计算机组成原理课程介绍分析

精品课程建设中的体会哈尔滨工业大学唐朔飞2009年10月30日——计算机组成原理课程介绍精品课程建设中的体会课程目标和定位课程内容教材建设教学方法教学手段实践教学教学队伍计算机组成原理课程一、课程目标和定位同一名称的课程，不同的学校，不同的培养目标，不同的学生基础，在课程的深度和广度上应该不同。计算机组成原理课程哈工大是国家“985”重点建设的大学，哈工大计算机科学与技术学科被认定为国家一级重点学科，我们的人才培养理念是“研究型、个性化、精英式”人才。一、课程目标和定位本课程围绕单CPU计算机硬件系统的基本组成和工作原理，系统地讲述计算机硬件系统及其功能部件的内部结构、功能特征、工作原理、交互方式和基本设计方法，通过课堂教学和实践环节，使学生系统地理解计算机硬件系统的组织结构和工作原理，掌握计算机硬件系统的基本分析与设计方法，为进一步学习计算机系统结构、操作系统等后续课程，全面培养对计算机软硬件系统的认知、设计与创新能力奠定良好的基础。计算机组成原理课程一、课程目标和定位计算机组成原理课程认知能力：通过对计算机组成原理的分析、讲解和配套实验，培养学生计算机硬件的系统级认知能力。设计能力：掌握必要的硬件描述语言、设计工具及仿真环境，体验计算机硬件系统的设计过程，掌握相关硬件设计技术与方法，达到验证功能部件和系统功能的目的。创新能力：体会前人在特定的技术条件下的创新思维，结合新技术的介绍，大胆畅想未来的技术发展趋势，引领学生突破思维定势。二、课程内容计算机组成原理课程符合教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会发布的《高等学校计算机科学与技术专业公共核心知识体系与课程》和《高等学校计算机科学与技术专业实践教学体系和规范》二、课程内容计算机组成原理课程重点：计算机几大部件（存储器、运算器、控制器、输入输出系统及总线）的内部结构、组织方式和工作原理，以及部件和单元电路的设计思想。难点：如何以控制流和数据流为主线，将计算机各大部件联系起来，建立整机概念。如CPU与存储器、CPU和I/O、存储器与I/O之间的逻辑关系，控制器如何控制每一条指令的执行过程，控制单元的设计思想和实现方案等。三、教材建设计算机组成原理课程贯穿激发学生主动探求知识的理念，采用从整体框架入手，自顶向下，由表及里，层层细化的分析方法，详述计算机组成原理，诱发学生主动思索、激励学生主动探求解决各类问题的途径和手段。《计算机组成原理第2版》（唐朔飞编著，高等教育出版社）是“十一五”国家级规划教材，自2008年1月出版至今，已印刷5次，共90000余册。四、教学方法计算机组成原理课程填鸭似的灌入式学生参与思索的启发式激发学生主动探求答案积极性的激发式老师授课时在每个章节处安排疑点在每一堂课的前后连接处提出悬念激发学生学习的兴趣和探索的欲望，引导学生主动思考五、教学手段计算机组成原理课程配套的电子课件（随书出版）辅助教材《计算机组成原理——学习指导与习题解答》（唐朔飞，高教出版社2005年出版）化解课程中遇到的重点和难点，达到“自检”学习的效果试题库为教师提供试题参考教学网站提供教学大纲、教学设计、教学日历、学习指导、实验大纲、习题精选、互动论坛等各种教学资源集成发展有助于学生消化、吸收、理解、掌握课程内容六、实践教学计算机组成原理课程第一阶段基本技能的培养第二阶段部件综合设计能力的培养第三阶段系统设计能力的培养通过实验课，结合实验台完成验证型、设计型、综合型三种实验，进一步加深课堂教学的感性认识通过课程设计或“计算机设计实践”后续课完成通过“计算机设计与实践”后续课完成六、实践教学计算机组成原理课程“计算机设计与实践”是一门实践性很强的计算机组成原理的后续课程，实践环节占80%。要求学生学会一种硬件描述语言，熟练使用指定的芯片级开发工具和相应的调试手段，掌握系统级设计的过程和深入领会芯片级设计的层次化思想，设计并实现指定功能的处理器芯片，再利用该芯片搭建一个系统，完成访存控制操作和基本I/O控制操作，建立整机概念。