《计算机组成与系统结构》课程教学大纲.docx

《计算机组成与系统结构》课程教学大纲一、课程基本信息
课程名称（中文）
计算机组成与系统结构
课程名称（英文）
Computer Organization and Architecture
课程类别1:
学科基础课
课程性质2
必修授课语言3 中文
授课学期
4
学分
4
课程学时及分配
总学时
讲课
实验
课外
64
48
16
16
适用专业
计算机科学与技术、软件工程、网络工程、物联网工程、信息平安
教材
秦磊华等，《计算机组成原理》，清华大学出版社，2020
授课学院
计算机与软件学院
先修课程
电子技术基础、程序设计基础、面向对象程序设计等
后续课程

课程简介
课程基本定位：”计算机组成与系统结构”是一门理论性、工程性、技术性和 实践性都很强的核心专业基础课程，在计算机学科系列课程中处于承上启下 的作用。课程以计算机内部总体结构为主线，涵盖数据表示表示、运算器、 控制器、存储器、输入/输出系统等主要内容。详细讨论计算机组织结构、各 主要功能部件的工作原理、设计与实现方法。课程着力加深学生对计算机软、 硬件系统的整体化理解，建立硬件/软件协同的整机概念，并有效增强学生的 计算机系统设计能力。课程主要教学内容与复杂工程问题的特征相呼应，学 生必须掌握深入工程原理并通过深入分析，才能建立相关复杂工程问题的原 理模型，并通过现代化工具设计硬件功能部件和简单计算机系统。
核心学习结果：通过相关教学活动，帮助学生理解冯诺依曼结构计算机的工 作原理，掌握计算机基本组成部件（包括运算器、存储器、控制器、存储器、 总线、输入/输出系统）的结构、工作原理、内部运行机制及硬件功能部件和 硬件系统的设计方法。建立硬/软件协同的整机概念，提升学生计算机系统的 分析与设计能力。
主要教学方法：围绕教学重点和教学难点，综合应用课堂讨论、作业、M00C 练习、课内实验、课程实践、课外阅读等教学形式。
大纲更新时间
2020.8
注：L课程类别：选填“通识核心课/通识拓展课/通修课/学科基础课/专业主干课/专业选修课/专业实践/ 素质拓展”2.课程性质：选填“选修/必修”
3.授课语言：选填“中文/双语/全英文或其他语种”
二、课程目标

尔的 Xeon 众 核处理 器+Xeon Phi加速 卡。美国 的反制 也让中 国无法 使用美 国的软 硬件。以 此事件 展开课 程思政 教育，核 心技术 要掌握 在自己 的手中 才能不 受^于 人，用这 些事件 鼓励学 生发奋 努力。

第六 章中 央处 理器
L本章的主要知识点包 括中央处理器的功能及 微体系结构、指令流程 与数据通路、硬布线控 制器及其设计、微程序 控制器及其设计。
2.教学重点
1）指令执行全过程的分
课内
10+课 外2+ 实验6
美国 intel 断 供浪潮 CPU事
件。浪潮 是中国 第一大、 全球第
1）熟悉中 央处理器 的基本功 能及其基 本结构；
2）掌握指 令周期的
概念，理
中央处理器是计 算机的核心，也 是复杂的数字系 统。本章的教学 要建立在简单模 型机基础上，教 学实施的主线 为：建立机器的
本章 教学 支持 的课 程目 标为 目标 1和

析与数据通路分析与设 计
正确分析指令执行的流 程、分析与设计指令执 行的数据通路是控制器 设计的基础；数据通路 的设计与指令功能、寻 址方式等因素有关，设 计中要利用数字逻辑电 路的基本知识，配合实 验完成。
2）微程序控制、硬布线 控制器的工作原理
3.教学难点
1）单周期、多周期
MIPS CPU的设计 单周期、多周期MIPS CPU的设计主要由独立 开设的《计算机组成原 理课程设计》完成，课 程教学阶段要让学生对 数据通路、微程序控制 器、硬布线控制等工作 原理有深刻理解。另外， CPU设计还要综合应用 数字电路与逻辑设计的 理论知识与工程知识， 还需要掌握硬件描述语 言及其应用。

