《计算机系统基础》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程代码：16165104 课程名称：计算机系统基础 英文名称：Introduction of Computer System 课程类别：学科基础课 学 时：64，其中实验26学时 学分：4 适用对象：软件工程专业 考核方式：考试 先修课程：C语言 二、课程简介 本课程是软件工程专业的学科基础课，课程从程序员的角度来讲解计算机系统， 解释计算机系统的基本概念 并说明这些概念是如何实实在在地影响应用程序的正确 性、性能和实用性的。因此是软件硬件建立联系的关键课程。 该课程研究单机系统的内部工作机制、组成原理和系统结构以及学习汇编语言的 有关基础知识，通过本课程的学习，建立一台计算机的整机概念，清楚地了解指令和 数据在计算机中的流向，初步掌握汇编语言程序设计，建立软硬件之间的联系」 本课程主要面向软件工程专业大学二年级学生而设。 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 for software and hardware establishment Thecou covers the cent tralaspects of computer organiation and architecture:data 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 underlving the hardware of computer systems.to show a cer flow of instructions and data in the to the basics of ssembly language programming The course is intended for a single-semester course for second-year undergraduates. 三、课程性质与教学目的 《计算机系统基础》是软件工程专业必多的一门学利科基础课。 本课程主要讨论计算机各组成部件的基本概念、基本结构及其工作原理，包 括：数据的表示及处理，处理器的组成和工作原理，存储器的组成：汇编语言编 程基础，包括：寄存器的概念、基本指令、三种控制结构的实现、子程序的实现
1 《计算机系统基础》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程代码：16165104 课程名称：计算机系统基础 英文名称：Introduction of Computer System 课程类别：学科基础课 学 时：64，其中实验 26 学时 学 分：4 适用对象: 软件工程专业 考核方式：考试 先修课程：C 语言 二、课程简介 本课程是软件工程专业的学科基础课，课程从程序员的角度来讲解计算机系统， 解释计算机系统的基本概念，并说明这些概念是如何实实在在地影响应用程序的正确 性、性能和实用性的。因此是软件硬件建立联系的关键课程。 该课程研究单机系统的内部工作机制、组成原理和系统结构以及学习汇编语言的 有关基础知识，通过本课程的学习，建立一台计算机的整机概念，清楚地了解指令和 数据在计算机中的流向，初步掌握汇编语言程序设计，建立软硬件之间的联系。 本课程主要面向软件工程专业大学二年级学生而设。 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、课程性质与教学目的 《计算机系统基础》是软件工程专业必修的一门学科基础课。 本课程主要讨论计算机各组成部件的基本概念、基本结构及其工作原理，包 括：数据的表示及处理，处理器的组成和工作原理，存储器的组成；汇编语言编 程基础，包括：寄存器的概念、基本指令、三种控制结构的实现、子程序的实现
