā)展趨勢和各部件之間的協(xié)同工作方法。2.思政與品質(zhì)教育目標(biāo)（1）通過本課程的教學(xué)，進(jìn)一步堅(jiān)定學(xué)習(xí)者的辯證唯物主義和歷史唯物主義思想。（2）通過本課程的教學(xué)，使學(xué)習(xí)者了解中華民族在計(jì)算機(jī)發(fā)展中的歷史貢獻(xiàn)和現(xiàn)代業(yè)績，鑒定中華文化自信和文化自豪感。（3）鼓勵學(xué)生增強(qiáng)求知欲望和創(chuàng)新思維。3.實(shí)踐訓(xùn)練目標(biāo)通過實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，并側(cè)重于對實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)過程中所發(fā)現(xiàn)的各種現(xiàn)象的理論分析和討論。三、教學(xué)手段及要求1.課堂（線上或線下）教學(xué)：講清原理、啟發(fā)思維。2.實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)教學(xué)：重在事前準(zhǔn)備和事后分析討論。事前準(zhǔn)備,要求學(xué)生事前清楚進(jìn)行的步驟，并預(yù)測一下可能出現(xiàn)的現(xiàn)象（結(jié)果）和對應(yīng)的解決方法。事后分析討論：對實(shí)踐過程中所發(fā)生現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，提出改進(jìn)思路。3.拓展教學(xué)：建立線上教學(xué)聯(lián)系群，進(jìn)行問題答疑，組織專題討論，鼓勵學(xué)生發(fā)表學(xué)習(xí)心得和創(chuàng)新設(shè)想。四、課堂教學(xué)內(nèi)容與建議學(xué)時序號內(nèi)容建議課時1二值計(jì)算與編碼42程序計(jì)算架構(gòu)43存儲系統(tǒng)6/44I/O接口與I/O過程控制65控制器邏輯6/46處理器性能提升47計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備4/28總線與主板4/29新型計(jì)算機(jī)展望4/21.二值計(jì)算與編碼使學(xué)生深刻理解現(xiàn)代電子數(shù)字計(jì)算機(jī)就是一種處理0、1編碼信息的工具。內(nèi)容包括如下4部分。（1）二值邏輯的由來及中華先祖的貢獻(xiàn)。（2）二值計(jì)算，包括二值算術(shù)計(jì)算與二值邏輯計(jì)算。（3）二值編碼。（4）二值編碼的安全。2.程序計(jì)算架構(gòu)（1）程序計(jì)算的作用：簡單工具的計(jì)算擴(kuò)展。（2）中華先祖的貢獻(xiàn)。（3）程序計(jì)算的自動化：內(nèi)程序與內(nèi)動力。（4）諾伊曼體系的提出與改進(jìn)。（5）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念。（6）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評測。3.存儲系統(tǒng)（1）存儲元件。（2）存儲體系。（3）存儲技術(shù)——以SDRAM為例。（4）外存儲設(shè)備。（5）存儲體系。4.I/O接口與I/O過程控制（1）I/O接口。（2）I/O過程程序技術(shù)無條件I/O傳送方式。I/O傳送的程序查詢控制方式 I/O過程的程序中斷控制I/O數(shù)據(jù)傳送的DMA控制I/O過程的通道控制5.控制器邏輯（1）處理器的外特性——指令系統(tǒng)的概念。（2）成功指令系統(tǒng)舉例（80x86與ARM選一）。（3）組合邏輯控制器設(shè)計(jì)（4）微程序控制器設(shè)計(jì)6.處理器性能提升技術(shù)（1）流水線技術(shù)。（2）多處理器系統(tǒng)。（3）多線程處理器。（4）多核處理器。（5）關(guān)于處理器并行性開發(fā)的討論。7.計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備（1）計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備概述。（2）常用計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備（以學(xué)生自我閱讀為主）。（3）虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與現(xiàn)實(shí)虛擬。（4）I/O設(shè)備適配器與驅(qū)動程序。8.總線與主板（1）總線及其原理。（2）幾種標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)總線分析。（3）幾種標(biāo)準(zhǔn)I/O總線分析。（4）微型計(jì)算機(jī)主板 。9.新型計(jì)算機(jī)展望（此部分以自學(xué)為主）（1）人工智能與智能計(jì)算機(jī)。（2）量子計(jì)算機(jī)。（3）未來計(jì)算機(jī)的的其他探索。五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)推薦內(nèi)容下面推薦一些實(shí)驗(yàn)題目，不同的學(xué)校可以根據(jù)自己理解和設(shè)備情況，選擇安排。實(shí)驗(yàn)1：熟悉計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)類型：驗(yàn)證型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏煜?shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及操作方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：了解所用計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)、模型計(jì)算機(jī)的各組成部分電路、連線方法、數(shù)據(jù)通路的組成、時序和控制信號及指示燈的觀察方法、開關(guān)和按鈕的作用和操作方法等。實(shí)驗(yàn)2：運(yùn)算器組成實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型：驗(yàn)證型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏煜ず唵芜\(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳送通路。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：；利用工作臺輸入數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模型計(jì)算機(jī)提供的運(yùn)算器部件的運(yùn)算功能。實(shí)驗(yàn)3：評價(jià)CPU實(shí)驗(yàn)類型：分析型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私庾钚翪PU的性能。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：上網(wǎng)搜集最新CPU資料，給朋友選擇CPU提供一份建議書。