2/9《計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程中文名：計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程英文名：ComputerOrganizationandStructure課程代碼：課程學(xué)分：4總學(xué)時數(shù)：48課程類別：專業(yè)基礎(chǔ)課程課程性質(zhì)：必修適用專業(yè)：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程、網(wǎng)絡(luò)空間安全、大數(shù)據(jù)、人工智能等先修課程：數(shù)字邏輯，程序設(shè)計語言后續(xù)課程：操作系統(tǒng)選用教材：《計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》，王煒等，清華大學(xué)出版社，2025.03二、課程性質(zhì)與課程目標(biāo)（一）課程性質(zhì)《計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》是高等學(xué)校計算機(jī)類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課。其目的是使學(xué)生理解和掌握計算機(jī)各大部件的基本組成、基本原理及其相互聯(lián)系，以及各部件在整機(jī)中的作用；培養(yǎng)學(xué)生初步的硬件系統(tǒng)分析、設(shè)計和使用能力，并為學(xué)習(xí)后繼課程、從事科學(xué)研究和工程技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。（二）課程目標(biāo)課程目標(biāo)1：掌握計算機(jī)系統(tǒng)的基本組成、基本概念，理解存儲程序控制原理，從整體上理解計算機(jī)系統(tǒng)各部分的功能，分析各部分之間的關(guān)系；了解計算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)，識別和判斷計算機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和影響因素，培養(yǎng)學(xué)生全面、系統(tǒng)和辯證分析問題解決問題的能力；了解計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。課程目標(biāo)2：了解基本門電路與基本邏輯，掌握譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器等常見組合邏輯電路和觸發(fā)器、計數(shù)器等常見時序邏輯電路的結(jié)構(gòu)與工作原理，具備基本的數(shù)字邏輯電路設(shè)計能力；深刻理解先行進(jìn)位加法器工作原理，掌握加法器的加速方法，理解算術(shù)邏輯單元的基本機(jī)構(gòu)，了解ALU擴(kuò)展方法。課程目標(biāo)3：掌握基本的數(shù)據(jù)表示方法，理解各種運算的實現(xiàn)技術(shù)，掌握運算器的基本組成、基本原理和基本分析方法，了解數(shù)據(jù)校驗基本原理、基本方法。課程目標(biāo)4：了解存儲器的分類、技術(shù)指標(biāo)，理解主存儲器的基本組成與基本操作，掌握半導(dǎo)體存儲器的基本組成、基本原理、芯片結(jié)構(gòu)和存儲器容量擴(kuò)展方法，理解存儲器時序控制技術(shù)和動態(tài)隨機(jī)存儲器刷新控制方法，了解并行主存系統(tǒng)。課程目標(biāo)5：了解指令與指令系統(tǒng)，理解指令與計算機(jī)功能、計算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；了解指令格式和常用指令類型；掌握指令和操作數(shù)尋址方式、指令操作碼擴(kuò)展技術(shù)；理解CISC和RISC的主要區(qū)別，了解兩種指令集計算機(jī)的主要特點。課程目標(biāo)6：了解中央處理器的微體系結(jié)構(gòu)，理解控制器的基本功能、基本組成，掌握指令執(zhí)行過程；理解微程序控制計算機(jī)、硬布線控制計算基本原理，掌握微程序設(shè)計技術(shù)，了解硬布線控制器設(shè)計思想；掌握指令流水線的基本原理，理解中斷原理，了解提高計算機(jī)系統(tǒng)性能的基本方法。課程目標(biāo)7：了解存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，掌握高速緩沖存儲器的工作原理與基本結(jié)構(gòu)、地址映像與變換的方法、Cache替換算法，理解Cache命中率與速度、性能的關(guān)系，了解Cache-主存一致性問題；了解虛擬存儲器、相聯(lián)存儲器的工作原理和基本組成。