与调用等。通过本课程的学习，使学生掌握计算机系统各部件的组成原理及相互 联系与作用，理解计算机系统的内部运行机理并建立完整的整机概念，初步学习 汇编语言程序设计，为学习其它专业基础课和专业课打下一个良好的基础。 四、教学内容及要求 第一章计算机系统漫游 (一)目的与要求 1.本章主要介绍计算机系统的构成、计算机的硬件、软件如何共同工作 来运行程序。通过跟踪一个简单程序的生命周期来简单认识一些关键 的基本概念和术语以及计算机的各个组成部分。 2.要求学生掌握计算机的硬件组成，了解计算机程序在计算机硬件系统 上的执行过程，堂据软硬件的基本概今和术语。 (二)教学内容 第一节什么是计算机 1.主要内容：计算机概念 2.基本概念和知识点：冯·诺依曼机：存储程序工作方式：数字化 第二节hello程序的生命周期 1.主要内容：跟踪一个简单的hello程序的生命周期 2.基本概念和知识点：信息：程序：编译：处理器：硬件的基本构成： 存储器；高速缓存 (三)思考与实践 思考1：一个简单的hello程序，从被程序员创建，到系统上运行，输出简单 的信息，终止，在其生命周期中都经历了什么，计算机各部件又都做了什么。 思考2：结合当前国情，我国企业华为为什么被美国政府制裁，看到计算机 核心技术的重要性，通过本章的学习，希望同学们建立起学好计算机、增强技术 竞争力，为国家而努力学习的伟大志愿 (四)教学方法与手段 课堂讲授、多媒体教学、分组讨论、课堂讨论。 第二章计算机中的信息表示 (一)目的与要求 1.本章主要讲授数据在计算机里的存储格式、定点浮点的表示方法、字 符串的表示：补码的加减运算、溢出测试及解决办法、基本的二进制 加法器：算术、逻辑运算：浮点加减法运算。 2.要求学生学握数在计算机里的不同表示方法：补码、原码：定点数的 加减运算以及溢出测试：掌握基本二进制加法器原理。 (二)教学内容 2
2 与调用等。通过本课程的学习，使学生掌握计算机系统各部件的组成原理及相互 联系与作用，理解计算机系统的内部运行机理并建立完整的整机概念，初步学习 汇编语言程序设计，为学习其它专业基础课和专业课打下一个良好的基础。 四、教学内容及要求 第一章 计算机系统漫游 （一）目的与要求 1．本章主要介绍计算机系统的构成、计算机的硬件、软件如何共同工作 来运行程序。通过跟踪一个简单程序的生命周期来简单认识一些关键 的基本概念和术语以及计算机的各个组成部分。 2．要求学生掌握计算机的硬件组成，了解计算机程序在计算机硬件系统 上的执行过程，掌握软硬件的基本概念和术语。 （二）教学内容 第一节 什么是计算机 1．主要内容：计算机概念 2．基本概念和知识点：冯·诺依曼机；存储程序工作方式；数字化 第二节 hello 程序的生命周期 1．主要内容：跟踪一个简单的 hello 程序的生命周期。 2．基本概念和知识点：信息；程序；编译；处理器；硬件的基本构成； 存储器；高速缓存 （三）思考与实践 思考 1：一个简单的 hello 程序，从被程序员创建，到系统上运行，输出简单 的信息，终止，在其生命周期中都经历了什么，计算机各部件又都做了什么。 思考 2：结合当前国情，我国企业华为为什么被美国政府制裁，看到计算机 核心技术的重要性，通过本章的学习，希望同学们建立起学好计算机、增强技术 竞争力，为国家而努力学习的伟大志愿。 （四）教学方法与手段 课堂讲授、多媒体教学、分组讨论、课堂讨论。 第二章 计算机中的信息表示 （一）目的与要求 1．本章主要讲授数据在计算机里的存储格式、定点浮点的表示方法、字 符串的表示；补码的加减运算、溢出测试及解决办法、基本的二进制 加法器；算术、逻辑运算；浮点加减法运算。 2．要求学生掌握数在计算机里的不同表示方法：补码、原码；定点数的 加减运算以及溢出测试；掌握基本二进制加法器原理。 （二）教学内容
第一节信息的表示方法 1.主要内容： 数值型数据和非数值型数据的表示 2.基本概念和知识点：定点数、浮点数以及机器码的几种表示方式 第二节定点数的基本运第 1.主要内容：补码运算 2.基本概念和知识点：补码的加减法运算，溢出 第三节浮点数的运算 1.主要内容：浮点加减运算基本步骤 2,基本概念和知识点：对阶、规格化 (三)思考与实践 思考1：计算机中的计算为什么会发生溢出？ 思考2：嫦娥5号为什么成功登月，离不开准确无误的数据收集整理分析，数 据是一切科学分析的基础，因此，学好本章内容，才能为报效祖国打好基础，做好准 备。 实践： gcc实验、数据实验 (四)数学方法与手段 课堂讲授、多媒体教学、课堂讨论、上机实验 第三章程序的机器级表示 (一)目的与要求 1.本章主要讲授指令系统、低级语言与硬件结构之间的关系：指令的格 式、指令和数据的寻址方式。 2.要求掌握指令系统中的常用指令、数据寻址的基本方法，能读懂一些 简单的机器代码 (二)教学内容 第一节机器语言的表示 1.主要内容：指令格式 2.基本概念和知识点：指令的操作码和地址码，寻址方式 第二节机器语言的处理 1.主要内容：数据加工指令 2.基本概念和知识点：算术运算指令、逻辑运算指令 第三节机器语言的控制与过程 1主要内容：机器语言中的粹制结物 2。基本概念和知识点：条件码、跳转指令、子程序调用与返回指令，三 种循环结构的实现 第四节机器语言的数据结构 3
