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1、数字逻辑及计算机组成原理(Digital Logic and Principles of Computer Organization)课程代码：08410019学分：3.0学时：64 （其中：课堂教学学时：56实验学时：8上机学时：0 课程实践学时：0 ）先修课程：计算机基础、程序设计、电工学适用专业：信息管理与信息系统教材：数字逻辑电路设计，鲍可进，清华大学出版社，2015年9月第3版；计算机组成原理， 唐朔飞，高等教育出版社，2008年1月第2版。一、课程性质与课程目标（一）课程性质数字逻辑及计算机组成原理课程是信息管理与信息系统及相近专业的专业必修基础课，是 学习了计算机基础、程序设计、
2、电工学基础之后的一门课程，在专业的课程体系中起着承上启下的 作用。本课程内容包括数字逻辑与计算机组成原理两大部分，两部分既有区别又紧密相关，前者可 以为后者提供必要的理论基础。其间，要求学生能够掌握数字电路及数字逻辑的基本知识，能够分 析和设计基本的数字逻辑电路，能够掌握计算机各大部件的基本组成、基本原理、各部件间的相互 联系以及各部件在整机中的作用等内容。通过本课程的学习，目的是培养学生具有初步的硬件系统 分析、设计和使用的能力；并为学习后继专业课程打下基础，也为其他课程的学习或从事科学研究 和工程技术工作准备必要的硬件方面的基础知识。（二）课程目标课程目标1:掌握基础知识如数制和编码、逻辑
3、代数、数据的机器表示、指令系统等，能掌 握运用逻辑代数设计逻辑电路的方法。课程目标2：掌握组合逻辑、时序逻辑的分析和设计的方法，具有数字逻辑电路分析与设计 的基本能力。课程目标3：掌握CPU与存储器连接的分析和设计的方法以及计算机各子系统互相连接构成 整机系统的技术，具有初步的计算机硬件系统分析和使用的能力。（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系1验证半加器和全加器2验证必做目标22同步十进制加法计数器2验证必做目标23主存储器组织2验证必做目标34运算器数据通路2验证必做目标3实验1：验证半加器和全加器1、实验目的(1)掌握用TTL小规模集成电路设计组成逻辑电路的方法。(2)进一步加深
4、对半加器、全加器的逻辑功能的理解。2、实验主要内容(1)根据半加器、全加器的真值表，求出输出函数。(2)根据给出的74LS00芯片，将输出函数化成两输入的与非一与非形式。(3)在数字系统基本实验单元板上组成实验电路并验证逻辑功能。实验2：同步十进制加法计数器1、实验目的(1)加学对集成电路的功能模块的使用知识。(2)进一步掌握时序电路的分析与设计方法。2、实验主要内容(1)根据74LS160芯片的引脚图和功能表(查阅附录)在数字系统基本单元板上组成实验线路。(2)验证逻辑功能。(3)考虑其他进制计数器如何实现如六进制，七进制等。实验3：主存储器组织1、实验目的掌握存储器的结构和存储器的字位扩展
5、方式。2、实验主要内容(1)存储器地址范围的计算。(2)片选信号生成的验证与分析。(3)存储器读操作与写操作的验证与分析。实验4：运算器数据通路1、实验目的(1)理解运算器数据通路的组成结构。(2)掌握运算器的工作原理和信息传递的控制过程。(3)掌握双倍字长加减运算的方法。2、实验主要内容(1) ALU控制编码的分析与讨论。(2)验证逻辑功能。(3)包含ALU,移位寄存器，通用寄存器组，三态总线等在内的数据通路信息传递控制过程的 验证与分析。四、学时分配及教学方法章教学形式及 学时分配主要教学方法支撑的课程目标课堂 教学实验小 计第一章数字系统与编码2讲授目标1第二章组合逻辑的分析与设计142
6、讲授、实验目标1、2第三章时序电路的分析与设计102讲授、实验目标2第四章 计算机系统概论3讲授目标3第五章系统总线3讲授目标3第六章存储器102讲授、实验目标3第七章输入输出系统4讲授目标3第八章运算方法和运算器62讲授、实验目标1、3第九章指令系统4讲授目标1、3合计56864五、课程考核考核形式考核要求考核权重备注平时成绩平时作业：课后完成30-40道习 题，主要考核学生对每章知识点 的复习、理解和掌握程度，计算 全部作业的平均成绩再按10%计 入课程总成绩。10%点名及课堂提问：以随机的形 式，在每章内容进行中或结束 后，会随机提问，根据回答的正 确度给分，结合平时的点名(缺10%一次