課程目標(biāo)8：掌握輸入輸出系統(tǒng)的基本組成和基本原理，了解鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)以及輔助存儲器等常用輸入輸出設(shè)備的工作原理。三、課程內(nèi)容與教學(xué)要求第一章計算機(jī)系統(tǒng)概論本章支持課程目標(biāo)1（一）課程內(nèi)容1.計算機(jī)系統(tǒng)簡介2.存儲程序控制計算機(jī)基本結(jié)構(gòu)3.計算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)4.計算機(jī)發(fā)展、計算機(jī)分類與計算機(jī)應(yīng)用（二）教學(xué)要求1.了解計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，理解存儲程序控制原理，掌握計算機(jī)硬件的基本組成、計算機(jī)的基本工作過程；培養(yǎng)學(xué)生全面、系統(tǒng)和辯證的分析問題解決問題的能力。3.掌握計算機(jī)的主要性能指標(biāo)及不同指標(biāo)之間的相互關(guān)系。2.了解計算機(jī)的發(fā)展歷史、計算機(jī)分類及計算機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展趨向；利用辯證主義唯物法分析計算機(jī)的發(fā)展規(guī)律。（三）重點與難點1.重點：存儲程序控制原理與存儲程序控制計算機(jī)基本結(jié)構(gòu)。2.難點：計算機(jī)的主要性能指標(biāo)及相互關(guān)系。第二章計算機(jī)的邏輯部件本章支持課程目標(biāo)2（一）課程內(nèi)容1.數(shù)字邏輯基礎(chǔ)2常見的組合邏輯電路3常見的時序邏輯部件4加法器及其加速方法5算術(shù)邏輯運算單元（二）教學(xué)要求1.理解基本門電路和數(shù)字邏輯基本公理、定理，能夠基于真值表和卡諾圖實現(xiàn)完成對簡單邏輯功能的描述和邏輯函數(shù)的化簡，并利用簡單的門電路實現(xiàn)基本邏輯功能；2.掌握數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器等基本組合邏輯電路、觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器等基本時序電路的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，能夠分析利用這些基本部件所構(gòu)成邏輯電路的功能，能夠用這些基本部件設(shè)計簡單的電路；3.理解先行進(jìn)位加法器工作原理和算術(shù)邏輯單元的基本機(jī)構(gòu)，能夠完成ALU位擴(kuò)展。（三）重點與難點1.重點：譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器以及加法器、算術(shù)邏輯單元ALU等基本組合電路和觸發(fā)器、計數(shù)器等基本邏輯部件的結(jié)構(gòu)與工作原理。2.難點：觸發(fā)器結(jié)構(gòu)與工作原理、加法器加速方法。第三章運算方法和運算器本章支持課程目標(biāo)3（一）課程內(nèi)容1.信息表示2帶符號二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示及定點數(shù)加減法運算3二進(jìn)制乘法運算4二進(jìn)制除法運算5浮點數(shù)運算方法6運算部件7數(shù)據(jù)校驗碼（二）教學(xué)要求1.了解計算機(jī)中信息表示的基本方法，理解真值與機(jī)器數(shù)，理解機(jī)器數(shù)補(bǔ)碼表示的基本性質(zhì)，掌握定點數(shù)和浮點數(shù)的表示方法，能夠理解C語言中數(shù)據(jù)類型在計算機(jī)中的表現(xiàn)形式；2.理解定點數(shù)四則運算的實現(xiàn)技術(shù)，掌握定點運算器的基本組成，能夠模擬計算機(jī)進(jìn)行定點數(shù)的四則運算并分析運算結(jié)果是否溢出等特征；理解各種運算方法的硬件實現(xiàn)，并能夠根據(jù)運算電路的結(jié)構(gòu)，分析數(shù)據(jù)加工的過程；理解常見的加速運算的方法，能夠根據(jù)需要選擇合適的設(shè)計方案，優(yōu)化性能、成本等設(shè)計目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生運用思辨的方法分析事物的能力；3.能夠進(jìn)行浮點數(shù)的四則運算并規(guī)格化；了解浮點數(shù)的加/減運算的硬件實現(xiàn)；4.能夠分析運算器數(shù)據(jù)通路的信息加工過程，具有初步的ALU和運算器數(shù)據(jù)通路的設(shè)計能力；5.理解奇偶校驗法、掌握校驗法、了解循環(huán)冗余校驗法。（三）重點與難點1.重點：運算方法及溢出判斷。