《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》

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適用對象: 軟件工程專業(yè)考核方式：考試先修課程： C 語言二、課程簡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、組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及學(xué)習(xí)匯編語言的 有關(guān)基礎(chǔ)知識，通過本課程的學(xué)習(xí)，建立一臺計(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 ways 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 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 the 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，存儲器的組成；匯編語言編 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)、子程序的實(shí)現(xiàn)與調(diào)用等。通過本課程的學(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 來運(yùn)行程序。通過跟蹤一個(gè)簡單程序的生命周期來簡單認(rèn)識一些關(guān)鍵 的基本概念和術(shù)語以及計(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)行過程，掌握軟硬件的基本概念和術(shù)語。（二）教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 什么是計(jì)算機(jī)1主要內(nèi)容：計(jì)算機(jī)概念2.基本概念和知識點(diǎn)：馮諾依曼機(jī)；存儲程序工作方式；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)簡單的hello程序的生命周期。2基本概念和知識點(diǎn)：信息；程序；編譯；處理器；硬件的基本構(gòu)成； 存儲器；高速緩存（三）思考與實(shí)踐思考1： 一個(gè)簡單的hell。程序，從被程序員創(chuàng)建，到系統(tǒng)上運(yùn)行，輸出簡單的信息，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)前國情，我國企業(yè)華為為什么被美國政府制裁，看到計(jì)算機(jī) 核心技術(shù)的重要性，通過本章的學(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) 競爭力，為國家而努力學(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基本概念和知識點(diǎn)：定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)以及機(jī)器碼的幾種表示方式 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基本概念和知識點(diǎn)：對階、規(guī)格化（三）思考與實(shí)踐思考 1：計(jì)算機(jī)中的計(jì)算為什么會發(fā)生溢出？ 思考2：嫦娥5號為什么成功登月，離不開準(zhǔn)確無誤的數(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)器級表示（一）目的與要求1本章主要講授指令系統(tǒng)、低級語言與硬件結(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 簡單的機(jī)器代碼。（二）教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 機(jī)器語言的表示1主要內(nèi)容：指令格式2基本概念和知識點(diǎn)：指令的操作碼和地址碼，尋址方式第二節(jié) 機(jī)器語言的處理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)器語言的控制與過程1主要內(nèi)容：機(jī)器語言中的控制結(jié)構(gòu) 2基本概念和知識點(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)器語言的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1主要內(nèi)容：機(jī)器語言中復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2基本概念和知識點(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：低級語言程序如何實(shí)現(xiàn)高級語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)序信號的作用與體制。（二）教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)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)及硬件描述語言HCL1. 主要內(nèi)容：基本硬件的邏輯設(shè)計(jì)及HCL描述 2基本概念和知識點(diǎn)：邏輯門、組合電路、時(shí)序電路，硬件描述語言 第三節(jié)Y86的順序?qū)崿F(xiàn)SEQ1. 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？我們國家使用的計(jì)算機(jī)，幾乎其核心 部件CPU都是來自西方國家，使得我國計(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，對于以后投身我國自主研發(fā)設(shè)計(jì)CPU來說是基 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 存儲系統(tǒng)一）目的與要求1. 本章主要講授存儲器的分類、分級結(jié)構(gòu)以及存儲器的技術(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)生掌握存儲器與CPU的連接以及存儲器字?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；了解存儲器的分類、 分級以及各種技術(shù)指標(biāo)。二）教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 局部性及存儲器層次結(jié)構(gòu)1主要內(nèi)容：局部性及存儲器層次結(jié)構(gòu) 2基本概念和知識點(diǎn)：局部性,多級存儲結(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314第二章計(jì)算機(jī)中的信息表 示421016第三章 程序的機(jī)器級表示8216228第四章 處理器體系結(jié)構(gòu)82212第五章存儲系統(tǒng)44六、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，20082. 美Brian W.Kernighan &Dennis M. Ritchie. C 程序設(shè)計(jì)語言（第 2 版 新 版）.徐寶文、李志 譯. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008