3 第一节 信息的表示方法 1．主要内容： 数值型数据和非数值型数据的表示 2．基本概念和知识点：定点数、浮点数以及机器码的几种表示方式 第二节 定点数的基本运算 1．主要内容：补码运算 2．基本概念和知识点：补码的加减法运算，溢出 第三节 浮点数的运算 1．主要内容：浮点加减运算基本步骤 2．基本概念和知识点：对阶、规格化 （三）思考与实践 思考 1：计算机中的计算为什么会发生溢出？ 思考 2：嫦娥 5 号为什么成功登月，离不开准确无误的数据收集整理分析，数 据是一切科学分析的基础，因此，学好本章内容，才能为报效祖国打好基础，做好准 备。 实践：gcc 实验、数据实验 （四）教学方法与手段 课堂讲授、多媒体教学、课堂讨论、上机实验 第三章 程序的机器级表示 （一）目的与要求 1．本章主要讲授指令系统、低级语言与硬件结构之间的关系；指令的格 式、指令和数据的寻址方式。 2．要求掌握指令系统中的常用指令、数据寻址的基本方法，能读懂一些 简单的机器代码。 （二）教学内容 第一节 机器语言的表示 1．主要内容：指令格式 2．基本概念和知识点：指令的操作码和地址码，寻址方式 第二节 机器语言的处理 1．主要内容：数据加工指令 2．基本概念和知识点：算术运算指令、逻辑运算指令 第三节 机器语言的控制与过程 1．主要内容：机器语言中的控制结构 2．基本概念和知识点：条件码、跳转指令、子程序调用与返回指令，三 种循环结构的实现 第四节 机器语言的数据结构
1.主要内容：机器语言中复合数据结构 2.基本概念和知识点：数组结构的实现，数组元素地址的计算 (三)思考与实践 思考：低级语言程序如何实现高级语言程序中的各种处理和控制 实践：g山实验，二进制炸弹实验 (四)教学方法与手段 课堂讲授、多媒体教学、课堂讨论、上机实验。 第四章处理器体系结构 (一)目的与要求 L.本章主要讲授CU的功能、组成、结构以及其中的主要寄存器作用， 将研究一个硬件系统执行某种ISA指令的方式，这可以更好的理解计 算机是如何工作的。 2.要求学生掌握CPU的功能与结构，处理器的工作原理，典型指令的指 令流程：了解时序信号的作用与体制。 (二)教学内容 第一节Y86指令集体系结构 1.主要内容：Y86指令系统 2.基本概念和知识点：Y86指令、处理器的各种状态、Y86程序 第二节逻辑设计及硬件描述语言HCL 1.主要内容：基本硬件的逻辑设计及HCL描述 2.基本概念和知识点：逻辑门、组合电路、时序电路，硬件描述语言 第三节Y86的顺序实现SEQ 1.主要内容：顺序执行指令的Y86实现 2.基本概念和知识点：指令处理的各个阶段、SQ的硬件结构、SEQ的实 (三)思考与实践 思老1：一段程序的多条指今是如何在处理器名个部分讲行处理的 思考2：CPU的自主设计制造有多重要？我们国家使用的计算机，几乎其核心 部件CU都是来自西方国家，使得我国计算机技术严重受制于人，而本章内容就是介 绍CPU的构成原理，因此，学好本章，对于以后投身我国自主研发设计CPU来说是基 础之基础，重中之重。 (四)教学方法与手段 课堂讲授、多媒体教学、团队合作、课堂讨论、上机实践。 第五章存储系统
4 1．主要内容：机器语言中复合数据结构 2．基本概念和知识点：数组结构的实现，数组元素地址的计算 （三）思考与实践 思考：低级语言程序如何实现高级语言程序中的各种处理和控制 实践：gdb 实验，二进制炸弹实验 （四）教学方法与手段 课堂讲授、多媒体教学、课堂讨论、上机实验。 第四章 处理器体系结构 （一）目的与要求 1．本章主要讲授 CPU 的功能、组成、结构以及其中的主要寄存器作用, 将研究一个硬件系统执行某种 ISA 指令的方式，这可以更好的理解计 算机是如何工作的。 2．要求学生掌握 CPU 的功能与结构，处理器的工作原理，典型指令的指 令流程；了解时序信号的作用与体制。 （二）教学内容 第一节 Y86 指令集体系结构 1．主要内容：Y86 指令系统 2．基本概念和知识点：Y86 指令、处理器的各种状态、Y86 程序 第二节逻辑设计及硬件描述语言 HCL 1．主要内容：基本硬件的逻辑设计及 HCL 描述 2．基本概念和知识点：逻辑门、组合电路、时序电路，硬件描述语言 第三节 Y86 的顺序实现 SEQ 1．主要内容：顺序执行指令的 Y86 实现 2．基本概念和知识点：指令处理的各个阶段、SEQ 的硬件结构、SEQ 的实 现 （三）思考与实践 思考 1：一段程序的多条指令是如何在处理器各个部分进行处理的。 思考 2：CPU 的自主设计制造有多重要？我们国家使用的计算机，几乎其核心 部件 CPU 都是来自西方国家，使得我国计算机技术严重受制于人，而本章内容就是介 绍 CPU 的构成原理，因此，学好本章，对于以后投身我国自主研发设计 CPU 来说是基 础之基础，重中之重。 （四）教学方法与手段 课堂讲授、多媒体教学、团队合作、课堂讨论、上机实践。 第五章 存储系统
