計算機組成原理(華中科技大學建設的慕課)

計算機組成原理課程是華中科技大學建設的慕課、國家精品線上開放課程、國家級一流本科課程。該課程於2018年10月16日首次在中國大學MOOC開課，授課教師為秦磊華、胡迪青、譚志虎、蔣文斌、馮丹、吳非、謝雨來、王芳。據2021年10月中國大學MOOC官網顯示，該課程已運行7學期。

計算機組成原理課程共八章，包括計算機系統概論、運算方法與運算器、中央處理器、輸入輸出系統、存儲系統、數據表示等內容。

基本介紹

• 中文名：計算機組成原理
• 類別：慕課、國家精品線上開放課程、國家級一流本科課程
• 授課平台：中國大學MOOC
• 開課時間：2018年10月16日（首次）
• 授課教師：秦磊華、胡迪青、譚志虎、蔣文斌、馮丹、吳非、謝雨來、王芳
• 建設院校：華中科技大學

課程性質

課程定位

計算機組成原理課程是一門理論性、工程性、技術性和實踐性都較強的核心專業基礎課程，在計算機學科系列課程中處於承上啟下的作用。

適應專業

計算機組成原理課程適合計算機類專業學習。

課程簡介

計算機組成原理課程共八章，第一章介紹計算機系統性能評價等知識點；第二章講述數據校驗的基本原理等內容；第三章介紹定點數補碼加、減運算器設計等知識點；第四章講述Cache地址映射與變換方法等內容；第五章介紹指令系統概述及指令格式等知識點；第六章講述數據通路與匯流排系統結構等內容；第七章介紹匯流排仲裁和數據傳輸方式等知識點；第八章講述中斷請求與回響等內容。

課程大綱

第一章 計算機系統概論 1.0課程導學 1.1馮諾伊曼結構原理及層次結構分析 1.2計算機系統性能評價 1.3計算機性能測試 第一章單元測驗 第二章 數據表示 2.1機器數及特點 2.2定點與浮點數據表示 2.3數據校驗的基本原理 2.4奇偶校驗 2.5CRC校驗及其實現 2.6海明校驗及其實現 第二章單元測試 第三章 運算方法與運算器 3.1定點數運算及溢出檢測 3.2定點數補碼加、減運算器設計 3.3原碼一位乘法 3.4補碼一位乘法 3.5乘法運算器設計 3.6定點數除法 3.7浮點數加減運算 第三章單元測驗 第四章 存儲系統 4.1存儲系統層次結構 4.2主存中的數據組織 4.3靜態存儲器工作原理 4.4動態存儲器工作原理 4.5存儲擴展 4.6多體交叉存儲器 4.7Cache的基本原理 4.8相聯存儲器 4.9Cache地址映射與變換方法 4.10替換算法 4.11高速緩衝存儲器例題選講 4.12虛擬存儲器 4.13TLB 4.14RAID 第四章單元測驗 第五章 指令系統

5.1指令系統概述及指令格式 5.2定址方式及指令定址 5.3運算元定址方式 5.4指令格式設計 5.5MIPS指令概述 5.6MIPS指令詳解 第五章單元測驗 第六章 中央處理器 6.1CPU組成與功能 6.2數據通路 6.3數據通路與匯流排系統結構 6.4數據通路實例 6.5指令周期 6.6匯流排結構與CPU指令周期1 6.7匯流排結構與CPU指令周期2 6.8硬布線控制器設計1 6.9硬布線控制器設計2 6.10微程式控制器 6.11微程式設計 6.12微指令格式 6.13單周期MIPS CPU1 6.14單周期MIPS CPU2 6.15多周期MIPS CPU數據通路1 6.16多周期MIPS CPU數據通路2 6.17CPU設計實驗 第六章單元測驗 第七章 系統匯流排 7.1系統匯流排的特性及其套用 7.2匯流排性能和匯流排事務 7.3匯流排連線方式 7.4匯流排仲裁和數據傳輸方式 7.5匯流排標準 第七章單元測驗 第八章 輸入輸出系統 8.1輸入輸出接口概述 8.2輸入輸出方式 8.3中斷請求與回響 8.4DMA方式 第八章單元測驗

（註：課程大綱排版從左到右排列）

開課信息

開課次數	開課時間	授課教師	學時安排	參與人數
第1次開課	2018年10月16日-2019年02月20日	秦磊華、胡迪青、譚志虎、蔣文斌、馮丹、吳非、謝雨來、王芳	3-5小時每周	20016
第2次開課	2019年03月01日-2019年07月25日			21547
第3次開課	2019年08月25日-2020年01月05日			25491
第4次開課	2020年02月15日-2020年06月30日	秦磊華、胡迪青、譚志虎、蔣文斌、馮丹、吳非、謝雨來		26481
第5次開課	2020年08月25日-2020年12月25日	秦磊華、胡迪青、譚志虎、蔣文斌、馮丹		13821
第6次開課	2021年02月20日-2021年06月30日	秦磊華、胡迪青、譚志虎、蔣文斌、吳非		40288
第7次開課	2021年08月02日-2022年01月10日	秦磊華、胡迪青、譚志虎、蔣文斌		待定