2.難點：各種運算方法的硬件實現(xiàn)。第四章存儲器本章支持課程目標(biāo)4（一）課程內(nèi)容1.存儲器概述2主存儲器的基本組成與基本操作3半導(dǎo)體隨機(jī)存儲器（RAM）4半導(dǎo)體只讀存儲器（ROM）5存儲器容量擴(kuò)展以及存儲器與CPU的連接6存儲控制7并行主存系統(tǒng)（二）教學(xué)要求1.理解存儲器在計算機(jī)中的作用；了解存儲器的性能指標(biāo)；存儲器的分類；2.掌握SRAM和DRAM存儲器的工作原理；掌握存儲器芯片的外部特性，能夠根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的存儲器芯片；3.掌握非易失性存儲器的特點，能夠根據(jù)應(yīng)用場合選擇合適的非易失性存儲器；4.掌握主存儲器的組織方法，具有初步的設(shè)計能力。（三）重點與難點1.重點：半導(dǎo)體隨機(jī)存儲器的結(jié)構(gòu)及主存儲器的組織。2.難點：主存儲器與CPU的連接。第五章指令系統(tǒng)本章支持課程目標(biāo)5（一）課程內(nèi)容1.指令系統(tǒng)概述2指令格式3尋址方式4指令的類型5指令系統(tǒng)發(fā)展（二）教學(xué)要求1.理解指令系統(tǒng)的基本概念，掌握指令和數(shù)據(jù)的尋址方式，理解指令格式和指令擴(kuò)展操作碼技術(shù)，能夠根據(jù)尋址方式確定操作數(shù)和下一條指令地址，能夠根據(jù)需求完成指令格式設(shè)計；2.了解匯編語言程序設(shè)計的基本方法；理解CISC與RISC的主要區(qū)別，了解X86指令集、RISC-V指令集基本結(jié)構(gòu)及其主要特點。（三）重點與難點1.重點：尋址方式、擴(kuò)展操作碼技術(shù)2.難點：尋址方式第六章中央處理單元本章支持課程目標(biāo)6（一）課程內(nèi)容1.控制器的功能與組成2微程序控制計算機(jī)基本原理3微程序設(shè)計技術(shù)4硬布線控制計算機(jī)5流水線工作原理6中斷原理（二）教學(xué)要求1.理解控制器的基本功能與基本組成，掌握指令控制的基本概念；理解時序系統(tǒng)的基本概念，了解時序信號的產(chǎn)生方法和機(jī)器周期確定原則；理解控制器控制方式和控制器組成方式；2.掌握CPU數(shù)據(jù)通路的基本組成和信息加工處理的基本方法；掌握指令流程的分析方法，能夠依據(jù)數(shù)據(jù)通路分析信息加工（即指令執(zhí)行）的過程；3.掌握微程序控制的有關(guān)概念，理解微指令格式及微程序控制基本原理，掌握微程序設(shè)計技術(shù)（微指令編譯法、微指令流控制、微指令時序控制），能夠綜合運用尋址方式、指令執(zhí)行流程、CPU數(shù)據(jù)通路等知識進(jìn)行微程序設(shè)計；4.理解硬布線控制計算機(jī)的工作原理和硬布線控制器設(shè)計技術(shù)，掌握硬布線控制器的基本組成；5.理解流水線的基本原理，了解流水線的性能指標(biāo)，理解指令流水線的相關(guān)與沖突；6.理解中斷的概念，能利用中斷屏蔽技術(shù)動態(tài)改變中斷處理次序。（三）重點與難點1.重點：指令執(zhí)行過程分析、微程序控制器與微程序設(shè)計技術(shù)2.難點：微程序設(shè)計技術(shù)第七章存儲體系本章支持課程目標(biāo)7（一）課程內(nèi)容1.存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)2高速緩沖存儲器Cache3虛擬存儲器4相聯(lián)存儲器5存儲保護(hù)（二）教學(xué)要求1.理解存儲器的層次結(jié)構(gòu)，理解程序訪問局部性原理；2.掌握高速緩存（Cache）的基本組成和工作原理，能夠根據(jù)Cache和主存之間的映像方式、Cache中主存塊的替換算法，分析CPU訪問主存時Cache的工作過程；3.掌握虛擬存儲器的基本概念，了解頁式虛擬存儲器、段式虛擬存儲器和段頁式虛擬存儲器基本原理；4.能夠根據(jù)存儲系統(tǒng)（包括Cache和虛擬存儲器）的管理方式、映像策略等，確定CPU所需訪問的內(nèi)容是否在Cache或主存中；5.了解相聯(lián)存儲器；了解存儲保護(hù)的基本方式。（三）重點與難點1.重點：高速緩沖存儲器2.難點：高速緩沖存儲器的訪問過程第八章輔助存儲器本章支持課程目標(biāo)8（一）課程內(nèi)容1.輔存的種類與技術(shù)指標(biāo)2磁表面存儲器3光盤存儲器（二）教學(xué)要求1.掌握輔助存儲器的種類與技術(shù)指標(biāo)；2.理解磁記錄原理與記錄方式，了解硬盤存儲器的基本結(jié)構(gòu)；3.了解光盤存儲器的種類、組成和工作原理。（三）重點與難點1.重點：硬盤存儲器的基本結(jié)構(gòu)2.難點：磁記錄方式第九章輸入輸出設(shè)備本章支持課程目標(biāo)8（一）課程內(nèi)容1.