7、扣一分），最后按10%计入 课程总成绩。实验成绩完成4个实验，主要考核学生利 用实验设备验证逻辑电路的能 力并对实验结果进行分析的能 力，最后按10%计入课程总成绩。10%期末考试试卷题型包括判断题、选择题、 填空题、简答题和综合分析应用 题等，采用闭卷笔试并以卷面成 绩的70%计入课程总成绩。70%六、参考书目及学习资料1 .数字电子技术基础，侯建军，高等教育出版社，2015年3月第3版。2 .计算机组成原理，张基温主编，清华大学出版社，2016年5月第6版。七 大纲说明1 .本课程全部采用多媒体教学方式。2 .每章结束后布置一些作业，主要是书中所附的习题与思考题。3 .课程总成绩二平时成绩
8、X 20%+实验成绩X 10%+期末考试成绩X 70%o2017年9月18日毕业要求1:系统地掌握经济管理科学、信息技术和信息管理的基本理论与政策、知识与技能。毕业要求2：能够熟练运用信息化工程理论、方法与工具。毕业要求10：能承担信息中心的信息管理工作与培训机构的教育工作。程目标毕业要求指标课程目标1课程目标2课程目标3毕业要求1LL毕业要求2LL毕业要求10LLL二、课程内容与教学要求第一章数字系统与编码（一）课程内容.本课程的性质、目的、任务、学习方法、数字逻辑电路的特点。2,数制及数制之间的转换。3.十进制数的编码及可靠性编码。（二）教学要求.理解数字信号与模拟信号的特点；1 .理解数
9、字电路的特点与应用；.掌握常用进制（十进制、二进制、八进制和十六进制）的表示方法及其相互转换；2 .掌握BCD码、格雷码的特点，它们与二进制数之间的转换关系以及奇偶校验码的特点。（三）重点与难点.重点二进制与十进制之间的关系。1 .难点无。第二章组合逻辑的分析与设计（一）课程内容.数字信号基础。2 .基本逻辑门电路。3 .逻辑代数基础。4 .逻辑函数的化简。5 .组合逻辑电路的分析。6 .组合逻辑电路的设计及其举例。7 .常用中规模通用集成电路设计逻辑电路的方法。（二）教学要求.理解逻辑电平、正负逻辑的概念，掌握基本逻辑门及复合逻辑门符号的含义。1 .掌握三种基本逻辑运算（与、或、非）的表达式
10、、真值表表示方法。2 .掌握逻辑代数的公理、定理，对偶关系以及在逻辑代数化简时的作用。3 .掌握逻辑函数的表示方法（真值表、积之和与和之积标准型、逻辑电路图、卡诺图、波 形图）及其相互之间的转换；掌握逻辑函数的公式化简法和卡诺图化简法。4 .理解最小项、最大项、约束项的概念，并掌握它们在逻辑函数化简中的应用。5 .掌握组合逻辑电路的分析方法。6 .掌握组合逻辑电路的设计方法。7 .理解利用基本的逻辑门完成规定的组合逻辑电路（如编码器、译码器、多路选择器、数 值比较器、全加器）的基本概念、工作原理，掌握利用这些已有的中规模集成电路（MSI）逻辑器件 作为设计的基本元素完成更为复杂的组合逻辑电路设
11、计的方法（即：熟练掌握芯片的扩展设计）。（三）重点与难点1.重点与或非门的表示及复合门的表示，逻辑函数的化简，集成电路设计逻辑电路的方法。2,难点逻辑函数的化简和表达式形式变换，运用现有的集成电路设计逻辑电路。第三章时序电路的分析与设计（一）课程内容1 .双稳态触发器的工作原理。2 .同步时序逻辑电路的分析。3 .常用同步时序逻辑电路。4 .同步时序逻辑电路的设计。5 .时序电路设计举例。（二）教学要求1 .理解触发器的定义以及基本RS触发器、同步RS触发器、主从触发器、边沿触发器的电 路结构和工作原理，掌握触发器的逻辑功能、特征方程表达式。2 .掌握时序逻辑电路的定义，深刻理解组合逻辑电路和
12、时序逻辑电路的区别。3 .掌握同步时序逻辑电路的模型图，状态机类型及其基本分析方法和步骤，理解状态转换 表、状态转换图及时序图在分析时序电路中的重要作用。4 .掌握同步时序逻辑电路的设计过程：状态转换过程的建立，状态表的化简与编码赋值、 输出函数和激励函数的求解方法。（三）重点与难点.重点双稳态触发器的状态表、状态图、次态方程、激励表，时序电路的分析与设计。1 .难点RS、JK触发器的逻辑特性，时序电路的设计。第四章 计算机系统概论（一）课程内容本章从基本概念入手，讨论计算机的基本组成与工作原理，让学生对于计算机系统先有一个简 单的整体概念，为今后深入讨论各个部件打下基础。1 .计算机系统简介
