《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》

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1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱 一、課程基本信息 課程代碼:16165104 課程名稱:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ) 英文名稱:Introduction of Computer System 課程類別:學(xué)科基礎(chǔ)課 學(xué) 時(shí): 64 ,其中實(shí)驗(yàn) 26 學(xué)時(shí) 學(xué) 分: 4 適用對(duì)象: 軟件工程專業(yè) 考核方式:考試 先修課程: C 語(yǔ)言 二、課程簡(jiǎn)介 本課程是軟件工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課,課程從程序員的角度來(lái)講解計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 解釋計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念,并說(shuō)明這些概念是如何實(shí)實(shí)在在地影響應(yīng)用程序的正確 性、性能和實(shí)用性的。因此是軟件硬件建立聯(lián)系的關(guān)鍵課程。 該課程研究單機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部工作機(jī)制、組成原

2、理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及學(xué)習(xí)匯編語(yǔ)言的 有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí),通過(guò)本課程的學(xué)習(xí),建立一臺(tái)計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念,清楚地了解指令和 數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的流向,初步掌握匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì),建立軟硬件之間的聯(lián)系。 本課程主要面向軟件工程專業(yè)大學(xué)二年級(jí)學(xué)生而設(shè)。 This course is a basic course of computer science and software engineering. Our aim is to explain the enduring concepts underlying all computer systems, and to show you the concrete wa

3、ys that these ideas affect the correctness, performance, and utility of your application programs. So it is the key course for software and hardware establishment. The course covers the central aspects of computer organization and architecture: data representation, and machine organization. It also

4、 describes the assembly-level language of common architectures. The course introduces the computer organization and the basics of assembly language programming. The aim is to explain the enduring concepts underlying the hardware of computer systems, to show a clear flow of instructions and data in t

5、he computer, and to learn the basics of assembly language programming. The course is intended for a single-semester course for second-year undergraduates. 三、課程性質(zhì)與教學(xué)目的 《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》是軟件工程專業(yè)必修的一門學(xué)科基礎(chǔ)課。 本課程主要討論計(jì)算機(jī)各組成部件的基本概念、基本結(jié)構(gòu)及其工作原理,包 括:數(shù)據(jù)的表示及處理,處理器的組成和工作原理,存儲(chǔ)器的組成;匯編語(yǔ)言編 程基礎(chǔ),包括:寄存器的概念、基本指令、三種控制結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)、子程序

6、的實(shí)現(xiàn) 與調(diào)用等。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件的組成原理及相互 聯(lián)系與作用,理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理并建立完整的整機(jī)概念,初步學(xué)習(xí) 匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì),為學(xué)習(xí)其它專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。 四、教學(xué)內(nèi)容及要求 第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)漫游 (一)目的與要求 1.本章主要介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成、計(jì)算機(jī)的硬件、軟件如何共同工作 來(lái)運(yùn)行程序。通過(guò)跟蹤一個(gè)簡(jiǎn)單程序的生命周期來(lái)簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)一些關(guān)鍵 的基本概念和術(shù)語(yǔ)以及計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分。 2.要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的硬件組成,了解計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 上的執(zhí)行過(guò)程,掌握軟硬件的基本概念和術(shù)語(yǔ)。 (二)教學(xué)內(nèi)容 第

7、一節(jié) 什么是計(jì)算機(jī) 1.主要內(nèi)容:計(jì)算機(jī)概念 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn):馮?諾依曼機(jī);存儲(chǔ)程序工作方式;數(shù)字化 第二節(jié)hello程序的生命周期 1. 主要內(nèi)容:跟蹤一個(gè)簡(jiǎn)單的hello程序的生命周期。 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn):信息;程序;編譯;處理器;硬件的基本構(gòu)成; 存儲(chǔ)器;高速緩存 (三)思考與實(shí)踐 思考1: 一個(gè)簡(jiǎn)單的hell。程序,從被程序員創(chuàng)建,到系統(tǒng)上運(yùn)行,輸出簡(jiǎn)單 的信息,終止,在其生命周期中都經(jīng)歷了什么,計(jì)算機(jī)各部件又都做了什么。 思考2:結(jié)合當(dāng)前國(guó)情,我國(guó)企業(yè)華為為什么被美國(guó)政府制裁,看到計(jì)算機(jī) 核心技術(shù)的重要性,通過(guò)本章的學(xué)習(xí),希望同學(xué)們建立起學(xué)好計(jì)算機(jī)、增強(qiáng)技術(shù)