三大月及 务器提 供商， 2020 年 QL浪潮 占中国 服务器 37.6% 的 市场份 额位居
第一，占 全球
9.6% 的 份额位 居第三。
2020 年 7 月2日，
美国
intel 公 司停止 向浪潮 集团提
供X86架 构 CPU, 消息短 短发出 一个小
时，浪潮 的市值 就蒸发
了 60 亿, 并一度 跌停。虽 然两天
后，intel
解指令周 期不同阶 段的任
务；
3）掌握指 令执行全 过程的分 析与数据 通路分析 与设计方 法；
4）掌握微 程序控制 器的工作 原理及微 程序控制 器的设计 方法；
5）掌握硬 布线控制 的工作原 理及硬布 线控制器 的设计方 法；
6）能熟练 使用
CPU设计 的常用工 具；
7）理解多 周期与单 周期的概 念、熟悉 单周期与
逻辑模型一细化 逻辑模型一控制 器设计一实现指 令执行目标。
围绕上述教学实 施主线，除讲授 外，本章的教学 还将通过讲练结 合、MOOC练习、 配套实验等方式 进行。
1）讲练结合 围绕逻辑模型的 建立、细化、控 制器设计等重点 内容，边讲边练， 确保重要教学内 容教学目标的达 成；
2）MOOC练习 完成计算机组成 原理MOOC平台 或精品资源共享 课平台提供的在 线练习和章节测 试。
3）配套实验 本章的教学内容 需要与计算机组 成原理课程设计 密切配合，要求 学生能设计满足 特定功能的CPU。
目标
3o
国产申 威

公司恢 复了 CPU 的供应， 但从中 我们看 到,我国 需要有 自主的 CPU产
品，只有 这样，我 们才不 会被掐
脖子。我 们可喜 的看到， 近年来， 以龙芯、 申威、海
思等为 代表的 国产CPU 已经逐 渐壮大 起来，
2020 年 6 月全球 超级计 算机
top500 最新榜
单中，国 产神威 太湖之 光采用
多周期
CPU的特 点；掌握 单周期、 多周期
MIPS CPU 的设计方 法；

SW26010
260C
1.45GHz
CPU,获
得全球
第4,中
国第一
的好成
绩。以此
案例展
开思政
教育，让
学生明
白关键
技术的
研究是
国家科
研实力
表达，将
这些科
研成果
与知识
点讲授
结合，可
以让学
生了解
具体的
科技创
新过程，
培养学
生的创
新意识
和团队

精神。

第七

1） 了解总

章总

结合学
线的特

线系

院教师
性、总线

统
L本章的主要知识点包 括总线的基本概念、总 线的连接方式、总线仲 裁和数据传输、总线标 准。通过教学要让学生 充分认识到总线在将各 功能部件连接构成系统 中的作用。
2.教学重点
1）总线连接与仲裁方 式；
2）总线性能指标及其计 算。
课内
3+课 外1
的科研 工程，讲 述这些 成果的 获得过 程，不仅
可以让 学生了 解取新 的科研
动态，还 能够通 过教师 的亲身 经历给 学生传 递创新 创业精
分类；熟 悉总线性 能指标及 计算方
法；
2）掌握总 线的常见 连接方式 及其特
占・ 八、、9
3）熟悉总 线的仲裁 方式及特
占・ 八、、9
4）熟悉总 线的定时 与数据传 输方式；
教学过程中要结 合数字电路与逻 辑设计课程中的 三态门。除课堂 讲授外，还将综 合应用MOOC练 习、作业等方式 辅助教学。
1）MOOC练习 完成计算机组成 原理MOOC平台 或精品资源共享 课平台提供的在 线练习和章节测
试。
2）课外阅读 总线标准
本章 教学 支持 的课 程目 标为 目标 1和 目标
4o

神和家
5） 了解总

国情怀。
线的标准

第八
1.本章的主要知识点包

结合学
1） 了解接
除课堂讲授外，
本章
章输
括接口的组织与功能、

院教师
口的功
还将综合应用
教学
入输
常用输入输出控制方式

的科研
能、基本
MOOC练习、作
支持
出系
（查询、中断、DMA、通
课内
2+课
外1
工程，讲
结构、接
业、课外阅读等
的课
统
道）。
2.教学重点
1）中断的基本概念、中
述这些 成果的 获得过
口编址；
2）熟悉查 询输入输
方式辅助教学。
1）MOOC练习
完成计算机组成
程目 标为 目标