六、实践教学计算机组成原理课程通过计算机部件设计和处理器设计，培养学生的系统分析与设计能力以及运用知识求解问题的能力。通过硬件描述语言的学习和开发工具的使用，训练学生的系统开发与调试能力，培养理论联系实际的能力，提高工程素质。七、教学队伍计算机组成原理课程教师队伍的建设是能否确保教学事业持续发展和不断创新的根本保证。强调教师队伍的知识结构。注重培养年轻教师的能力，要求他们不仅会“教”，还要求他们会“导”，参与本课程的各个环节，（听课、答疑、批改作业、讲习题、指导实验等），贯彻老带中、中带新，层层有指导，有督察。精品课程建设中的体会课程目标和定位课程内容教材建设教学方法教学手段实践教学教学队伍计算机组成原理课程计算机组成原理教学设计哈尔滨工业大学唐朔飞2009年10月30日计算机组成原理教学设计课程的内容体系教材选择课程讲授作业安排实验环节考题设计成绩评定一、课程的内容体系1．基本描述计算机组成原理教学设计课程名称：计算机组成原理课程英文名称：PrinciplesofComputerOrganization课程性质：计算机科学与技术专业必修的核心专业基础课总学时：68讲课学时：52实验学时：16先修课程：计算机导论、数字逻辑设计、汇编语言程序设计后续课程：计算机接口技术、计算机系统结构、操作系统等一、课程的内容体系2．教学定位计算机组成原理教学设计计算机组成原理是计算机科学与技术专业本科教学中的一门重要专业基础课，在计算机科学与技术专业的教学计划中占有重要地位和作用。学习本课程旨在使学生掌握计算机硬件各子系统的组成原理及实现技术，建立计算机系统的整体概念，对培养学生设计开发计算机系统的能力有重要作用。该课程为今后学习接口技术、计算机系统结构、嵌入式系统、操作系统、计算机网络等后续课程，全面培养学生计算机软硬件系统认识、设计与创新能力奠定良好的基础。一、课程的内容体系计算机组成原理教学设计（1）计算机系统的基本概念（3学时）计算机软硬件概念；计算机系统的层次结构；计算机的基本组成；冯•诺依曼计算机的特点；计算机的硬件框图及工作过程；计算机硬件的主要技术指标；计算机的发展及应用。（2）总线（3学时）总线的基本概念；总线的分类；总线特性及性能指标；总线结构；总线的判优控制和通信控制。3．知识点与学时分配一、课程的内容体系计算机组成原理教学设计（3）存储器（10学时）存储器分类和存储器的层次结构；主存储器（包括半导体储芯片简介、静态随机存取存储器和动态随机存取存储器、只读存储器、存储器与CPU的连接、存储器的校验、提高访存速度措施）；高速缓冲存储器（包括Cache的基本结构及工作原理、Cache-主存地址映射、替换算法）；辅助存储器（包括辅助存储器的特点及主要技术指标、磁记录原理和记录方式、磁盘存储器的结构、光盘存储器的存取原理）。3．知识点与学时分配一、课程讲授的内容体系计算机组成原理教学设计（4）输入输出系统（8学时）输入输出系统的发展概况及组成、I/O与主机的编址方式、传送方式、联络方式以及设备寻址；外部设备分类及简介；Ｉ/O接口的功能及基本组成；程序查询方式的工作原理及程序查询接口电路；程序中断方式的工作原理及程序中断接口电路、中断服务流程；DMA方式的特点、DMA接口电路的功能、组成、类型及DMA的工作过程。3．知识点与学时分配一、课程的内容体系计算机组成原理教学设计（6）计算机中数的表示（4学时）计算机中有符号数（原码、补码、反码、移码）和无符号数的表示；计算机中数的定点表示和浮点表示。（7）计算机的运算方法和运算器（8学时）定点运算（算术移位和逻辑移位、补码加减、原码补码乘法、原码补码除法）及相应的硬件配置；浮点四则运算；算术逻辑单元及进位链。3．知识点与学时分配一、课程的内容体系计算机组成原理教学设计（7）指令系统（4学时）机器指令的一般格式；操作数类型和操作类型；指令的地址格式和寻址方式；指令格式举例；RISC技术概述。