8、 競(jìng)爭(zhēng)力,為國(guó)家而努力學(xué)習(xí)的偉大志愿。 (四)教學(xué)方法與手段 課堂講授、多媒體教學(xué)、分組討論、課堂討論。 第二章 計(jì)算機(jī)中的信息表示 (一) 目的與要求 1. 本章主要講授數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)里的存儲(chǔ)格式、定點(diǎn)浮點(diǎn)的表示方法、字 符串的表示;補(bǔ)碼的加減運(yùn)算、溢出測(cè)試及解決辦法、基本的二進(jìn)制 加法器;算術(shù)、邏輯運(yùn)算;浮點(diǎn)加減法運(yùn)算。 2. 要求學(xué)生掌握數(shù)在計(jì)算機(jī)里的不同表示方法:補(bǔ)碼、原碼;定點(diǎn)數(shù)的 加減運(yùn)算以及溢出測(cè)試;掌握基本二進(jìn)制加法器原理。 (二) 教學(xué)內(nèi)容 第一節(jié) 信息的表示方法 1.主要內(nèi)容: 數(shù)值型數(shù)據(jù)和非數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn):定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)以及機(jī)器

9、碼的幾種表示方式 第二節(jié) 定點(diǎn)數(shù)的基本運(yùn)算 1.主要內(nèi)容:補(bǔ)碼運(yùn)算 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn):補(bǔ)碼的加減法運(yùn)算,溢出 第三節(jié) 浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算 1.主要內(nèi)容:浮點(diǎn)加減運(yùn)算基本步驟 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn):對(duì)階、規(guī)格化 (三)思考與實(shí)踐 思考 1:計(jì)算機(jī)中的計(jì)算為什么會(huì)發(fā)生溢出? 思考2:嫦娥5號(hào)為什么成功登月,離不開準(zhǔn)確無(wú)誤的數(shù)據(jù)收集整理分析,數(shù) 據(jù)是一切科學(xué)分析的基礎(chǔ),因此,學(xué)好本章內(nèi)容,才能為報(bào)效祖國(guó)打好基礎(chǔ),做好準(zhǔn) 備。 實(shí)踐:gcc實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn) (四)教學(xué)方法與手段 課堂講授、多媒體教學(xué)、課堂討論、上機(jī)實(shí)驗(yàn) 第三章 程序的機(jī)器級(jí)表示 (一)目的與要求 1.本章主要講授指令

10、系統(tǒng)、低級(jí)語(yǔ)言與硬件結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系;指令的格 式、指令和數(shù)據(jù)的尋址方式。 2.要求掌握指令系統(tǒng)中的常用指令、數(shù)據(jù)尋址的基本方法,能讀懂一些 簡(jiǎn)單的機(jī)器代碼。 (二)教學(xué)內(nèi)容 第一節(jié) 機(jī)器語(yǔ)言的表示 1.主要內(nèi)容:指令格式 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn):指令的操作碼和地址碼,尋址方式 第二節(jié) 機(jī)器語(yǔ)言的處理 1.主要內(nèi)容:數(shù)據(jù)加工指令 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn):算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令 第三節(jié) 機(jī)器語(yǔ)言的控制與過(guò)程 1.主要內(nèi)容:機(jī)器語(yǔ)言中的控制結(jié)構(gòu) 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn):條件碼、跳轉(zhuǎn)指令、子程序調(diào)用與返回指令,三 種循環(huán)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn) 第四節(jié) 機(jī)器語(yǔ)言的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 1.主要內(nèi)容:機(jī)器語(yǔ)

11、言中復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn):數(shù)組結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn),數(shù)組元素地址的計(jì)算 (三)思考與實(shí)踐 思考:低級(jí)語(yǔ)言程序如何實(shí)現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言程序中的各種處理和控制 實(shí)踐:gdb實(shí)驗(yàn),二進(jìn)制炸彈實(shí)驗(yàn) (四)教學(xué)方法與手段 課堂講授、多媒體教學(xué)、課堂討論、上機(jī)實(shí)驗(yàn)。 第四章 處理器體系結(jié)構(gòu) (一)目的與要求 1.本章主要講授 CPU 的功能、組成、結(jié)構(gòu)以及其中的主要寄存器作用, 將研究一個(gè)硬件系統(tǒng)執(zhí)行某種ISA指令的方式,這可以更好的理解計(jì) 算機(jī)是如何工作的。 2. 要求學(xué)生掌握CPU的功能與結(jié)構(gòu),處理器的工作原理,典型指令的指 令流程;了解時(shí)序信號(hào)的作用與體制。 (二) 教學(xué)內(nèi)容 第一節(jié)