断请求与响应的原理与

程，不仅
出方式的
原理MOOC平台
1和

过程；

可以让
工作原
或精品资源共享
目标

2）常见输入输出方式的

学生了
理；
课平台提供的在
2o

性能计算。
3 .教学难点
1）中断机制的实现
课程教学阶段要让学生 对中断的工作原理有深 刻理解，提供设计和实 现中断机制所需要的理 论知识。

解最新 的科研 动态，还 能够通 过教师 的亲身 经历给 学生传 递创新 创业精 神和家 国情怀。
3）掌握中 断的基本 概念、中 断请求与 响应的原 理与过
程；
4）掌握 DMA方 式的工作 原理；
线练习和章节测 试。
2）作业
总线性能指标及 其计算，通过计 算比拟不同输入 输出方式的特 点，为根据应用 需要选择输入输 出方式奠定基 础。
3）课外阅读 Linux中断机制及 其实现

第九 章并 行计 算机 系统

课内
2+课 外2
2020 年 6 月全球 超级计 算机 top500 最新榜
单中，国 产神威 太湖之 光采用 国产申
威
SW26010 260C
1.45GHz CPU,获 得全球
第4,中 国第一 的好成
绩。以此
重点掌握 计算机系 统中的并 行性概
念，了解 向量处理 机、阵列 处理机、 多处理机 系统、机 群系统、 网格计算 和云计
算。

案例展 开思政 教育，让 学生明 白关键 技术的 研究是 国家科 研实力 表达，将 这些科 研成果 与知识 点讲授 结合，可 以让学 生了解 具体的 科技创 新过程， 培养学 生的创 新意识 和团队 精神。

注：1.思政融入点：至少写3条，简述该课程教学中将思政教育内容与专业教育内容有机融合的知识点（下 同）。
2.学生学习预期成果：描述学生在学完本节内容后应获得的知识、能力或素养水平（下同）3.教学方式:包括讲授、讨论、案例、演示等，但不限于所列，根据课程实际需要列举

四、实践（实验或实习）教学I
编 号
实验或实习 工程名称
教学内容
学时
实验或实 习类型2
思政融入点
学生学习 预期成果
课程 目标
1
Logisim 实验
环境-
1位全加器设计
2
验证性
美国intel断 供浪潮CPU事 件。浪潮是中 国第一大、全
Logisim 快 速入门 熟悉 Logisim 基本功能，常用
2

球第三大服 务器提供商， 2020 年 Q1, 浪潮占中国 服务器37.6% 的市场份额 位居第一，占 全球9.6%的 份额位居第 三。2020年7 月2日，美国 intel公司停止 向浪潮集团
提供X86架构 CPU,消息短 短发出一个 小时，浪潮的 市值就蒸发 了 60亿，并 一度跌停。虽 然两天后，
intel公司恢复 了 CPU的供 应，但从中我 们看到，我国 需要有自主
的CPU产品， 只有这样，我 们才不会被 掐脖子。我们 可喜的看到， 近年来，以龙 芯、申威、海 思等为代表
的国产CPU已 经逐渐壮大
起来,2020年 6月全球超级 计算机 top500最新 榜单中，国产 神威太湖之 光采用国产 申威
操作
熟悉 Logisim 基本组件库
掌握 Logisim 自动生成电路 的方法

2
运算器实验-
快速加法器设 计实验/32位 ALU设计实验 (二选一)
2
设计性
训练学生能对 多种ALU设计 方法、工具、环 境进行评价和 选择的能力。深 刻理解理解快 速加法器构建 基本原理、
2
3
补码一位乘法
器设计
补码一位乘法 器
2
设计性
理解一位乘法 器、阵列乘法器 以及流水乘法 器、ALU构成的 基本原理
2
4
存储器扩展-1
已矢口 RAM和
ROM的寻址范
围设计
2
设计性
1.深刻理解 存储器工作原 理与扩展方法； 2.掌握基于 现代化工具设 计存储器扩展 电路的方法；
2
5
存储器扩展-2
设计一个汉字 存取与显示系 统，比照显示写 入和读出的信 息
2
综合性
结合数据表示 和所设计的存 储扩展电路，设 计一个汉字存 取与显示系统， 比照显示写入 和读出的信息；

6
直接映射
Cache设计
给出主存地址、
Cache行数、每块
字节数自主设计
2
设计性
1.深亥IJ理解 高速缓冲 器(cache) 的工作原 理和相联 存储器的 工作原理；
2.掌握基于现 代化工具设计 Cache控制器， 并通过Cache 读操作理解

