课程名称 |
计算机组成原理实验 |
Experiments of Principles of Computer Organization |
开课单位 |
计算机科学与工程学院 |
课程性质 |
必修课 |
课程类别 |
实践环节 |
课程代码 |
210731101801 |
学分 |
1 |
学时 |
22 |
适用专业 |
计算机科学与技术、软件工程、物联网工程、信息安全、智能科学与技术 |
先修课程 |
电路与电子技术、数字逻辑 |
支撑课程 |
计算机组成原理 |
授课语言 |
中文 |
一、课程简介
(一)课程中文简介
《计算机组成原理实验》涉及到计算机系统中各种软件与硬件资源的管理,具有很强的实践性,计算机组成原理实验课程可以帮助学生将理论和实践紧密结合。通过本课程的学习,使学生掌握计算机的基本组成、工作原理、计算机运行程序的过程等。
通过计算机组成原理实验课程,学生掌握机器数的表示、各种运算方法及硬件实现、理解存储器的工作原理和组成、掌握控制器的设计方法与中央处理器CPU 的实现原理, 掌握计算机的指令系统,掌握系统总线技术、输入输出系统组织与 I/O 设备的基本知识,能够利用数字电路EDA工具,设计单周期MIPS CPU,,建立起计算机系统的整体概念,加深对计算机系统结构的理解。通过课程实验巩固理论知识,提高对计算机技术与应用领域复杂工程问题的理解能力。
(二)课程英文简介
Experiments of computer organization involve the management of computer software and hardware resource, with strong practicality, can help students to combine closely the theory and practice by the course. Through the course, Students can understand the basic components of the computer, working principle, the process of computer running program etc.
Through the course of experiments of computer organization, Student should understand the machine number,various algorithms and hardware architecture, the working principle and composition of memory, the design principle of CU and the working principle of CPU,the instruction system of computer, the bus technology of computer system, organization of Input/output system and Basic knowledge of I/O device, Design a single-cycle MIPS CPU using digital circuit simulation EDA tools. Finally, student should have the whole concept of the computer system to deeply understand the principles of computer system. Understand theoretical knowledge through experiments, improve the understanding abilities of complex engineering problems in computer key technology and application fields.
二、实验课程目标
本课程的目标包括:
CO1:巩固计算机组成原理的基础理论知识,掌握冯-诺依曼计算机的特点,理解总线、存储器、输入输出接口、运算器和控制器的基本组成。
CO2:巩固冯-诺依曼计算机的工作原理、计算机运行程序的基本过程,理解计算机指令系统基本工作原理,掌握微控制器实现方法,能够采用微程序存储逻辑实现计算机控制器的设计。
CO3:综合运用冯-诺依曼计算机的理论知识,利用EDA工具进行MIPS微程序CPU设计,建立起计算机系统的总体架构,搭建计算机系统基本模型机,提高解决复杂工程问题的能力。
课程目标与所支撑的毕业要求指标点的对应关系如表所示。
适用专业 |
毕业要求内涵观测点 |
课程目标 |
计算机科学与技术 |
GR3.2:能够针对复杂工程问题的特定需求完成系统、模块的软件设计和硬件设计。 |
CO1,CO2 |
GR5.1:掌握现代信息技术的使用原理和方法,并理解其局限性,能够选择与使用恰当的软硬件开发环境与工具,对计算机技术与应用领域的复杂工程问题进行模拟与仿真。 |
CO3 |
软件工程 |
GR5.1:能够了解软件工程专业常用硬件设备、信息技术工具与模拟软件的使用原理与方法,并理解其局限性。 |
CO1,CO2 CO3 |
物联网工程 |
