【正文】 教育出版社，2006．[3]薛勝軍．計(jì)算機(jī)組成原理．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010．[4]薛勝軍．計(jì)算機(jī)組成原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006．[5]Patterson D A，Hennessy J L．Computer Organization and Design：The Hardware/Software Interface．China Machine Press，2006．本課程總計(jì)64課時(shí)，其中課堂講授48課時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)16課時(shí)。提供給學(xué)生微程序設(shè)計(jì)的仿真環(huán)境，使他們在仿真環(huán)境中，通過跟蹤指令的執(zhí)行過程，理解計(jì)算機(jī)部件的控制過程和原理。充分利用網(wǎng)絡(luò)，對同學(xué)所做習(xí)題中出現(xiàn)的問題及時(shí)糾正、反饋，提高學(xué)習(xí)效率。 教學(xué)方法（1） 啟發(fā)式和研究型的教學(xué)方法計(jì)算機(jī)組成原理屬于硬件類的課程，而通過語言描述硬件的構(gòu)成和原理比較抽象，有時(shí)也不太好理解。（3） 理論與實(shí)踐相結(jié)合，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，理解計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的工作原理，提高對部件的設(shè)計(jì)開發(fā)能力。（2）理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件與軟件的關(guān)系，具有一定的利用算法設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)功能部件的能力。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)達(dá)到如下能力：1. 掌握計(jì)算機(jī)組成的基本理論知識和工程基礎(chǔ)知識，了解計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。 圖1 課程內(nèi)容之間的關(guān)系圖教學(xué)目標(biāo)計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其教學(xué)目標(biāo)是：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。課程首先講述馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的五大部件：運(yùn)算器、控制器、I/O和存儲(chǔ)器系統(tǒng)。研究型教學(xué)內(nèi)容不占課堂學(xué)習(xí)學(xué)時(shí)，在實(shí)際教學(xué)的執(zhí)行中，可根據(jù)具體情況，選擇部分研究型教學(xué)內(nèi)容。教 案授課課程： 計(jì)算機(jī)組成原理 使用教材： 計(jì)算機(jī)組成原理 唐朔飛主編 課程類別： 必修課 授課班級： 計(jì)算機(jī)科學(xué) ___ 前 言本教案基于“ 面向21世紀(jì)課程教材”普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材唐朔飛編著的“計(jì)算機(jī)組成原理”第二版。在教學(xué)過程中，可綜合應(yīng)用各種教學(xué)手段和教學(xué)模式，包括混合式教學(xué)及翻轉(zhuǎn)課堂等，并充分利用慕課、微課等電子資源。然后，面向ALU和CU，從數(shù)據(jù)的表示方法、運(yùn)算方法、運(yùn)算部件、控制器講述計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)行原理。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，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識和基本實(shí)現(xiàn)方法。2. 能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和方法，對計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的實(shí)際問題進(jìn)行分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)。（3）掌握典型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的控制器的設(shè)計(jì)方法，具備對整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的基本能力。（4） 創(chuàng)建仿真環(huán)境，使學(xué)生能夠?qū)Σ考O(shè)計(jì)中相關(guān)的問題進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。根據(jù)上課的同學(xué)都有數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的特點(diǎn)，為了提高學(xué)習(xí)效率，采用啟發(fā)式的教學(xué)模式，以學(xué)習(xí)過的知識為基礎(chǔ)，提出問題，并啟發(fā)引導(dǎo)同學(xué)積極思維，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，在引入計(jì)算機(jī)組成原理的知識點(diǎn)，達(dá)到舉一反三、觸類旁通的目的。