注：1.此表可用于课内实践教学环节或某门综合实践课程

SW26010
260C 1.45GHz CPU,获得全 球第4,中国 第一的好成 绩。以此案例 展开思政教 育，让学生明 白关键技术 的研究是国 家科研实力 表达，将这些 科研成果与 知识点讲授 结合，可以让 学生了解具 体的科技创 新过程，培养 学生的创新 意识和团队
精神。
Cache控制器 的工作原理

7
简单数据通路 模型
MIPS指令
2
验证性
熟悉常用
MIPS指令

8
复杂数据通路 模型
常用指令数据 通路分析
2
验证性
熟悉方框 图

2.实验类型：选填”验证性/综合性/设计性”；实习类型：选填“认识实习/生产实习/毕业实习”
五、课程评价（一）考核内容、考核方式与课程目标对应关系
课程目标
考核内容
课程目标在各考核方式中占比1
实验 成绩
课程 作业
期中 考试
期末 考试
MOO C学 习
目标1：使学生深刻理 解冯诺依曼结构计算机 的工作原理，掌握运算 器、存储器、指令系统、 控制器、存储器、总线、 输入/输出系统的结构 和工作原理；建立软硬 协同的系统观，能利用 上述知识对计算机系统 设计方案和模型进行推 理和验证；
各章知识点中的原理和方法
30%
25%
25%
50%
20%
注：1.课程目标在考核方式及占比：主要根据课程目标自行设计和制定多元化考核方式，表中所列仅为参 考（红色数据可删除）。但所列考核方式必须覆盖全体学生，可根据当学期具体教学情况酌情调整。
目标2：掌握CPU性 能评估方法、高速缓 冲存储器与虚拟存 储器的相关性能分 析与计算、数据表示 和运算方法、指令格 式的优化设计、输入 输出系统等基本量 化手段，能运用科 学方法对计算机复 杂工程问题解决过 程中的关键影响因 素进行分析，具备验 证解决方案的合理 性和对方案优化的 能力；
各章知识点中的计算、编码、性能分析、 电路工作原理分析、指令设计与分析
10%
35%
35%
35%
35%
目标3：使学生掌握 满足特定功能要求 的运算器、控制器、 存储器等硬件功能 件及计算机硬件系 统的设计流程和设 计方法，具备硬件系 统的开发能力
各章知识点中的计算机硬件系统的设
计、设计方法
50%
35%
35%
35%
35%
目标4： 了解计算机 开展历史和现状，并 行计算机系统，掌握 计算机开展过程的 标志性技术革新。

10%
5%
5%
5%
10%
合计
100%
100%
100%
100%
100%
各考核方式占总成绩权重（自行赋值）
10%
10%
10%
50%
20%
2.各考核方式占总成绩权重：根据课程实际情况对各考核方式占总成绩的权重予以赋值。
（二）考核方式评分标准1.课程作业评分标准
课程目标
评分标准
占比

序号
课程目标（参考培养目标、毕业要求、 课程定位）
1
目标L使学生深刻理解冯诺依曼结 构计算机的工作原理，掌握运算器、 存储器、指令系统、控制器、存储器、 总线、输入/输出系统的结构和工作 原理；建立软硬协同的系统观，能利 用上述知识对计算机系统设计方案 和模型进行推理和验证；
2
目标2：掌握CPU性能评估方法、局 速缓冲存储器与虚拟存储器的相关 性能分析与计算、数据表示和运算方 法、指令格式的优化设计、输入输出 系统等基本量化手段，能运用科学 方法对计算机复杂工程问题解决过 程中的关键影响因素进行分析，具备 验证解决方案的合理性和对方案优 化的能力；
3
目标3：使学生掌握满足特定功 能要求的运算器、控制器、存储 器等硬件功能件及计算机硬件 系统的设计流程和设计方法，具 备硬件系统的开发能力；
4
目标4： 了解计算机开展历史和 现状，并行计算机系统，掌握计 算机开展过程的标志性技术革 新。