GR5.1:能够选择与使用恰当的现代化工具,对物联网应用领域的复杂工程问题进行建模、仿真、预测。 |
CO1,CO2 |
GR5.2:能够针对物联网复杂工程问题的背景知识,评价平台环境和有效资源所能解决问题的局限性。 |
CO3 |
信息安全 |
GR3.3:能根据目标选取恰当的信息安全技术与设计流程。 |
CO1,CO2 |
GR5.1:了解信息安全技术工具、方法,并能理解其使用范围。 |
CO3 |
智能科学与技术 |
GR5.1:了解人工智能领域的软硬件开发工具和模拟软件,掌握其使用方法。 |
CO1,CO2 CO3 |
三、实验内容与要求
(一)实验设计
演示性
演示性实验一个:Logisim+Educoder平台使用。通过Logisim + Educoder实验平台使用,使学生熟悉实验工具,掌握实验的一般操作步骤和调试方法,为开展计算机组成原理实验做准备。
验证性
验证性实验两个:分别是八位可控加减法器、MIPS寄存器组。通过验证性实验使学生掌握计算器和寄存器的基本组成,加深巩固理论知识,深刻领会计算机基础电路的工作原理。
综合性
综合性实验三个:分别是原码一位乘法器、MIPS运算器、汉字字库存储芯片扩展实验。使学生能够在基本验证性模块电路基础上,逐步锻炼学生实际动手能力及排除故障的能力。
设计研究性
设计研究性实验两个:MIPS RAM设计、单周期MIPS CPU(8条指令)设计。MIPS RAM设计实验使学生掌握计算机中的存储器系统;单周期MIPS CPU设计实验利用EDA工具设计单周期MIPS微程序CPU。使学生能够针对计算机技术与应用领域的复杂工程问题设计实验方案、构建实验系统和测试平台、获取实验数据。
实验课程目标 |
实验模块(可选) |
对应实验 |
CO1 |
|
实验1, 实验2, 实验3 |
CO2 |
|
实验4,实验5,实验6 |
CO3 |
|
实验7,实验8 |
(二)实验内容及要求
编号 |
实验项目 |
学时数 |
实验内容 |
实验类型 |
实验要求 |
1 |
Logisim+Educoder平台使用 |
2 |
掌握Logisim + Educoder实验平台,熟悉实验工具操作步骤和调试方法 |
演示性 |
必做 |
2 |
八位可控加减法器 |
2 |
掌握八位可控加减法器的工作原理,设计快速加法器 |
验证性 |
必做 |
3 |
MIPS寄存器组 |
2 |
1.熟悉通用寄存器组成和硬件电路 2.掌握MIPS寄存器组的工作原理,完成寄存器的数据写入与读出 |
验证性 |
必做 |
4 |
原码一位乘法器 |
4 |
1.掌握字与字节运算的数据传输格式 2.掌握原码一位乘法器的工作原理 |
综合性 |
必做 |
5 |
MIPS运算器 |
4 |
1.掌握MIPS运算器的电路组成与结构 2.掌握运算器的工作原理,完成算术/逻辑/移位运算实验 |
综合性 |
必做 |
6 |
汉字字库存储芯片扩展 |
2 |
1.掌握汉字字库的存储芯片的工作原理 2.掌握汉字字库的存储扩展方法,并使用正确的字库数据填充 |
综合性 |
必做 |
7 |
MIPS RAM设计 |
4 |
1.理解存储系统位扩展、字扩展的基本原理 2.掌握存储部件在计算机中的运用 |
设计研究 |
必做 |
8 |
单周期MIPS CPU (8条指令)设计 |
4 |
1.掌握控制器设计的基本原理, 2.利用硬布线控制器的设计原理在EDA平台中设计实现一个MIPS CPU单周期处理器 |
设计研究 |
必做 |
四、实验设备与环境配置
1.实验设备:Dais-CMX 系列十六位体系结构计算机组成原理实验箱;
2.主要耗材:各型号的计算机芯片,导线等实验耗材。
3. 模拟仿真EDA工具:Logisim数字电路模拟仿真EDA工具。
4. 实验题目及结果:利用计算机组成原理实验箱和Logisim数字电路模拟仿真EDA工具进行实验,根据实验实际操作表现判定实验结果。
五、课程思政、创新创业元素
教学章节 |
知识点 |
思政元素案例 |
培养目标 |
备注 |
实验2 |
八位可控加减法器 |
总线通信技术特点及发展现状 |
总线通信技术可实现高速数据传输,培养学生严谨、艰苦奋斗、求真务实、百折不挠,坚持真理的科研精神。 |
|
实验3 |
MIPS寄存器组 |
结合华为芯片被美国封锁事件,比较国内高性能芯片领域存在的差距和不足之处。 |
激励学生学习先辈们在异常艰苦条件下孜孜不倦的学习精神和踏踏实实做学问的精神,培养学生的爱国主义情感和崇尚科学的精神。 |
|
实验5 |
MIPS运算器 |
中国超算发展现状,运算器性能是衡量计算机性能的重要指标,探索串行和并行运算器的基本工作原理 |
结合并行加法器的基本工作原理和基础知识,使学生掌握提高计算机快速运算的基本思路,引导学生切忌好高骛远,培养踏实的学习精神。 |
|
实验7 |
MIPS RAM设计 |
数据存储技术特点及发展现状 |
结合存储器设备案例,引导学生树立正确道德观念,激发学生精益求精的工匠精神,求知欲望及科技报国的使命担当。 |
创新创业教育 |
实验8 |
单周期MIPS CPU设计 |
国产CPU芯片发展现状 |
结合微指令控制器的基本工作原理,使学生掌握计算机微指令设计的基本思路,引导学生踏实的学习精神和科学创新精神。 |
创新创业教育 |
六、主要参考资料
[1] 谭志虎,秦磊华等.计算机组成原理. 北京:人民邮电出版社,2021年.