(一)目的与要求 L.本章主要讲授存储器的分类、分级结构以及存储器的技术指标：cache 的基本原理、主存与cache的地址映射以及cache的替换策略与写操 作。 2.要求学生掌握存储器与CPU的连接以及存储器字扩展、位扩展的方法， 掌握cache的基本原理、地址映射、替换策略：了解存储器的分类、 分级以及各种技术指标。 (二)教学内容 第一节局部性及存储器层次结构 1.主要内容：局部性及存储器层次结构 2.基本概念和知识点：局部性，多级存储结构 第二节高速缓存 1.主要内容：高速缓存组织及映射 2.基本概念和知识点：高速缓存、三种映射 (三)思考与实践 思考：重点理解局部性，如何编写高速缓存友好的代码 (四)教学方法与手段 课堂讲授、多媒体教学、课堂讨论、上机实践 五、各教学环节学时分配 教学环节 分 讨 教学时数 题 论 实验 其他教 学环书 课程内容 第一章计算机系统漫游 3 第二章计算机中的信息表 16 第三章程序的机器级表示 第四章处理器体系结构 12 第五章存储系统 六、推荐教材和教学参考资源 推荐教材： L.[美]Randal E.Bryant&David R.0'Hallaron著.深入理解计算机系统（原
5 （一）目的与要求 1．本章主要讲授存储器的分类、分级结构以及存储器的技术指标；cache 的基本原理、主存与 cache 的地址映射以及 cache 的替换策略与写操 作。 2．要求学生掌握存储器与 CPU 的连接以及存储器字扩展、位扩展的方法， 掌握 cache 的基本原理、地址映射、替换策略；了解存储器的分类、 分级以及各种技术指标。 （二）教学内容 第一节 局部性及存储器层次结构 1．主要内容：局部性及存储器层次结构 2．基本概念和知识点：局部性，多级存储结构 第二节 高速缓存 1．主要内容：高速缓存组织及映射 2．基本概念和知识点：高速缓存、三种映射 （三）思考与实践 思考：重点理解局部性，如何编写高速缓存友好的代码 （四）教学方法与手段 课堂讲授、多媒体教学、课堂讨论、上机实践 五、各教学环节学时分配 教学环节 教学时数 课程内容 讲 课 习 题 课 讨 论 课 实验 其他教 学环节 小 计 第一章 计算机系统漫游 3 1 4 第二章 计算机中的信息表 示 4 2 10 16 第三章 程序的机器级表示 8 2 16 2 28 第四章 处理器体系结构 8 2 2 12 第五章 存储系统 4 4 六、推荐教材和教学参考资源 推荐教材： 1. [美]Randal E. Bryant & David R. O’Hallaron 著. 深入理解计算机系统（原
书第二版)，龚奕利&雷迎春译.北京：机械工业出版社，2014 参考书： L.[美]David A.Patterson&John L.Hennessy著.计算机组成与设计：硬件 /软件接口.郑纬民等译.北京：机械工业出版社，2008 2.[美]Brian W.Kernighan&Dennis M.Ritchie.C程序设计语言（第2版新 版).徐宝文、李志译.北京：机械工业出版社，2008 学习网站： 1.http://csapp.cs.cmu.edu 2.http://jpkc.fudan.edu.cn/s/258/main.htm 七、其他说明 大纲修订人： 刘辉 修订日期：2020-12-20 大纲审定人： 审定日期：
6 书第二版）.龚奕利 & 雷迎春 译. 北京：机械工业出版社，2014 参考书： 1. [美]David A. Patterson & John L. Hennessy 著. 计算机组成与设计: 硬件 /软件接口. 郑纬民 等 译.北京：机械工业出版社，2008 2. [美]Brian W.Kernighan &Dennis M. Ritchie. C 程序设计语言（第 2 版 新 版）.徐宝文、李志 译. 北京: 机械工业出版社, 2008 学习网站： 1. http://csapp.cs.cmu.edu 2. http://jpkc.fudan.edu.cn/s/258/main.htm 七、其他说明 大纲修订人： 刘辉 修订日期：2020-12-20 大纲审定人： 审定日期：