支撑毕业要求指标点1
达成途径
1.3掌握计算机专业基 础知识，能运用计算机 基础理论及专业知识， 分析计算机复杂工程问 题中各要素间的内在联 系及相互影响，综合给 出适当的解决途径
综合应用课堂讨 论、作业、MOOC 练习、课内实 验、课程实践、 课外阅读等教学 形式。
2.2对计算机复杂工程 问题的一个系统或者过 程，选择或建立一种模 型，对关键影响因素进 行分析、求解和验证
综合应用课堂讨 论、作业、MOOC 练习、课内实 验、课程实践、 课外阅读等教学 形式。
3.1能应用计算机硬件 基础理论及专业知识， 为计算机复杂工程问题 解决方案设计与实现满 足特定需求的硬件模块 /硬件系统
课内实验、课程 实践、课外实践
12.1能认识到计算机技 术日新月异的开展特 点，认同自主学习和终 身学习的必要性，具有 自主学习和终身学习的 意识
综合应用课堂讨 论、课外阅读等 教学形式。
注：1 .支撑毕业要求指标点：选填项。需要进行专业认证，有毕业要求指标点可参照的课程必填，无明确 毕业要求指标点可参照的可不填。
三、理论教学内容
章标 题
教学内容
学时
思政融 入点1
学生学习
预期成果
2
教学方式3
课程 目标

90-100 （优）
80-89 （良）
70-79 （中）
60-69 （及格）
0-59
（不及格）

目标1
按时提交 作业,概念 准确，验证 结果正确， 分析充分， 论述清晰， 层次清楚。
按时提交作 业，概念准 确，验证结 果大多正 确，分析较 充分，论述 清晰，层次 清楚。
按时提交作 业,概念基 本准确，验 证结果存在 少量错误， 分析不充 分，论述基 本清晰。
介于中和
及格之间
未按时交 作业，概念 欠准确，验 证结果错 误较多。
25%
目标2
按时提交 作业，概念 准确，计算 结果正确， 分析充分， 论述清晰， 层次清楚。
按时提交作 业，概念准 确，计算结 果大多正 确，分析较 充分，论述 清晰，层次 清楚。
按时提交作 业，概念基 本准确，计 算结果存在 少量错误， 分析不充 分，论述基 本清晰。
介于中和 及格之间
未按时交 作业，概念 欠准确，计 算结果错 误较多。
35%
目标3
按时提交 作业，概念 准确，仿真 结果正确， 分析充分， 论述清晰， 层次清楚。
按时提交作 业，概念准 确，仿真结 果大多正 确，分析较 充分，论述 清晰，层次 清楚。
按时提交作 业，概念基 本准确，仿 真结果存在 少量错误， 分析不充 分，论述基
介于中和 及格之间
未按时交 作业，概念 欠准确，仿 真结果错 误较多。
35%
目标4
按时提交 作业,概念 准确，分析 充分，论述 清晰，层次 清楚。
按时提交作 业，概念准 确，分析较 充分，论述 清晰，层次 清楚。
按时提交作 业，概念基 本准确，存 在少量错 误，分析不 充分，论述 基
介于中和 及格之间
未按时交 作业,概念 欠准确，错 误较多。
5%
目标2
根据期中、期末考试的试卷评分标准进行评定。
35%

2.期中/期末考试评分标准（笔试类评分标准可在大纲中按以下格式予以说明，也可在通过 “试卷分析表”予以说明）目标1根据期中、期末考试的试卷评分标准进行评定。25%
课程目标
评分标准
占比
90-100 （优）
80-89 （良）
70-79 （中）
60-69 （及格）
0-59
（不及格）