（3） 理論與實(shí)踐相結(jié)合計(jì)算機(jī)組成原理課程的部分內(nèi)容比較復(fù)雜，如微程序設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容，比較抽象，不易理解。充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室的作用，通過一系列的實(shí)驗(yàn)，使理論與實(shí)踐相結(jié)合，同學(xué)通過實(shí)際的操作、通過電路和程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試，達(dá)到課程的教學(xué)目標(biāo)?？傮w安排如下：序號知識單元（章節(jié)）知識點(diǎn)要求推薦學(xué)時(shí)1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成和指令的執(zhí)行過程了解2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)理解2運(yùn)算方法和運(yùn)算器進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換方法；定點(diǎn)小數(shù)和整數(shù)的表示，包括原碼、反碼、補(bǔ)碼和移碼表示掌握10定點(diǎn)數(shù)的移位運(yùn)算、原碼及補(bǔ)碼加減運(yùn)算的方法、溢出的概念與檢測方法掌握定點(diǎn)乘法運(yùn)算的工作原理掌握ALU的功能、設(shè)計(jì)方法和工作原理理解浮點(diǎn)數(shù)的表示和規(guī)格化表示方法，浮點(diǎn)運(yùn)算方法掌握3存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng)主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)與存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類、層次化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)了解 10SRAM、DRAM的組成和工作原理了解flash和只讀存儲(chǔ)器的組成和工作原理了解主存儲(chǔ)器與CPU的連接的方法掌握雙端口存儲(chǔ)器、多模塊存儲(chǔ)器的組成和工作原理理解Cache的基本工作原理，Cache和主存之間的映射方式, 替換策略掌握虛擬存儲(chǔ)器概念，理解段式、頁式、段頁式虛擬存儲(chǔ)器的工作原理, 替換策略理解4指令系統(tǒng)指令的基本格式及各個(gè)組成部分的功能理解4指令字?jǐn)U展的方法掌握指令和數(shù)據(jù)的尋址方式掌握5中央處理器CPU的基本組成和功能理解10典型指令的指令周期，能夠用方框語言表示指令周期掌握時(shí)序產(chǎn)生器的功能和工作原理了解微程序控制器的工作原理和設(shè)計(jì)方法掌握硬布線控制器的組成和工作原理理解流水線的工作原理了解6總線系統(tǒng)總線的功能、組成及性能指標(biāo)了解4集中仲裁方式和分布仲裁方式同步定時(shí)方式異步定時(shí)方式了解總線的控制方式和總線的通信方式掌握7輸入輸出系統(tǒng)I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu)，（3）理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的定義。（2）．基本要求①掌握進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換方法，掌握真值和機(jī)器數(shù)、BCD碼、字符與字符串、校驗(yàn)碼的表示方法。⑤理解ALU的功能、設(shè)計(jì)方法和工作原理。⑨了解算術(shù)邏輯單元ALU的功能和結(jié)構(gòu)。（2）．基本要求①了解主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)與存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類、層次化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。⑤了解雙端口存儲(chǔ)器、多模塊存儲(chǔ)器的組成和工作原理。難點(diǎn)：存儲(chǔ)器系統(tǒng)的組織。③掌握指令和數(shù)據(jù)的尋址方式。（2）．基本要求①掌握CPU的基本組成和功能。⑤理解硬布線控制器的組成和工作原理。6）總線系統(tǒng)（2學(xué)時(shí)）（1）．教學(xué)內(nèi)容總線概述，總線仲裁，總線操作和定時(shí)，總線標(biāo)準(zhǔn)。④掌握總線的控制方式和總線的通信方式。（2）基本要求①了解I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu)，（3）重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：外部設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行信息交換的原理、接口組成。2）運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)II實(shí)驗(yàn)?zāi)康模荷钊肓私釧M2901運(yùn)算器的功能與具體用法，掌握用AM2901完成各種運(yùn)算操作時(shí)各控制信號的使用，觀察指令執(zhí)行的結(jié)果對狀態(tài)標(biāo)志的影響；了解4片AM2901的級聯(lián)方式，深化運(yùn)算器部件的組成、設(shè)計(jì)、控制與使用等諸項(xiàng)知識。5）．