一、课程描述及目标

（一）课程描述

《计算机组成原理与实验》是计算机科学与技术专业、软件工程专业的一门重要学科基础课。它在先导课和后续课之间起着承上启下的和继往开来的作用。该课程全面地介绍了计算机单机系统的组成原理及内部工作机制，包括计算机各大部件的结构、工作原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成计算机整机的相关技术。

该课程以需求分析引导学生构建单机系统，根据构建好的系统进行部件选择、互连、测试等操作，最终可以实现目标系统功能。本门课程在理论教学的基础之上，增加实验教学环节，使学生在掌握基本原理的同时，可以通过具体的硬件实验箱进行操作，最后通过相关模拟软件构件自己的理想系统。培养学生自主分析、理解问题、举一反三、融会贯通、团队协作、创新精神的能力。

（二）课程目标

作为计算机类专业的一门专业基础课程，学完该门课程后，要求学生能够达到以下学习目标:

1.掌握计算机硬件系统的基本构成，各构成部件的工作原理及实现的基本技术和方法，核心能力1.1、2.1。

2.具有使用仿真软件实现简单系统的设计能力，核心能力2.2。

3.通过分组合作形式锻炼团队合作能力，核心能力4.1.

4.及时了解国内外计算机系统的发展现状以及最新关键技术，养成自主学习的习惯和能力。核心能力6.1、6.2。

5.通过课程的学习，培养较好的学习习惯、职业规范。核心能力7.1。

二、课程内容

（一）第1章 计算机系统概述

主要知识点:

1.1 计算机系统简介

1.2 计算机的基本组成

1.3 计算机硬件的主要技术指标

教学要求:通过课程的学习，使学生熟悉计算机系统的构成，计算机硬件的主要技术指标，掌握计算机的工作过程。

重点:计算机的硬件框图，计算机的工作过程。

难点:计算机如何区分同样以0、1代码的形式存储在存储器中的指令和数据。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示。

参考案例:单机系统

讲授学时:3学时

课后习题:1.2、1.5

（二）第3章 系统总线

主要知识点:

3.1 总线的基本概念

3.2 总线的分布

3.3 总线特性及性能指标

3.4 总线结构

3.5 总线控制

教学要求:通过课程的学习，使学生熟悉计算机系统中的总线的作用及类别，掌握总线结构对系统性能的影响，熟练掌握总线在控制过程中如何判优和通信。

重点:总线结构，总线控制。

难点:总线结构对性能的影响，总线判优方法和通信控制。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示。

参考案例:例3.1、3.2、3.3

讲授学时:3学时

课后习题:3.4、3.14、3.15、3.16

（三）第4章 存储器

主要知识点:

4.1.1 存储器的分类

4.1.2 存储器的层次结构

4.2 主存储器（芯片介绍、刷新、动态RAM与静态RAM比较）

4.2.5 存储器与CPU的连接

4.2.6 主存储器的校验

4.2.7 提高访存速度的措施

4.3 高速缓存的提出（Cache的工作原理和结构）

4.3.2 Cache-主存地址映射

4.3.3 替换策略

4.4 辅助存储器的类别

4.4.3 磁盘记录方式

4.4.6 循环冗余校验码

4.4.7 光盘存储器（2.光盘的存取原理）

教学要求:通过课程的学习，使学生熟悉存储器的基本类别，不同存储器的功能和层次，掌握常用的主存储器芯片特性和功能；熟练掌握不同类型存储器与CPU连接时需要注意的事项，以及主存储器在存储数据时如何确保数据的正确性；理解在系统中设置高速缓冲存储器的目的，熟悉Cache的工作过程和基本结构，学会并掌握如何实现Cache-主存的地址映射，熟练掌握常用的替换策略；理解在系统中增加辅助存储器的必要性和重要性，不同辅助存储器的功能和基本工作原理，掌握磁盘的几种记录方式，学会如何进行磁盘中的数据校验。

重点:存储器的分类，存储器的层次结构，RAM、ROM，芯片刷新；CPU与存储器的连接，主存储器的校验；Cache的工作原理，Cache-主存地址映射；磁盘的记录方式，磁盘的校验方法，磁盘的基本性能指标。

难点:不同寻址方式寻址范围的确定，RAM的刷新；RAM和ROM芯片与CPU连接时有何区别，汉明码形成及纠错；在系统中设置Cache的原因，如何实现Cache-主存的地址映射；CRC校验码，磁盘基本性能指标的计算。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示、习题讲解与巩固练习。

参考案例:2114、4116、2716芯片，例4.1、4.2、4.4、4.7、4.8、4.15

讲授学时:8学时

习题讲解:4学时

课后习题:4.6、4.11、4.16、4.17、4.18、4.28、4.42

（四）第5章 输入输出系统

主要知识点:

5.1.1 输入输出系统的发展概况

5.1.2 I/O系统的基本组成

5.1.3 I/O 与主机的联系方式

5.3和 5.4和 5.5和5.6 I/O 接口（简要介绍I/O与主机交换信息的三种控制方式）

教学要求:通过课程的学习，使学生熟悉I/O系统的基本组成，理解并掌握I/O与主机的联系方式，掌握I/O接口的基本组成，建立“段”的概念并学会运用，建立“奇偶”概念并领会字寻址中对字节操作的动态定义；理解I/O与主机交换信息的三种控制方式的特点及区别，掌握CPU响应中断请求和DMA请求的时间；掌握存储部件在计算机中的运用。

重点:I/O与主机的联系方式，I/O控制方式。

难点:处理I/O终端的各类软、硬件技术的运用，DMA与主存交换数据的三种方法各自的特点，周期挪用的含义，CPU响应中断请求和DMA请求的时间。

采用的教学方法:知识点讲解、习题讲解。

讲授学时:3学时

课后习题:5.1、5.4、5.8、5.23、5.35

（五）第6章 计算机的运算方法

主要知识点:

6.1 无符号数和有符号数

6.2 数的定点和浮点表示

6.3定点数的加减乘法和逻辑运算

6.4浮点数四则运算

6.5.1 ALU电路

教学要求:通过课程的学习，使学生掌握数在计算机中的表示方法，学会并掌握定点数的加减运算和逻辑运算；掌握浮点数在计算机中的表示方法，浮点数的加减运算过程，数的移位运算和标志控制；学会定点数的一位乘除法运算，通过习题讲解巩固计算机中不同类型数的基本运算；学会使用一种软件仿真工具实现简单的运算器。

重点:数的不同编码，定点数的逻辑运算，浮点数的表示和运算，算术逻辑单元，定点数乘除运算，软件仿真。

难点:为什么在运算的过程中要用补码运算，数要用不同的类型表示，浮点数运算中的溢出判断，算术逻辑单元的构成，定点数乘除运算过程中的移位操作，仿真软件的使用。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示、习题讲解6.3、6.17。

讲授学时:4学时

习题讲解:1学时

课后习题:6.2、6.3、6.4、6.12、6.20

（六）第7章 指令系统

主要知识点:

7.1 机器指令

7.2 操作数类型和操作类型

7.3寻址方式

7.4.3指令格式设计举例

7.5 RISC技术（简要介绍）

教学要求:通过课程的学习，使学生掌握指令的基本格式以及各字段的作用，理解不同的地址格式对访存次数、寻址范围的影响，理解并掌握不同的寻址方式对操作数的寻址范围、所需的硬件支持、信息加工流程以及编程的影响。建立“指令暂存”概念，领会“操作码段”和“操作数段”的用途；熟悉RISC技术，掌握设计指令格式应考虑的各种因素。

重点:指令格式，寻址方式，RISC技术，设计指令要考虑的因素。

难点:设计指令格式的方法，扩展操作码技术的运用。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示，例7.1、7.4。

讲授学时:3学时

课后习题:7.6、7.8、7.16、7.18

（七）第8章 CPU的结构和功能

主要知识点:

8.1 CPU的结构

8.2 指令周期

8.4 中断系统

教学要求:通过课程的学习，使学生掌握指令的CPU结构，理解不同的指令周期，熟悉中断系统，掌握中断屏蔽技术。

重点:掌握中断屏蔽技术。

难点:中断屏蔽技术的运用。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示，例8.2。

讲授学时:3学时

课后习题:8.24、8.26、8.28

（八）第10章 控制单元的设计

主要知识点:

10.2 微程序设计

10.2.1 微程序设计思想的产生

10.2.2 微程序控制单元框图及工作原理

10.2.3 微指令的编码方式

10.2.4 微指令序列地址的形成

10.2.5 微指令格式

教学要求:通过课程的学习微程序设计思想，使学生掌握微指令的编码方式，理解微指令序列地址的形成，熟悉微指令格式。

重点:微程序设计思想。

难点:掌握微指令的编码方式，理解微指令序列地址的形成，熟悉微指令格式。

采用的教学方法:知识点讲解、实例演示，例10.4、10.5、10.6。

讲授学时:3学时

课后习题:10.15

（九） 实验部分

主要知识点:

实验一 熟悉实验环境

实验二 位机的加减、逻辑运算

实验三 位机的移位运算、标志控制

实验四 仿真实现基本运算器

实验五 准双向I/O口实验

实验六 地址总线、数据总线

实验七 存储器读写

实验八 指令总线运用

教学要求:通过课程的学习，使学生熟悉硬件实验箱的基本构成和简单操作，并用实际的实验箱完成简单的算术运算和逻辑运算、移位运算、标志控制等基本操作，并理解基本模型机的设计原理和构成，学会使用一种仿真软件实现计算机基本部件的设计。