實(shí)驗(yàn)4：存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類項(xiàng)：設(shè)計(jì)型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）掌握用硬件描述語言設(shè)計(jì)邏輯部件的方法；（2）了解半導(dǎo)體存儲器的設(shè)計(jì)過程；（3）掌握存儲器容量的字?jǐn)U展和位擴(kuò)展技術(shù)；（4）掌握存儲芯片片選邏輯的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個256X16bit的RAM；要求能隨機(jī)寫入和讀出數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)5：雙端口存儲器原理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型：綜合型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆p端口靜態(tài)隨機(jī)存儲器的工作特性及使用方法；熟悉半導(dǎo)體存儲器的讀寫方法；掌握地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的作用；加深對于存儲器的工作原理的理解，掌握相關(guān)的數(shù)據(jù)通路的控制方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：自行設(shè)計(jì)訪問雙端口存儲器的步驟并實(shí)現(xiàn)這些操作；注意雙端口存儲器的左右端口在怎樣的情況之下會發(fā)生讀寫沖突。實(shí)驗(yàn)5：評價(jià)最新主存產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)類型：分析型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私庾钚轮鞔娈a(chǎn)品性能。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：上網(wǎng)搜集最新主存產(chǎn)品資料，給朋友選擇主存提供一份建議書。實(shí)驗(yàn)6：磁盤格式化分區(qū)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型：綜合型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獯疟P格式化與分區(qū)的基本方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）辨別待格式化磁盤現(xiàn)有分區(qū)格式。（2）對磁盤進(jìn)行格式化，并分別按MBR和GUID（GPT）分區(qū)。（3）比較兩種格式的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)7：匯編程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)類型：設(shè)計(jì)型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈪R編程序設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：用一種匯編語言設(shè)計(jì)一個程序。實(shí)驗(yàn)8：微操作分析實(shí)驗(yàn)類型：分析型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪斫釩PU指令與微操作的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：對使用過的匯編語言進(jìn)行微操作分析。實(shí)驗(yàn)8：微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型：綜合設(shè)計(jì)型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）掌握組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)過程；（2）了解指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；（3）了解數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)方法；（4）掌握擬定指令流程和微命令序列的方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）畫出模塊框圖；（2）功能仿真編程驗(yàn)證，將后仿真確認(rèn)的配置文件經(jīng)編程電纜配置到可編程邏輯器件中，進(jìn)行測試，檢查是否完成預(yù)定功能；（3）寫出設(shè)計(jì)說明書及測試報(bào)告。實(shí)驗(yàn)9：微程序控制器的組成與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)類型：驗(yàn)證型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模杭由罾斫馕⒊绦蚩刂破鞯慕M成及工作過程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，完成數(shù)據(jù)在各執(zhí)行部件之間的流動。實(shí)驗(yàn)10：CPU組成和機(jī)器指令執(zhí)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型：綜合型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆諜C(jī)器指令與微指令的關(guān)系，牢固建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）將微程序控制器同執(zhí)行部件（整個數(shù)據(jù)通路）聯(lián)機(jī)，組成一臺模型計(jì)算機(jī)；（2）用微程序控制器控制模型機(jī)數(shù)據(jù)通路；通過CPU運(yùn)行九條機(jī)器指令組成的簡單程序。實(shí)驗(yàn)11：用CPLD實(shí)現(xiàn)模型機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)類型：綜合設(shè)計(jì)型。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）掌握組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)方法；（2）掌握DMA控制器的設(shè)計(jì)方法（3）掌握接口的設(shè)計(jì)方法；（4）掌握存儲器的設(shè)計(jì)方法；（5）掌握運(yùn)算器的設(shè)計(jì)方法；（6）掌握系統(tǒng)總線的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）設(shè)計(jì)一個采用組合邏輯控制器的模型機(jī)系統(tǒng)，驗(yàn)證其邏輯功能并下載到