2023D00012-计算机组成与体系结构-2023版人才培养方案课程教学大纲.docxVIP

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ADDINCNKISM.UserStyle《计算机组成与体系结构》课程教学大纲

（理论课程·2023版）

一、课程基本信息

课程号

2023D00012

开课单位

网络空间安全与计算机学院

课程名称

（中文）计算机组成与体系结构

（英文）ComputerOrganizationArchitecture

课程性质

必修

考核类型

考试

课程学分

3

课程学时

51

课程类别

学科基础课程（学科核心课）

先修课程

电子线路与数字逻辑

适用专业（类）

计算机科学与技术、信息安全、人工智能

二、课程描述及目标

（一）课程简介

“计算机组成与体系结构”是计算机专业一门重要的专业核心课，主要涉及有关计算机硬件系统与体系结构的基本概念、基本原理、设计原则、量化分析方法和实现技术。主要内容包括：计算机系统和体系结构及并行性概念的发展、总线系统、存储系统、外围设备、输入/输出系统、信息的表示、运算方法和运算器、指令系统、CPU的功能与结构、控制器的功能与设计、流水线的基本概念和性能分析、流水线的相关问题、向量处理机、Cache的基本知识及提高性能的方法、多处理机的存储体系结构、互联网络、同步机制、以及多线程技术等。

（二）教学目标

通过本课程的学习，使学生掌握计算机单处理机系统中硬件组成与结构的基础知识，尤其是将各基本组成部件有机连接构成整机系统的方法，建立计算机系统的整体概念；掌握计算机体系结构的基本概念、基本原理、设计原则及量化分析方法，逐步建立计算机系统整体概念，培养计算机系统结构的分析和设计能力。

课程目标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。

课程目标2：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。

课程目标3：掌握CPU性能评估方法、高速缓冲存储器的相关性能分析与计算、数据表示和运算方法、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，验证解决方案的合理性。

三、课程目标对毕业要求的支撑关系

毕业要求指标点

课程目标

权重

1-3能够将相关工程专业知识和数学分析方法用于推演、分析复杂工程问题

课程目标1

0.5

1-4能够利用系统思维的能力，将工程知识用于专业工程问题解决方案的比较与综合。

课程目标2

0.2

2-2能基于相关科学原理和数学模型方法正确表达和分析复杂工程问题

课程目标3

0.1

2-4能运用基本原理，借助文献研究，并从可持续发展的角度分析工程活动过程的影响因素，获得有效结论

课程目标3

0.1

3-2能够针对工程的特定需求，完成硬件单元和软件模块设计

课程目标3

0.1

四、教学方式与方法

（一）教学方式

课堂讲授、课堂讨论、实验实践相结合。

（二）教学方法

充分发挥多媒体教学法的优势，通过图表展示、动画演示等直观地演示硬件工作过程及相关设计过程与实现方法；通过启发式教学和案例式教学，结合实验课教学内容，使学生掌握计算机体系结构的基本概念、基本原理、设计原则及量化分析方法；建立整机的概念，培养学生从总体结构、系统分析这一角度来研究和分析计算机系统的能力。

五、教学重点与难点

（一）教学重点

定量分析方法、存储器、运算器、控制器的硬件组成及其基本工作原理，流水线技术、指令级并行技术、Cache的基本知识及提高性能的方法、多处理机系统、I/O系统。

（二）教学难点

存储器与CPU连接、运算器的设计方法、指令系统设计、微程序控制器的组成和设计、流水线技术、指令级并行技术、Cache的基本知识及提高性能的方法、多处理机系统。

六、教学内容、基本要求与学时分配

序号

教学内容

基本要求

学时

教学

方式

对应课程目标

1

第1章概论

学习计算机系统的基本知识，要求学生了解计算机的分类与应用，掌握计算机的硬件组成，了解软件与硬件的关系以及计算机系统的多级层次结构，掌握计算机体系结构、计算机组成与计算机实现的定义及三者之间的关系，理解透明性、虚拟机的概念，理解系列机和软件兼容的基本思想，掌握定量分析技术基础（计算机性能评测的基本概念，测试程序，性能设计和评测的基本原则，Amdahl定律，CPU的性能公式）。

2

讲授

课程目标1

课程目标3

2

第2章系统总线

学习计算机中总线系统的相关知识，要求学生掌握总线系统的一些基本概念和基本技术，在此基础上，重点了解PCI总线的基本知识。

3

讲授

课程目标1

课程目标2

3

第3章存储器

学习计算机存储系统的基本知识，要求学生了解存储器的分类，掌握计算机中存储层次的组织结构，了解半导体存储器的工作原