目标3
根据期中、期末考试的试卷评分标准进行评定。
35%
目标4
根据期中、期末考试的试卷评分标准进行评定。
5%
1）作业成绩：10%。作业将引导学生复习和巩固讲授的内容（基本理论、基本方法、基本 理论分析与计算、课外阅读报告等），主要考察作业完成率和完成质量。
2）M00C学习成绩:20%。主要考察学生M00C平台学习任务完成的数量和质量。本课程建 设了 M00C课程，每章都设置了独立测试环节，课程设置了期末考试环节、问题讨论环节。 M00C学习成绩由上述三个局部构成，其中8章共10次独立测试占M00C学习成绩的80%、问 题讨论占M00C学习成绩的20%0 M00C学习成绩考核与评价标准：根据M00C平台的测试成绩 自己评分结果统计各课程目标的成绩；M00C平台的讨论成绩根据平台自动统计的结果中学 生参与讨论的数量和质量来评定。
3）实验成绩：10%。主要考察学生educoder. net平台实验结果验证和提交实验报告的质 量。成绩由上述两局部构成，各占50%。
4）期中考试成绩：10%。主要考察学生阶段性学习质量。
5）期末考试成绩：50%o主要考核计算机组成原理基础知识和基本能力的掌握程度，是对 学生学习情况的全面检验。考试强调对计算机组成的基本概念、基本方法和技术的掌握，并 通过综合型试题考核学生运用所学知识解决复杂工程问题的能力。考试采用书面闭卷考试形 式。题型为选择、分析、设计、综合应用等题型。
注：考核方式和课程目标在考核方式中占比应与“（一）考核内容、考核方式与课程目标对应关系” 一 致。所列考核环节，除了笔试类均须依次给出评分标准，格式同上。笔试类课程考核评分标准可以在本课 程大纲里进行说明，也可以通过提交“试卷分析表”予以说明。
五、参考书目及学习资料
1 .白中英等，计算机组成原理（第六版.立体化教材），科学出版社，2019.10；
2 .张晨曦、王志英，计算机系统结构（第二版），清华大学出版社，2014.10；
3,唐朔飞等，计算机组成原理（第2版），高等教育出版社，2018.2;
4 .薛胜军等，计算机组成原理（第四版），清华大学出版社，2017.11
第• 章计
1.本章的主要知识点包 括冯诺伊曼计算机的工