（8）CPU的结构和功能（4学时）CPU的功能及结构框图；指令周期；指令流水；中断系统（包括引起中断的各种因素，中断系统所需解决的共性问题，如：中断请求标记、中断判优、中断响应、中断服务、中断返回、多重中断等）。3．知识点与学时分配一、课程的内容体系计算机组成原理教学设计（9）控制单元（4学时）微操作命令的分析（按取指周期、间指周期、执行周期和中断周期分析不同指令的微操作命令）；控制单元的外特性；多级时序系统；控制方式；控制信号实例分析。3．知识点与学时分配一、课程的内容体系计算机组成原理教学设计（10）控制单元的设计（4学时）组合逻辑设计：组合逻辑控制单元框图、微操作节拍安排、组合逻辑设计举例。微程序设计：微程序控制单元框图及工作原理、微指令的编码方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序设计举例。3．知识点与学时分配二、教材选择选用普通高等教育“十一五”国家级规划教材《计算机组成原理第2版》（唐朔飞编著，高等教育出版社，2008年1月）该教材是面向21世纪课程教材《计算机组成原理》的第2版。该教材根本上扭转了从二进制数制码制开始，接着按运算器、存储器、控制器、输入输出系统的顺序，逐一讲述计算机中各部件的传统写法，致使学生往往学了半个学期，仍不知其所以然，直到最后才将全部的内容连贯起来。这种自底向上的讲述方法，不易激发学生主动探求知识，也不利于“以学生为主”的教学方式。计算机组成原理课程二、教材选择本教材定位在原理和性能分析上。首先把学生领到计算机整体框架的制高点上，然后带领学生自顶向下，由表及里，层层细化，一步一步进入到计算机的内核，更有利于学生对计算机工作原理的理解。在深化过程中，每走一步会出现一系列悬念，每一个悬念又都启发学生主动从下一篇章寻求答案。因此在大框架的指导下，在深入细化的过程中，学生自觉的加深了对计算机的理解。在此过程中，由于突出了激发式教育，学生经过主动探求，使知识掌握得更加牢固。计算机组成原理课程三、课程讲授1．重点与难点计算机组成原理教学设计第1章计算机系统概论重点：计算机组成的概貌和框图；主机完成一条指令的信息流程难点：如何区分存放在存储器中的指令和数据第2章计算机的发展及应用本章属于综述性内容不存在重点及重点三、课程讲授1．重点与难点计算机组成原理教学设计第3章系统总线重点：总线的功能与结构；总线的性能指标；总线的判优控制和通信控制；如何克服总线的瓶颈难点：总线的通信控制三、课程讲授1．重点与难点计算机组成原理教学设计第4章存储器重点：存储系统的层次结构；主存、Cache的工作原理及技术指标；半导体体存储芯片的外特性及与CPU的连接；提高访存速度的措施。难点：对于一定容量的存储器，按字节或字访问的寻址范围；多体并行结构存储器顺序编址和交叉编址对访存速度的影响；Cache—主存地址映射。三、课程讲授1．重点与难点计算机组成原理教学设计第5章输入输出系统重点：主机与I/O交换信息的三种控制方式；程序查询方式、程序中断方式和DMA方式的各自特点、接口电路和工作原理。难点：处理I/O中断的各类软、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；周期窃取的含义；CPU响应中断请求和DMA请求的时间。三、课程讲授1．重点与难点计算机组成原理教学设计第6章计算机的运算方法重点：有符号数、无符号数、定点数和浮点数的表示；移位运算、定点补码加、减、乘、除运算；浮点补码加减运算；提高运算速度的措施。难点：机器字长相同的条件下，补码比原码和反码能多表示一个负数；区分浮点数和补码表示的浮点规格化数；在定点机和浮点机中，如何判断运算结果溢出；不同的机器数运算规则不同，直接影响运算器的硬件组成。三、课程讲授1．重点与难点计算机组成原理教学设计第7章指令系统重点：指令格式，寻址方式难点：设计指令格式扩展操作码技术的运用在可按字节和字寻址的存储器中，不同的机器其数据的存放方式是不同的三、课程讲授1．重点与难点计算机组成原理教学设计第8章CPU的结