微程序驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模孩?了解微程序控制器的功能、組成；② 理解典型機(jī)器指令的控制流程；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：看懂THunion教學(xué)計(jì)算機(jī)的功能部件組成和線路邏輯關(guān)系，然后分析教學(xué)計(jì)算機(jī)中已經(jīng)設(shè)計(jì)好并正常運(yùn)行的幾條典型指令（例如，ADD、MVRR、OUT、MVRD、JRC、CALA、RET等指令）的功能、格式和執(zhí)行流程，注意各操作功能所對應(yīng)的控制信號的作用。 ②確定中斷向量表地址。③填寫中斷向量表?？删帉懸凰姥h(huán)程序，要求先開中斷。 研究性教學(xué)訓(xùn)練載體的設(shè)計(jì)配合理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，在考慮學(xué)生的能力和時(shí)間的情況下，本課程安排了綜合性的研究性專題，專題名稱、研究內(nèi)容及相關(guān)的知識點(diǎn)如下表所示：專題名稱 研究內(nèi)容及要求 相關(guān)知識點(diǎn) 設(shè)置章節(jié) 設(shè)計(jì)一個(gè)容量 為64KB的采用低位交叉編址的8體并行結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器。第4章研究微程序控制器的設(shè)計(jì)過程和相關(guān)技術(shù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中斷工作的原理，中斷產(chǎn)生、響應(yīng)、處理等技術(shù)；中斷嵌套。 專題名稱 實(shí)驗(yàn)周次設(shè)置章節(jié) 交叉存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)第十周第十一周第4章微程序控制器及微指令設(shè)計(jì)第十三周第十四周第10章 中斷控制器及中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)第十四周第十五周第5章. 研究性專題指導(dǎo)書 研究性專題一：多體交叉存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)問題的提出：并行性是提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)效率的重要途徑。設(shè)計(jì)一個(gè)容量 為64KB的采用低位交叉編址的8體并行結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器。 l 考查知識點(diǎn)： （1）片選信號的產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)； （2）地址鎖存電路設(shè)計(jì)； （3）數(shù)據(jù)信號線的電路設(shè)計(jì)； （4）控制信號線的設(shè)計(jì)； （5）交叉存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)。微程序控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、便于調(diào)試和修改控制器功能等功能。l 考查知識點(diǎn)： （1）微指令格式； （2）微堆棧功能和使用方法；（3）微地址形成邏輯； （4）控制字段功能； （5）微程序方框圖l 需要注意的問題： （1）微指令轉(zhuǎn)移所依據(jù)的判斷條件 （2）CPU內(nèi)部總線數(shù)據(jù)來源的控制（3）控制字段中，ALU中通用寄存器的使用（4） 微程序的節(jié)拍控制微程序控制的結(jié)構(gòu)如下圖所示：研究性專題三：中斷控制器及中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)問題的提出：中斷是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中普遍采用的技術(shù)，是外設(shè)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的重要途徑。達(dá)到的效果如下：主程序顯示某個(gè)字符，當(dāng)按下某個(gè)鍵盤時(shí)，主程序被中斷，顯示與按鍵所對應(yīng)的另外一個(gè)字符。包括譯碼芯片的選擇、各個(gè)芯片的工作時(shí)序設(shè)計(jì)。 《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)時(shí)間為每周4學(xué)時(shí)，共計(jì)16周。（2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。理解馮諾依曼計(jì)算機(jī)中的五大部件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所起的作用，每個(gè)部件的基本工作原理。（2） 存儲(chǔ)器地址和單元的關(guān)系。再從組合邏輯和時(shí)序電路控制角度，啟發(fā)學(xué)生由一般機(jī)器層次向下理解微程序控制層次。（2）隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的常用指標(biāo)會(huì)不斷的提高。（2）總線特性及性能指標(biāo)。（6）總線的通信：同步通信和異步通信。使用總線的關(guān)鍵在于判別連接到總線的各個(gè)設(shè)備或部件的優(yōu)先權(quán)；設(shè)備或部件取得總線控制權(quán)后，以什么通信方式與總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。