1） 了解国
围绕教学重点和 教学难点，综合

算机
作原理、基本组成及各

际、国内
应用课堂讨论、

系统
局部的主要功能；计算

计算机发
作业、MOOC练

概论
机软/硬件互动关系；计

展的历
习、课外实践、

算机系统的层次结构；

在讲解
史；
课外阅读等教学

CPU性能公式及性能评

国内计
2)掌
形式。

价方法

算机发
握冯诺伊
1）课堂讨论

2.教学重点

展的历
曼计算机
围绕不同CPU性

1）冯诺伊曼计算机的工

史时引
的工作原
能评价指标的内

作原理

入典型
理、基本
涵和局限性、CPU

这是计算机组成原理课

人物突
组成及各
的性能能否被精

程的出发点，要求学生能

出他们
局部的主
确测量等问题展
本章

深刻理解存储程序和程

的贡献，
要功能；
开。
教学

序控制的内涵，并介绍课

通过对
3） 了解计
2）作业
支持

程后续章节中哪些是围

这些人
算机软/
围绕CPU性能评
的课

绕“存储程序”展开，哪
课内
物事迹
硬件互动
价的计算布置。
程目

些是围绕“程序控制”
3+课
的挖掘，
关系；
3)M00C练习
标为

展开。
外2
可以更
4）熟悉计
完成计算机组成
目标

2）计算机系统的层

好地激
算机系统
原理MOOC平台
1、目

次结构

发学生
的层次结
或精品资源共享
标2

熟悉计算机系统的具体

的学习
构，了解
课平台提供的在
和目

层次结构，分析采用层

热情和
不同层次
线练习和章节测
标4

次结构的意义和不同层

培养学
的抽象特
试。

次抽象的特点，理解透明

生的爱
占・
八、、9
4）课外实践

性概念。

国情怀，
5）熟悉常
要求学生下载主

3 .教学难点

以此教
见计算机
流性能测试工

1）CPU性能公式及

育学生
系统的性
具，对同寝室多

CPU性能评价方法

为国争
能评价指
台计算机进行性

理解不同性能评价指标

光。
标，掌握
能测试，并分析

的内涵和利用其评价

CPU性能
性能测试结果，

CPU性能的局限性

公式及性
将测试的结果应

能评价方
用于本章的课堂

法。
讨论。5）课外阅读 阅读关于中国计

算机开展历史的 文献。

第二 草 数据 信息 的表 示
L本章的主要知识点包 括数据的机器级表示及 其不同数据表示的特 点；浮点数据表示（包括 表示形式、规格化、数 据表示范围和IEEE754 标准）；常见的数据校验 方式（奇偶校验、海明校 验和CRC校验）及其特 点。
2 .教学重点 1）补码及其性质 将本章的补码数据表示 与下一章基于补码的运 算方法与运算器设计统 一规划，通过上述系列 内容的教学，让学生深 刻理解补码数据表示的 优点。
2）校验码的原理与 特点
让学生理解采用校验码 的意义、掌握奇偶校验、 海明校验、CRC校验的 编码与校验方法。理解 不同校验码的特点及其 应用的局限性； 3 .教学难点
课内
5+课 外2
以汉字 编码引 入课程 思政内 容，引导 学生树 立舍己 为国的 正确价 值观。
1）熟练掌 握数据的 编码表示 （原码、反 码、补码、 移码）；
2）掌握定 点数与浮
J业乙”乙44=1 点数数据 表示范围 的计算方 法、规格 化浮点数 的概念及 规格化方 法；3） 了 解非数值 信息的编 码表示， 尤其是汉 字编码； 4）掌握奇 偶校验、 海明校 验、CRC 校验的方 法、特点； 5）熟悉常
围绕教学重点和 教学难点,综合应 用课堂讨论、作 业、MOOC练习、 课外实践、课外阅 读等教学形式。
1）课堂讨论 围绕不同校验方 法的局限性展开；
2）作业 围绕校验方法、浮 点数据表示等内 容布置；
3）M00C练习 完成计算机组成 原理MOOC平台 或精品资源共享 课平台提供的在 线练习和章节测 试。
4）课外阅读 IEEE 754浮点数 标准、WINDOWS 记事本编码格式 差异等
本
Vr. 早 教 学 支 持 的 课 程 目 标 为 目 标2 和 目 标
4o

1）浮点数表示范围 理解浮点数据表示中阶 码和尾数的尾数与符号 与浮点数据表示范围的 关系，这是计算浮点数 据表示范围的关键。
2）校验电路设计方 法
校验电路的设计主要由 课外spoc学习完成，课 程教学阶段要让学生通 过对校验原理的深刻理 解，掌握相应校验电路 的设计方法。

见计算机 系统的性 能评价指 标，掌握 CPU性能 公式及性 能评价方 法。

第三 章运 算器 方法 与运 算器
1 .本章的主要知识点包 括定点数的加减运算方 法、溢出检测及实现， 定点数乘、除法运算及 实现，定点运算器组成 与结构，浮点数四那么运 算及实现。
2 .教学重点
1）定点数加、减运算及 其运算器设计
统筹考虑有符号数和无 符号数的加、减运算及 运算器设计方法。
2）定点数乘、除运算及 其运算器设计
3 .教学难点
1）溢出检测
统筹考虑有符号数和无 符号数的加、减运算的 溢出检测方法与检测电
课内
8+课 外2+ 实验6
介绍图 灵奖及 各种赛 事引导 学生参 加各类 竞赛,提 高实践 能力，为 社会创 造价值。
1.教学目 标
1）掌 握定点数 的加减运 算方法、 溢出检测 及实现；
2）掌 握定点数 乘法、除 法方法及 实现；
3）掌握定 点运算器 结构及设 计方法；
4） 了解浮 点数四那么 运算，掌
围绕教学重点和 教学难点，综合 应用课堂讨论、 作业、MOOC练
习、实验。
1）课堂讨论
本章课堂讨论主 要围绕硬件溢出 检测对程序设计 的支持展开；
2）作业
木章课堂讨论主 要围绕溢出检
测、定点数乘法 和除法运算布
置；
3）M00C练习 完成计算机组成 原理MOOC平台 或精品资源共享
本章 教学 支持 的课 程目 标为 目标 工、目 标2 和目 标3

路设计。
2）并行进位电路设计
让学生深刻理解并行进 位的必要性，掌握基于 硬件迭代设计分级并行 进位电路的原理和方 法。
3）运算器设计
运算器设计主要由实验 完成，课程教学阶段要 让学生通过对定点数 力口、减、乘、除运算方 法的深刻理解，掌握支 持相应运算功能的运算 器的设计方法。包括与 溢出检测电路、并行进 位电路的有机集成。