12、Y86指令集體系結(jié)構(gòu) 1. 主要內(nèi)容:Y86指令系統(tǒng) 2. 基本概念和知識(shí)點(diǎn):Y86指令、處理器的各種狀態(tài)、Y86程序 第二節(jié)邏輯設(shè)計(jì)及硬件描述語(yǔ)言HCL 1. 主要內(nèi)容:基本硬件的邏輯設(shè)計(jì)及HCL描述 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn):邏輯門、組合電路、時(shí)序電路,硬件描述語(yǔ)言 第三節(jié)Y86的順序?qū)崿F(xiàn)SEQ 1. 主要內(nèi)容:順序執(zhí)行指令的Y86實(shí)現(xiàn) 2. 基本概念和知識(shí)點(diǎn):指令處理的各個(gè)階段、SEQ的硬件結(jié)構(gòu)、SEQ的實(shí) 現(xiàn) (三) 思考與實(shí)踐 思考1:一段程序的多條指令是如何在處理器各個(gè)部分進(jìn)行處理的。 思考2 CPU的自主設(shè)計(jì)制造有多重要?我們國(guó)家使用的計(jì)算機(jī),幾乎其核心 部件CPU都是

13、來(lái)自西方國(guó)家,使得我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)嚴(yán)重受制于人,而本章內(nèi)容就是介 紹CPU的構(gòu)成原理,因此,學(xué)好本章,對(duì)于以后投身我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)CPU來(lái)說(shuō)是基 礎(chǔ)之基礎(chǔ),重中之重。 (四) 教學(xué)方法與手段 課堂講授、多媒體教學(xué)、團(tuán)隊(duì)合作、課堂討論、上機(jī)實(shí)踐。 第五章 存儲(chǔ)系統(tǒng) 一)目的與要求 1. 本章主要講授存儲(chǔ)器的分類、分級(jí)結(jié)構(gòu)以及存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo);cache 的基本原理、主存與cache的地址映射以及cache的替換策略與寫操 作。 2. 要求學(xué)生掌握存儲(chǔ)器與CPU的連接以及存儲(chǔ)器字?jǐn)U展、位擴(kuò)展的方法, 掌握 cache 的基本原理、地址映射、替換策略;了解存儲(chǔ)器的分類、 分級(jí)以及各種技術(shù)指標(biāo)

14、。 二) 教學(xué)內(nèi)容 第一節(jié) 局部性及存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu) 1.主要內(nèi)容:局部性及存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu) 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn):局部性,多級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 高速緩存 1.主要內(nèi)容:高速緩存組織及映射 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn):高速緩存、三種映射 三) 思考與實(shí)踐 思考:重點(diǎn)理解局部性,如何編寫高速緩存友好的代碼 四) 教學(xué)方法與手段 課堂講授、多媒體教學(xué)、課堂討論、上機(jī)實(shí)踐 五、各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)分配 、教學(xué)環(huán)節(jié) 教學(xué)時(shí)數(shù) 課程內(nèi)容^^ 講 課 習(xí) 題 課 討 論 課 實(shí)驗(yàn) 其他教 學(xué)環(huán)節(jié) 小 計(jì) 第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)漫游 3 1 4 第二章計(jì)算機(jī)中的信息表

15、 示 4 2 10 16 第三章 程序的機(jī)器級(jí)表示 8 2 16 2 28 第四章 處理器體系結(jié)構(gòu) 8 2 2 12 第五章存儲(chǔ)系統(tǒng) 4 4 六、推薦教材和教學(xué)參考資源 推薦教材: 1.[美]Randal E. Bryant& David R. O' Hallaron 著.深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(原 書第二版).龔奕利 & 雷迎春譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014 參考書: 1. [美]David A. Patterson & John L. Hennessy著.計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì):硬件 /軟件接口.鄭緯民 等譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008 2. [美]Brian W.Kernighan &Dennis M. Ritchie. C 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(第 2 版 新 版).徐寶文、李志 譯. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008

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