13、：计算机系统中软件和硬件的基本概念；计算机系统的层次结构。2 .计算机的基本组成：冯诺依曼计算机的特点；计算机硬件的基本组成；计算机的工作过 程。3 .计算机系统的性能指标：机器字长；存储容量；运算速度。4 .计算机的发展史：计算机的产生和发展过程；微型计算机的出现和发展。（二）教学要求.理解计算机系统中硬件和软件的关系、计算机系统的含义。1 . 了解计算机系统的层次化结构、实际机器和虚拟机器的概念。2 . 了解系列机和软件兼容的概念。3 .理解冯诺依曼计算机的特点、计算机5大基本部件的功能。4 . 了解存储程序的概念。5 .掌握CPU和主机这两个术语的含义。6 .理解计算机中的主要性能指标（
14、机器字长、存储容量、CPU时钟周期、主频、CPI、MIPS 等）。7 . 了解计算机硬件的发展历程、摩尔定律的内容。（三）重点与难点.重点掌握冯诺依曼计算机的特点、计算机硬件的基本组成。1 .难点了解计算机系统的层次结构。第五章系统总线（-）课程内容在大多数计算机系统中，无论是计算机内部各部分之间，还是计算机与外部设备之间，数据传 送都是通过总线（bus）进行的。可以说，总线是计算机及其系统的重要组成部分。本章介绍总线的 有关概念、常见总线标准与总线仲裁方法。L总线的基本概念。2 .总线的分类：片内总线；系统总线；通信总线。3 .总线特性及性能指标：总线特性；总线性能指标；总线标准。4 .总线
15、结构：单总线结构；多总线结构。5 .总线控制：总线判优控制。（二）教学要求. 了解总线的有关概念。1 .理解总线的分类。2 .理解总线常见性能指标的含义。3 .理解独立编址I/O和统一编址I/O的区别。4 .理解3种总线判优和仲裁方式的区别。5 . 了解常见的总线标准。（三）重点与难点.重点总线的组成及性能指标。1 .难点总线判优控制。第六章存储器（一）课程内容存储系统是由几个容量、速度和价格各不相同的存储器构成的系统，设计一个容量大、速度快、 成本低的存储系统是计算机发展的一个重要课题。本章重点讨论主存储器的工作原理、组成方式以 及运用半导体存储芯片组成主存储器的一般原则和方法，此外还介绍了
16、高速缓冲存储器和虚拟存储 器的基本原理。1 .概述：存储器的分类；存储器的层次结构。2 .主存储器：概述；半导体存储芯片简介；随机存取存储器；只读存储器；主存储器与 CPU的连接；提高访存速度的措施。3 .高速缓冲存储器：Cache的基本原理；Cache一主存地址映射；替换策略。（二）教学要求1 . 了解存储器的各种分类方法、存储系统的两个层次（Cache-主存层次，主-辅存层次）、 主存储器的基本结构。2 .理解主存储器的有关术语（如位、存储字、存储单元、存储体等）及主要技术指标。3 .掌握字节编址存储器的各种访问方法，将不同长度的数据按要求存放在存储器中。4 .了解半导体随机存储器（静态R
17、AM和动态RAM）不同的基本存储原理。5 .理解动态RAM的3种不同刷新方式的特点。6 . 了解RAM芯片的基本结构。7 .理解各种不同ROM的特点。8 .理解主存储器中包括RAM和ROM两种形式。9 .掌握主存储器容量的各种扩展方法，使用若干存储芯片构成存储器。10 .掌握存储芯片的地址分配和片选信号的产生。11 .理解主存储器和CPU的软连接（读写操作）。12 . 了解提高RAM芯片速度的技术。13 . 了解并行交叉存储技术。14 .理解Cache的特点和Cache的实现技术。15 .理解虚拟存储器的概念。（三）重点与难点.重点存储器的分层结构、高速缓冲存储器Cache的基本原理、主存储器
18、与CPU的连接。1 .难点半导体随机存取存储器的组织、主存储器与CPU的连接、Cache和主存之间的地址映 射。第七章输入输出系统（一）课程内容计算机的输入输出系统是整个计算机系统中最具有多样性和复杂性的部分，本章首先讨论主机 与外设之间的连接问题，接着重点介绍程序查询方式、程序中断方式和DMA方式3种输入输出控 制方式。1 .概述：输入输出系统的发展概况；输入输出系统的组成；I/O设备与主机信息传送的控 制方式。2 . I/O接口 ： I/O接口的功能和组成；接口的分类。3 .程序查询方式：程序查询流程；程序查询方式的接口电路。4 .程序中断方式：中断的概念；I/O中断的产生；程序中断方式的
19、接口电路；I/O中断处 理过程；中断服务程序的流程。5 . DMA方式：DMA方式的特点；DMA接口的功能和组成；DMA的工作过程；DMA接口的类型。（二）教学要求.理解输入输出接口和端口概念的不同。1 . 了解接口的类型。2 . 了解各种输入输出信息传送控制方式的特点和适用范围。3 . 了解程序查询方式的特点和工作流程。4 .理解程序中断的基本概念。5 .理解程序中断与调用子程序的区别。6 .掌握CPU响应中断的3个条件。7 .掌握中断隐指令的特点以及中断隐指令完成的3个操作。8 .理解进入中断服务程序的方法（向量地址的形成）。9 .理解中断允许触发器的作用以及开、关中断的时机。10 .掌握