握浮点数 加、减运 算及溢出 判断方
法；
课平台提供的在 线练习和章节测 试。
4）运算器设计主 要由实验完成，

第四 章存 储器 系统
L本章的主要知识点包 括存储体系的结构，常 见半导体存储器的工作 原理和内部结构，存储 器数据组织，存储扩展， Cache存储器的工作原 理，虚拟存储器的工作 原理等内容。通过本章 的学习，还要帮助学生 充分认识到存储系统的 数据放置方式、程序的 访问行、Cache的组织方 式与存储系统访问性能 之间的关系，从而帮助 学生认识到存储系统层 次的硬件与软件的协同
课内
12+课 外3+ 实验6
美国切 断华为 全球芯 片代工 来源事
件。2020 年5月 15日， 美国对 华为使 出终极
杀手铜， 限制全 世界所 有半导
体厂（包
1）掌握 存储体系 的工作原 理、构成 及各层次 的作用；
2）掌 握 SRAM、 DRAM 的 工作原 理；了解 ROM的 工作原理 与分类； 3）掌握主 存储器的
围绕教学重点和 教学难点，综合 应用课堂讨论、 作业、MOOC练 习、课外阅读、 实验。
1）课堂讨论 本章课堂讨论围 绕DRAM的速度、 程序性能与 Cache的关系、经 常进行磁盘空间 整理的意义等开 展；
2）作业 本章课堂讨论主
本章 教学 支持 的课 程目 标为 目标
1和 目标
2

关系。

括芯片
组成、扩
2.教学重点

代工、
展与控制
1）存储扩展与地址计算

IDM
方法；
将存储字扩展与芯片的

厂），只
4）熟悉相
全局地址范围计算有机

要有使
联存储器
结合，能完成包括非连

用到美
的工作原
续地址空间与特殊存储

国软件
理；掌握
地址扩展的存储扩展；

和设备，
Cache 的
2）Cache的工作原理

在为华
工作原
深刻理解Cache内部结

为生产
理、常见
构、不同映射方式下主

芯片之
地址映射
存地址划分方法、Cache

前，都需
方式、替
数据载入与查找的过程

要获得
换算法；
与查找电路、Cache的相

美国政
5）掌握页
关性能分析与计算（包

府的许
式虚拟存
括局部性分析、Cache

可证。这
储器的工
命中率等）。通过本知识

一次美
作原理；
点的教学，让学生深刻

国是要
6）掌握辅
理解存储系统层次软件

切断华
助存储器
与硬件的互动关系，建

为全球
的种类与
立软硬协同的思想。

所有芯
技术指
3）页式虚拟存储器的工

片代工
标；了解
作原理

来源，这
磁盘整列
掌握页式虚拟存储器的

等同于
技术与容
工作原理，熟悉虚拟地

美国以
错支持。
址转换成物理地址的原

国家力

理与过程，能完成与页

量全面

式虚拟存储器相关性能

封杀华

分析与计算。

为。以此

3 .教学难点

事件展

1）包含 TLB、Cache

开思政

和主存的存储体系的工

教育，在

作原理与地址转换

这种情

掌握包含虚拟存储器、

况下，对

Cache和主存的存储体

学生强

要围存储扩展、 Cache与虚拟存 储器等相关的性 能分析与计算等 内容布置；
3）M00C练习
完成计算机组成
原理MOOC平台
或精品资源共享
课平台提供的在
线练习和章节测
试。
4）课外阅读
Cache工作
原理的外文资
料、关于存储体
系研究和业界的
新进展。
5） Cache 设 计、存储器系统 设计主要由实验 完成

系的工作原理及从虚拟 地址到实地址的转换过 程。
2）Cache的设计
Cache设计主要由实验 完成，课程教学阶段要 让学生对Cache的工作 原理有深刻理解，提供 设计Cache所需要的理 论知识。

调自主 可控的 重要性，
增强学 生的忧 患意识。

第五 章指 令系 统
L本章的主要知识点包 括指令格式、寻址方式、 指令格式设计、MIPS指 令等内容。通过本章教 学让学生认识到指令系 统是硬件与软件的界 面，指令系统的格式与 硬件相关联。2 .教学重点 1）操作数寻址方式 深刻理解不同数据寻址 方式的工作原理与特 点，能根据约束条件选 择最优化的数据寻址方 式；
2）指令格式设计 能根据约束条件，设计 指令格式。
3 .教学难点
1）操作码扩展 掌握操作码向地址码扩 展的方法。
2）指令格式的优化设计 综合应用操作码扩展、 地址码优化和应用约束 条件，进行指令格式的
课内
3+课 外1
2015 年， 美国政 府禁止 本国企 业向跟 世界上 最快的 超级计 算机相 关的中 国设施 出口技
术，国家 超级计 算长沙
中心、广 州中心、 天津中 心和国 防科技 大学四 家国家 超算中 心被列 入出口
1）掌握指 令格式及 各局部的