[2] 谭志虎,秦磊华等.计算机组成原理实践教程. 清华大学出版社,2018年.
[3] 戚梅,计算机组成实验指导书,自编,2015
[4] 唐朔飞,计算机组成原理(第二版),高等教育出版社,2012.
[5] 唐朔飞,计算机组成原理--学习指导与习题解答,高等教育出版社,2012.
[6] 白中英,计算机组成原理(第五版),科学出版社,2016.
七、考核方式、方法及实验成绩评定方法
考核成绩可以采用五级制或百分制。课程成绩主要包含平时成绩(占80%)、实验报告(占20%),也可以进行期末考核。平时成绩考核学生实验环节中的实际操作表现,主要针对考勤、课堂表现、实验展示、独立分析与解决问题能力等方面进行评价。考勤为扣分项,每缺勤一次扣5分。实验成绩的计算公式为:
实验成绩=平时成绩×80% +实验报告×20% -缺勤次数×5
(一)评分标准
考核 环节 |
<60 (不及格) |
60-69 (及格) |
70-79 (中等) |
80-89 (良好) |
90-100 (优秀) |
考勤 |
考勤为扣分项,每缺勤一次扣5分 |
课堂 表现 |
1)旷课超过30%; 2)学习态度欠端正; 3)沟通能力较弱,团队合作能力较差; |
1)出勤率不低于70%; 2)学习态度较为端正; 3)沟通能力一般,团队合作能力较差; |
1)出勤率不低于80%; 2)学习态度较为端正; 3)沟通能力较好,具备良好团队合作能力 |
1)出勤率不低于90%; 2)学习态度端正,认真负责; 3)具备较高的沟通并解决问题能力,较好团队合作能力 |
1)出勤率不低于90%; 2)学习态度端正,认真负责; 3)具备良好的沟通并解决问题能力和团队合作能力; |
实验 展示 |
不能按时完成实验内容;不能解答提出的问题; |
能够完成部分实验,实验存在故障;能解答部分问题; |
基本能够完成实验要求,存在轻微故障;能正确解答大部分问题; |
能够完成实验要求,实验无故障,能够正确解答提出的问题; |
能够良好完成实验要求,实验无故障,创新性良好;能够正确解答问题,答辩流畅 |
独立分析与解决问题能力 |
不能完成实验任务,实验思路错误或不能理解实验内容及任务 |
在别人帮助下能够完成部分实验;实验思路较清晰,能够基本理解实验内容及任务 |
大部分实验基本都能独立完成;实验思路清晰,能较好理解实验内容及任务 |
实验基本都能独立完成;思路清晰合理,能够良好的理解实验内容及任务 |
实验能够独立完成,具备良好创新性;思路清晰,良好的理解实验内容要求及任务 |
实验 报告 |
不按要求撰写实验报告,不交实验报告 |
实验报告内容撰写不完整,不认真 |
实验报告成绩综合为中等,撰写较为认真 |
实验报告成绩综合为良好,报告撰写较为认真规范 |
实验报告成绩综合为优秀,报告撰写认真规范 |
期末 考核 |
不参加综合实验考核,不参加期末实验课程考查 |
在别人的帮助下基本能够完成综合实验或考查 |
基本能够独立完成大部分综合实验考核或实验考查 |
能够独立完成综合实验考核或期末实验课程考查 |
能够独立完成综合实验考核或期末实验考查 |
(二)实验项目(或考核环节)权重
实验项目(或考核环节) |
目标1 |
目标2 |
目标3 |
Logisim+Educoder平台使用 |
20% |
|
|
八位可控加减法器 |
40% |
|
|
MIPS寄存器组 |
40% |
|
|
原码一位乘法器 |
|
30% |
|
MIPS运算器 |
|
40% |
|
汉字字库存储芯片扩展 |
|
30% |
|
MIPS RAM设计 |
|
|
50% |
单周期MIPS CPU设计 |
|
|
50% |
|
100% |
100% |
100% |
撰稿人:于建志
审核人:韩进
批准人:罗汉江