重点: 16位机的基本结构，实验箱具体操作。

难点:动手实践。

采用的教学方法:知识点讲解、现场演示、动手实践。

实验学时:14学时

综合实验:2学时

（十）期中考试、期末复习、答疑

教学内容:随堂复习各章知识点，针对学生疑问答疑，实验课上对学生的综合实验情况进行检查。

答疑学时:1学时 （算作习题学时）

期中考试:2学时（算作习题课时）

布置时间:根据教学进度，可在讲解第10次课时布置综合实验，指导学生课下实践，在第16、17次课验收综合实验。

三、课程的预期学习成果

在本门课程结束时，学生应该能够:

1、对计算机的内部结构、功能部件、功能特征、性能以及交互方式全面掌握；

2、从计算机的组成原理和系统结构角度，完整说明计算机的工作过程；

3、提高资料查找、阅读和辨析能力；

4、学会相关模拟仿真软件的操作；

5、学会简单单机系统的分析和设计能力；

6、提高团队合作能力。

四、课程要求

（一）出勤与作业

学生应积极参与课堂教学并完成相关的作业、讨论与实验要求内容。

（二）阅读资料

学生应认真进行课前预习，阅读教材和指定参考书及重要的参考文献。

（三）课堂展示、课堂实验报告

（1）理论课程，可根据教学内容及具体时间安排小组讨论；

（2）实验课程要求根据教学需要进行实验过程及效果演示。

（四）课外实践

本课程是理论与实验相结合的课程，安排24课时的实验课时；为配合实验课程内容的进行，学生需要熟悉硬件实验箱的使用，并学会配套软件和仿真软件的操作方法，这些将作为课外实践内容。

（五）期中考与期末考

课程中随机问答，采用小组讨论和演绎的方式来记录平时成绩，并集中安排闭卷方式的期中考试。期末闭卷考试。

（六）学术诚信

按中山大学南方学院相关规定执行。

（七）剽窃的定义以及相应的惩罚

剽窃是严重违反学校规章制度的行为。一经发现，将上报相关部门，并受到包括开除学籍在内的严厉处罚。

五、课程资料

（一）教科书-必读

《计算机组成原理》（第二版），唐朔飞，高等教育出版社，2008年1月

《计算机组成原理—学习指导与习题解答》（第2版），唐朔飞，高等教育出版社，2012年7月

（二）教科书-强烈推荐

《计算机组成原理》，蒋本珊主编，清华大学出版社，2008年9月第二版．

《计算机组成原理》，秦磊华 吴非 莫正坤，清华大学出版社，2011年

《计算机组成与体系结构》（美）努尔，（美）劳伯 著，黄河 等译，机械工业出版社2006年8月

《计算机组成原理》，罗克露主编，电子工业出版社，2010年2月第二版．

（三）文章-必读

近年《计算机学报》、《计算机应用》、《计算机研究与发展》等杂志刊登的文章。

（四）文章-强烈推荐

http://bbs.diannaodian.com/

http://www.xtzj.com/

（五）其他参考资料

《计算机组成原理》，白中英，科学出版社，2008年。

http://www.cskaoyan.com/thread-58479-1-1.html（课程视频下载地址）

http://zcyl.ayit.edu.cn/kcwz/zxcs.htm（课程学习效果测试地址）

六、教学活动以及对于预期学习成果的评估

（一）教学活动:

1、个人预习

2、课堂讲授

3、课堂问答

4、习题讲解

5、课堂实验

6、课后实践

7、期中考试

8、期末考试和实验考查

（二）对预期学习成果的考察

七、评估的程序和方法

（一）评分体系

1、平时成绩:50%

(1)出勤率课堂参与:10%

(2) 课堂实验和课后作业10%

(3):实验考查20%

(4):期中考试10%

2、考试成绩:50%

期末考试:50%

（二）考核内容及要求

笔试部分:

（1） 计算机硬件系统基本知识和实现硬件部件的基本技术（核心能力1.1、2.1）；

（2） 能够根据实际需求，利用计算机基本技术、方法解决实际应用问题（核心能力2.1）。

实验部分:

（1） 使用实验室环境及仿真软件设计、实现简单计算机系统（核心能力2.1、2.2）；

（2） 能够根据课程要求，通过文字、图、表的形式撰写实验报告，并进行分析与总结（核心能力6.1、6.2）；

（3） 能够按照实验项目要求，通过团队合作，按时完成，并培养良好的职业习惯（核心能力4.1、7.1）。

八、教学进度与学时分配表