（註：表格內容參考資料）

課程特色

• 面向系統能力培養的教學設計

該課程結合課程特點與教學目標，提出基於構造觀、系統觀、工程觀的教學設計。其中，構造觀重在培養軟/硬功能部件設計方法，提升部件級的設計能力；系統觀強調硬體結構對軟體執行正確性及性能的影響，提升學習者軟硬協同的系統分析與解決問題的能力；工程觀訓練考慮工程制約因素，選擇恰當技術、最佳化工程的意識，提升系統實現能力。

• 設計實驗內容

該課程結合教學團隊多年的實踐教學經驗，參考國際計算機專業相關課程的經驗，引入易學易用的免費開源虛擬仿真實驗平台，本著理論實踐一體化、實驗目標系統化、課內課外協同化等原則，建立逐層遞進、立足計算機系統、設計型實驗為主導的實踐教學體系開發系列原創的課程實驗，引導學習者從邏輯門電路開始逐步設計運算部件、存儲器、數據通路和控制器、流水線衝突冒險機制直至完整的MIPS流水CPU來深入理解計算機軟硬體系統。

教學目標

通過該課程的學習，使學習者系統地掌握馮·諾依曼結構計算機各組成部件的基本結構、工作原理、內部運行機制和基本設計方法；加深學習者對計算機軟、硬體系統的整體化理解，建立硬體/軟體協同的整機概念，並有效增強學習者的計算機硬體素養和軟體協同的系統觀，有效增強學習者的計算機系統設計能力。具體目標包括：

1、建立計算機系統的層次化觀點，了解計算機系統不同層次上的抽象；

2、掌握定點數和浮點數的表示方法，理解數據表示對軟/硬體系統設計的影響；

3、掌握基本算術、邏輯運算部件的工作原理及設計方法；

4、掌握存儲器層次結構工作原理，理解存儲器層次結構對程式執行性能的影響；

5、了解指令系統設計的基本原理，掌握不同定址方式的特點及其對指令執行性能的影響；

6、掌握單周期數據通路、多周期數據通路和流水線數據通路及其控制部件的工作原理和設計方法；

7、掌握基於Logisim仿真軟體進行簡單計算機系統設計的能力；

8、了解計算機系統的國內外主流技術和發展趨勢；

9、增強學生軟硬協同的系統觀；

10、提高學習者的硬體素養，提升學習者軟硬協同的程式設計能力和計算機系統能力。

學習預備

預備知識

學習計算機組成原理需要具備數字電路與邏輯設計、硬體描述語言、彙編語言等課程相關知識。

學習資料

書名	作者	出版時間	出版社
《計算機組成與設計：硬體/軟體接口（原書第5版）》	（美）帕特森、（美）亨尼斯	2015年7月	機械工業出版社
《深入理解計算機系統》	（美）布賴恩特	2016年
《計算機組織與結構》	袁春風	2010年	清華大學出版社
《計算機組成原理》	秦磊華

（註：表格內容參考資料）

所獲榮譽

2019年，計算機組成原理課程被中華人民共和國教育部認定為“國家精品線上開放課程”。

2020年11月24日，計算機組成原理課程被中華人民共和國教育部認定為“首批國家級一流本科課程”。

教師簡介

秦磊華，華中科技大學計算機科學與技術學院教授，承擔邏輯與計算機設計基礎、計算機組成原理等課程教學工作。

胡迪青，華中科技大學計算機科學與技術學院教授，從事海量數據存儲系統、嵌入式系統與SoC設計等領域研究工作。

譚志虎，華中科技大學計算機科學與技術學院教授，承擔計算機組成原理、計算機系統基礎等課程教學工作

蔣文斌，華中科技大學計算機科學與技術學院教授，從事深度學習系統、並行分散式計算等領域研究工作。

馮丹，華中科技大學計算機科學與技術學院教授，從事大數據存儲系統、存算融合技術等領域研究工作。

吳非，華中科技大學計算機科學與技術學院教授，從事新型存儲器性能和可靠性最佳化等領域研究工作。

謝雨來，華中科技大學網路空間安全學院副教授，從事入侵檢測、輿情分析、工控安全、網路安全等領域研究工作。

王芳，華中科技大學計算機科學與技術學院教授。