計(jì)數(shù)定時(shí)查詢方式：使用的線數(shù)中，優(yōu)先級容易改變，但速度比較慢。介紹微機(jī)系統(tǒng)中常用的PCI總線。PCI總線已成為了計(jì)算機(jī)的一種標(biāo)準(zhǔn)總線。（3）采用翻轉(zhuǎn)教學(xué)的方法，留一定的時(shí)間，給同學(xué)進(jìn)行討論和提問，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考，加深對于相關(guān)知識點(diǎn)的理解?？偩€判優(yōu)有兩種方法：集中仲裁方式和分布仲裁方式。首先從存儲(chǔ)器概述入手，介紹存儲(chǔ)器的分類和層次結(jié)構(gòu)，通過主存的單元、地址、技術(shù)指標(biāo)等概念引入半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片，靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM的讀寫時(shí)序以及動(dòng)態(tài)刷新的基本原理。具體要求為：（1）理解存儲(chǔ)器的分類和分級結(jié)構(gòu)；（2）掌握主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)、基本結(jié)構(gòu)和基本操作；（3）理解半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的基本組成和工作原理；（4）掌握主存儲(chǔ)器組織；（5）掌握CACHE的功能、基本原理、地址映像（直接映像方式）和替換策略；（6）掌握多體交叉存儲(chǔ)器的基本原理及地址交叉方法。（3）Cache地址映像案例：直接映像和全相聯(lián)映像方式下，CPU與Cache和主存的連接方式和訪問方式。（4）采用混合式教學(xué)，充分利用數(shù)字化教學(xué)資源包括文本、電子課件、視頻等幫助學(xué)生提高自學(xué)習(xí)能力，加深對于相關(guān)知識點(diǎn)的理解。 第五章輸入輸出系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)輸入輸出是計(jì)算機(jī)中的重要組成部件，它提供了人與計(jì)算機(jī)的交互的接口。具體要求為：（1）理解輸入輸出系統(tǒng)的概念和組成，I/O設(shè)備和主機(jī)的信息傳輸與控制方式；（2）掌握程序查詢方式的工作流程和查詢接口電路的工作原理；（3）掌握中斷的基本概念、中斷排隊(duì)、中斷向量地址的形成方法；（4）掌握中斷接口電路的工作原理和數(shù)據(jù)傳輸過程；（5）掌握中斷系統(tǒng)的構(gòu)成與中斷屏蔽技術(shù)；（6）理解DMA方式的特點(diǎn)、DMA的工作過程和DMA接口的功能與組成。（2）中斷向量地址的形成案例：通過中斷排隊(duì)電路、中斷向量地址形成部件和中斷向量表完成進(jìn)入中斷服務(wù)程序的方法。1，結(jié)合多媒體資源，形象地演示中斷入口地址的形成過程和進(jìn)入中斷服務(wù)程序的方法，幫助學(xué)生理解中斷的過程和中斷接口的工作原理。本章主要講授了計(jì)算機(jī)輸入輸出系統(tǒng)的硬件工作原理和軟件設(shè)計(jì)思路。本章主要討論了運(yùn)算方法和運(yùn)算器的工作原理。本章教學(xué)的目的是通過對運(yùn)算方法和運(yùn)算器的介紹，使得學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示，定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的加、減、乘等運(yùn)算方法，定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的溢出判別，以及提高進(jìn)位速度的ALU的工作原理。（1）真值轉(zhuǎn)換成原碼、補(bǔ)碼、反碼和移碼案例：通過這些案例，理解真值到各種碼制的變換以及各種碼制的轉(zhuǎn)換方法；（2）定點(diǎn)數(shù)的加減及溢出判別案例：通過補(bǔ)碼加減運(yùn)算來深化理解判斷溢出的“一位符號法”和“二位符號法”的含義，理解運(yùn)算溢出后的現(xiàn)象以及運(yùn)算溢出的實(shí)質(zhì)。1，結(jié)合多媒體資源，形象地演示運(yùn)算方法的具體步驟，ALU的進(jìn)位過程，幫助學(xué)生理解運(yùn)算方法和ALU的工作原理。本章主要講授了運(yùn)算方法和運(yùn)算器的工作原理。本章重點(diǎn)介紹指令系統(tǒng)的基本概念和基礎(chǔ)問題，幫助學(xué)生建立起指令系統(tǒng)的基本框架，加深軟硬件結(jié)合的理解。難點(diǎn)：各種尋址方式。（3） 翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)：由學(xué)生自主預(yù)習(xí)實(shí)際指令系統(tǒng)中各種尋址方式的工作原理和特點(diǎn)，采用先學(xué)后教的模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。 第八章 CPU的結(jié)構(gòu)和功能教學(xué)設(shè)計(jì) CPU是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。計(jì)算機(jī)中每一條指令的執(zhí)行，都需要時(shí)序的控制。 ①理解CPU的基本組成和各個(gè)部件的基本功能。難點(diǎn)是流水線概念的理解。說明時(shí)序信號的作用。即取指令分析指令執(zhí)行指令。計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的過程實(shí)際上就是逐條指令地重復(fù)上述操作過程，直至遇到停機(jī)指令可循環(huán)等待指令。（4）控制方式：包括同步控制、異步控制、聯(lián)合控制和人工控制?？刂破鞯目刂?