计算机组成与结构

课程编码：B2011019Y 英文名称：Computer Organization and Architecture 课时：56 学分：3.00 课程属性：专业必修课 主讲教师：胡玥

本课程讲述计算机的组成和各部件工作方式以及计算机整机的工作原理，其核心是在掌握计算机各部件工作原理的基础上理解各部分如何协调工作构成整体的计算机系统。主要包括数据在计算机中的表示，运算方法和运算部件设计，指令系统，控制器的设计和实现，层次存储系统，输入/输出系统 的理论讲解部分；另外本课还程配有相应的实践课程“计算机组成与结构研讨课”通过实验让学生动手设计整体计算机系统帮助同学们理解和掌握课堂讲述的理论。

This course teaches students the compositions and working methods of each component of computer, as well as the working principles of the entire computer system. The core of this course is to understand how to coordinate the work of various parts in a computer system. This mainly includes the representation of data in computers, Algorithm for operational components and design of arithmetic unit, instruction systems, design and implementation of controllers, hierarchical storage systems, and input/output systems; In addition, this course will also be accompanied by a corresponding practical course called " Computer Organization and Architecture :Seminar". Through experiments , students can design an complete computer system to help them understand and master the theories taught in class.

计算机组成与结构是计算机及相关专业的专业基础课程。本课程在计算机课程教学课程体系中处于承上启下的重要地位，课程中将详细讲授计算机的各组成部件和其工作原理以及各部件如何连接构成整体的计算机系统及各部件如何协同工作实现预定功能。通过本课程的学习，学生对计算机内部的机软、硬件工作原理将会有深刻的理解，从而提高学生的系统分析、设计、开发和使用能力，为后续课程的学习打下坚实的基础。

计算机科学导论、数字电路

本课程包括运算器的构成及工作原理；控制器的设计与实现方法；存储器及层次存储体系的概念及工作原理；输入/输出系统及工作方式，以及各基本部件如何协调工作。重点和难点是控制器的设计和实现方法。课程具体内容如下：

 

第1章． 计算机系统概述（2学时/了解）

1.1电子计算机与存储程序控制

1.2 计算机的硬件组成

1.3 计算机系统

1.4 计算机的工作过程和主要性能指标

 

第2章．数据的机器级次表示（6学时/理解）

2.1 数值数据的表示

2.2 机器数的定点表示和浮点表示

2.3 非数值数据的表示

2.4 十进制数和数串的表示

2.5 数据校验码

 

第3章．运算方法和运算部件（6学时/理解）

3.1 基本算数运算的实现

3.2 定点加减运算

3.3 定点乘法运算

3.4 定点除法运算

3.5 规格化浮点运算

3.6 逻辑运算与实现

3.7 运算器的基本组成与实现

 

第4章．指令系统（6学时/掌握）

4.1 指令格式

4.2 寻址技术

4.3 指令类型

4.4 指令系统的发展

 

第5章． X86架构中央处理器（8学时/掌握）

5.1中央处理器的功能和组成

5.2 X86架构指令设计

5.3 数据通路的设计

5.4 指令流程设计

5.5 时序系统设计

5.6 控制器实现

 

第6章． MIPS架构中央处理器（10学时/掌握）

6.1 MIPS指令系统

6.2 MIPS单周期处理器设计

        6.2.1 单周期数据通路设计

6.2.2 单周期指令流程设计

6.2.2 单周期控制器实现

6.3 MIPS多周期处理器设计

        6.3.1 多周期数据通路设计

6.3.2 多周期指令流程设计

6.3.2 单周期控制器实现

6.4 指令流水线技术

6.4.1 指令流水线基本概念

6.4.2 MIPS流水线处理器设计

6.4.3 MIPS流水线冒险及解决方法

 

第7章. 层次结构存储系统（10学时/掌握）

7.1 存储系统概述

1. 主存储器

7.2.1  主存储器概述

7.2.2  半导体随机存储器和只读存储器

1. 主存储器的连接与控制
2. 提高主存储性能方法

7.3高速缓冲存储器

7.3.1  Cache的工作原理

7.3.2  实现Cache机制需要解决的问题

7.3.3  Cache 性能指标

7.4 虚拟存储器

7.4.1 程序空间/主存空间概念

7.4.2 页式虚拟存储器

7.4.3 快表(TLB)的概念及结构

7.4.4 高速缓存-主存-虚存层次存储系统

7.4.5 存储保护及访存异常

 

第8章. 输入/输出系统（4学时/理解）

8.1 总线

8.2 接口

8.3 I/O 数据传送方式

8.3.1 程序查询I/O方式及接口

8.3.2 中断I/O方式及接口

8.3.3  DMAI/O方式及接口

章节/学时分配	讲课	习题课	实验课	上机课	讨论课	其它
1．概述	2
2. 机器数的定点表示和浮点表示	4
3. 非数值数据的表示/数据校验码	2
4. 定点加减运算	2
5. 定点除法运算	2
6.规格化浮点运算	1
7.运算器的基本组成与实现	1
8．指令格式	2
9． 寻址技术	2
10.指令系统的发展	2
11.X86架构指令设计	2
12.数据通路的设计	1
13. 指令流程设	2
14. 时序系统设计	1
15. 控制器实现	2
16.期中考试						2
17. MIPS指令系统	2
18. MIPS单周期处理器设计	2
19. MIPS多周期处理器设计	2
20. 指令流水线技术	4
21. 主存储器	3
22. 高速缓冲存储器	4
23. 虚拟存储器	3
24.总线/接口	1
25. I/O 数据传送方式	3
26. 期末考试						2

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计算机组成原理课是芯片技术的基础知识，美国封禁华为所需的高端数字芯片，使国产手机的整体调性势必会受到比如苹果、三星这样的国际巨头打压。 在本课程讲授的过程中，以芯片为例养学生的爱国情怀，引导和激发学生为国家解决芯片卡脖子问题的使命感。

教材：袁春风编，《计算机组成与结构》清华大学出版社，2016年，第2版

参考资料：计算机组成原理课程考研参考资料

胡玥，女，国科学院信息工程研究所，研究员/博士生导师、信工所学位委员会委员，中国科学院大学岗位教授/博士生导师。主要研究方向为自然语言处理，人工智能。
在ACL，AAAI 、IJCAI等国际/国内会议及期刊发表论文70余篇，曾获“第四届中国科协期刊优秀学术论文”奖，出版专著2部，获发明专利6项。任ACL 、EMNLP、《电子与信息学报》 等多个国内外学会议及刊物的审稿人。
主持和参加科技部重点研发项目，网络空间安全重点专项，国家863课题，973子课题，自然科学基金项目等20余项，曾担任科技部重点专项，国家自然科学基金和北京市自然科学基金等多种项目评审专家。
在中国科学院大学开设研究生核心课程《自然语言处理》和本科生必修课程《计算机组成原理》，在信工所开设博士生课程《基于深度学习的自然语言处理》，深受学生欢迎。具有丰富的学生指导经验，所指导学生成绩优异，其中多人荣获学术会议最佳学生论文奖，国家奖学金，科学院院长奖，北京市优秀毕业生等荣誉称号。