20、中断屏蔽的概念，通过改变中断屏蔽字实现中断升级。11 .掌握DMA方式的特点。12 .理解DMA方式和程序中断方式的区别。13 .掌握DMA传送方法和DMA传送过程。（三）重点与难点.重点掌握I/O接口的职能、I/O端口的编址方式、中断过程、DMA过程。1 .难点I/O端口的编址方式、中断方式的接口电路、DMA接口电路、DMA过程。第八章运算方法和运算器（-）课程内容数据是计算机加工和处理的对象，数据的机器层次表示将直接影响到计算机的结构和性能。运 算器是计算机进行算术运算和逻辑运算的主要部件，运算器的逻辑结构取决于机器的指令系统、数 据表示方法和运算方法等。本章主要介绍无符号数和带符号数的表
21、示方法、数的定点与浮点表示方 法、字符和汉字的编码方法、数值数据在计算机中实现算术运算和逻辑运算的方法以及运算部件的 基本结构和工作原理。1 .无符号数和有符号数：无符号数的表示和作用；真值和机器数。2 .数的定点表示和浮点表示：定点整数和定点小数的表示；浮点数的表示（包括浮点数的 形式、浮点数的规格化、浮点数的表示范围）。3 .定点数运算：移位运算；加减运算。4 .浮点四则运算：浮点加减运算。5 .算术逻辑单元：ALU电路和快速加法器。（二）教学要求. 了解无符号数与带符号数的区别。1 . 了解真值和机器数的概念。2 .掌握原码、补码和反码表示法和3种机器数之间的区别。3 .理解定点数表示法
22、。4 .掌握定点数的表示范围。5 .理解浮点数表示法。6 .掌握浮点数的表示范围。7 .理解规格化浮点数的概念。8 .掌握最小规格化正数与最小正数的区别。9 .理解浮点数阶码的移码表示法。10 .理解常见的字符编码方法（ASCH码）。11 . 了解汉字的表示方法。12 .掌握汉字国标码、区位码、机内码和字形码的特点和区别。13 . 了解串行加法器与并行加法器的区别。14 .理解进位产生和进位传递的概念。15 .掌握并行加法器不同进位方式的特点与区别。16 . 了解-丫补的含义和求-Y补的方法。17 .掌握定点加法和减法运算方法。18 . 了解溢出产生的原因。19 .掌握双符号位补码判断溢出的方
23、法。20 .掌握补码的左移、右移运算方法。21 . 了解常见的舍入操作方法。22 .理解浮点加、减运算的过程。23 . 了解运算器的基本结构。24 .掌握典型的ALU芯片（74181、74182）。（三）重点与难点.重点无符号数的表示、定点数的补码表示、定点数的移位运算和加减运算、浮点数的加减运 算、ALU的功能。1 .难点浮点数的规格化、浮点数的表示范围、浮点数的运算、算术逻辑单元ALU的设计和快速进位链。第九章指令系统（一）课程内容指令和指令系统是计算机中最基本的概念。指令是指示计算机执行某些操作的命令，一台计算 机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称指令集。指令系统是计算机的主要属性
24、，位于硬件 和软件的交界面上。本章将讨论一般计算机的指令系统所涉及的基本问题。1 .机器指令：指令的一般格式；指令字长。2 .寻址方式：指令寻找；数据寻址。（二）教学要求. 了解指令的基本格式。1 .理解规整型指令（定长操作码）、非规整型指令（扩展操作码）的特点。2 .掌握扩展操作码指令的格式设计。3 .理解不同地址码（三、二、一、零地址）双操作数指令的区别。4 .理解数据寻址和指令寻址的区别。5 . 了解数据寻址的最终目的。6 .理解常见寻址方式（立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、 基址寻址、变址寻址、相对寻址和堆栈寻址）的特点。7 .掌握直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址寻址、变址寻址和相对 寻址方式中有效地址EA的计算。8 .理解自底向上的存储器堆栈的概念及堆栈的进、出栈操作。9 .掌握进栈、出栈时栈指针的修改和数据的压入和弹出。（三）重点与难点.重点数据寻址方式、扩展操作码编码技术。1 .难点对扩展操作码指令的格式设计。三、本课程开设的实验项目（如课程不含实验，该项可不填）编号实验项目名称学时类型要求支撑的课程目标