輸入輸出設(shè)備概述2常用的輸入設(shè)備3常用的輸出設(shè)備（二）教學(xué)要求1.了解鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏等常見輸入設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工作原理；2.了解顯示器、打印機(jī)等常見輸出設(shè)備的結(jié)構(gòu)工作原理。（三）重點與難點1.重點：鍵盤、顯示器工作原理2.難點：無第十章輸入輸出系統(tǒng)本章支持課程目標(biāo)8（一）課程內(nèi)容1.輸入輸出系統(tǒng)概述2主機(jī)與外設(shè)間數(shù)據(jù)傳送控制方式3總線4設(shè)備接口（二）教學(xué)要求1.掌握輸入輸出系統(tǒng)基本組成；2.掌握利用程序查詢、程序中斷和DMA方式進(jìn)行主機(jī)與外設(shè)間數(shù)據(jù)傳送的原理和工作過程，了解程序中斷接口和DMA接口的基本組成；3.了解總線的基本概念，理解總線結(jié)構(gòu)與總線控制方式；4.了解常用的總線標(biāo)準(zhǔn)；了解微機(jī)中常見的接口標(biāo)準(zhǔn)。（三）重點與難點1.重點：主機(jī)與外設(shè)間數(shù)據(jù)傳送的5種基本方式、總線結(jié)構(gòu)與總線控制2.難點：程序中斷與DMA方式四、學(xué)時分配、教學(xué)方法及支撐課程目標(biāo)章（按序填寫）教學(xué)形式及學(xué)時分配主要教學(xué)方法支撐的課程目標(biāo)第1章計算機(jī)系統(tǒng)概述2講授法1第2章計算機(jī)的邏輯部件6講授法2第3章運算方法與運算器10講授法、研究型教學(xué)方法3第4章主存儲器4講授法4第5章指令系統(tǒng)2講授法、討論法5第6章中央處理器14講授法、研究型教學(xué)方法6第7章存儲系統(tǒng)4講授法7第8章輔助存儲器1研究型教學(xué)方法8第9章輸入/輸出設(shè)備1研究型教學(xué)方法8第10章輸入/輸出系統(tǒng)4講授法、研究型教學(xué)方法8合計48講授法注：1.課程實踐學(xué)時按相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)計劃列入表格；2.主要教學(xué)方法包括講授法、討論法、演示法、研究型教學(xué)方法（基于問題、項目、案例等教學(xué)方法）等。五、課程考核（一）考核方式考核方式或途徑考核要求考核權(quán)重考核對應(yīng)的

課程目標(biāo)備注平時作業(yè)總計不少于10次作業(yè)10%2，3，4，5，6，7研討查閱文獻(xiàn)，寫小論文或者做PPT進(jìn)行小組匯報，體現(xiàn)思政10%1期中考試閉卷20%2，3，4，5期末考試閉卷60%1，2，3，4，5，6，7注：1.課程考核應(yīng)做到過程性考核與終結(jié)性考核相結(jié)合。2.考核形式主要包括課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)、階段測試、期中考試、期末考試、大作業(yè)、小論文、項目設(shè)計和作品等。3.考核要求包括作業(yè)次數(shù)、考試方式（開卷、閉卷）、項目設(shè)計要求等。4.考核權(quán)重指該考核方式或途徑在總成績中所占比重。5.考核內(nèi)容須包含課程思政成效考核。（二）本課程畢業(yè)要求達(dá)成度計算課程目標(biāo)的達(dá)成值是由全部被評價學(xué)生的各評價項的平均考核成績來計算的。計算方法為該課程目標(biāo)各評價項的平均得分與對應(yīng)權(quán)重系數(shù)的乘積之和除以各評價項的應(yīng)得分與對應(yīng)權(quán)重系數(shù)的乘積之和其中，評價項平均分=評價項對應(yīng)項目的全班平均分，為該評價項的數(shù)量，為該評價項的考核權(quán)重。畢業(yè)要求指標(biāo)點的達(dá)成情況評價值為支撐該指標(biāo)點的所有課程對該指標(biāo)的目標(biāo)值乘以課程達(dá)成值之和七、參考書目及學(xué)習(xí)資料1.《計算機(jī)組成與設(shè)計：硬件/軟件接口（原書第5版·RISC-V版）》，[美]DavidA.Patterson&JohnL.Hennessy著，易江芳、劉先華等譯，機(jī)械工業(yè)出版社，2020.052.《計算機(jī)組成原理（第3版）》，唐朔飛，高等教育出版社，2020.103.《深入理解計算機(jī)系統(tǒng)（原書第3版）》，[美]RBryant&DO'Hallaron著，龔奕利等譯，機(jī)械工業(yè)出版社，2016.11八、大綱說明1.采用多媒體授課，運用講授、啟發(fā)式、案例式等多種教學(xué)手段。2.課后需要完成一定數(shù)量的習(xí)題或測試，以加深學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解和掌