《数字逻辑与计算机组成（Digital Logic and Computer Organization）》教学大纲-计算机科学与工程学院（人工智能学院）

《数字逻辑与计算机组成（Digital Logic and Computer Organization）》教学大纲

《数字逻辑与计算机组成（Digital Logic and Computer Organization）》教学大纲

制定时间：2025年1月

一、课程基本信息

（一）适用专业：物联网工程

（二）课程代码：3ZN1032A

（三）学分/课内学时：4学分/64学时

（四）课程类别：专业教育

（五）课程性质：必修/理论课

（六）先修课程：《单片机原理及应用》、《C语言程序设计》、《数据结构》、《电路分析与模拟电子技术》

（七）后续课程：《操作系统》、《编译原理》、《嵌入式Linux应用与开发》

二、课程教学目标

《数字逻辑与计算机组成》是工科高等学校计算机类、软件工程类和物联网工程类专业的一门主干技术基础课，课程理论与实践兼顾，在计算机学科系列课程中处于承上启下的作用。

数字逻辑与计算机组成一直以来都是紧密联系的课程内容，本课程将二者合二为一，更利于加强读者对计算机各组成部件的工作原理的理解以及融会贯通。课程主要内容包括：数据在计算机内部的二进制编码表示；数字逻辑基础内容；组合逻辑电路；各种时序逻辑处理模块的基本原理和实现方法；FPGA设计和硬件描述语言的背景知识及其使用；机器指令中涉及的各类基本运算的运算方法以及相应的运算部件；指令系统的设计；CPU的基本功能和基本结构；各类存储器的工作原理和组织形式；系统互连。在深化计算机各功能部件教学的同时，加强对计算机整机硬件系统组成与运行原理有关的内容，并引入华为鲲鹏等国产处理器作为案例，激发学生投身国产IT生态自主可控事业的使命感。在教学的整个过程中，坚持以硬件知识为主的同时，加深对计算机整机系统中硬件和软件的联系与配合的认识。课程目标及能力要求具体如下：

（一） 具体目标

目标1：能够描述冯·诺依曼机的结构及工作原理，掌握数字逻辑基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路等基本工程科学原理，建立计算机整机概念。通过文献阅读等手段能认识并判断物联网领域的实际工程问题，并找到多种解决方案。（对应毕业要求指标点2.2）

目标2：能够进行物联网软硬件系统的总体设计，能够解释控制器的工作原理，算术逻辑部件的工作原理及运算方法，设计过程中体现创新意识。（对应毕业要求指标点3.3）

目标3：能运用存储芯片的结构，分析存储系统分层结构；能分析计算机系统中指令系统、寻址方式，设计指令系统。掌握I/O系统的作用、I/O接口的结构以及I/O工作模式。识别和分析物联网工程领域的新器件、新装置、新系统、新技术和新模式的应用。（对应毕业要求指标点6.2）

（二）课程目标与毕业要求的对应关系

毕业要求	毕业要求指标点	课程目标	教学单元	评价方式
毕业要求2：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析物联网领域中的复杂工程问题，以获得有效结论。	指标点2.2：能认识并判断物联网领域实际工程问题有多种解决方案，能分析文献寻求可替代的解决方案，能正确表达一个实际工程问题的解决方案。	目标1	计算机组成原理基本概念、数字逻辑基础、组合电路、时序电路、数据表示、运算方法与运算器、存储系统、指令系统、IO和总线	平时作业期中考核期末考核
毕业要求3：能够设计针对物联网领域中的复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的物联网应用系统，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。	指标点3.3：能够进行物联网软硬件系统的总体设计，并在设计过程中体现创新意识。	目标2	组合电路、时序电路、运算器、存储系统、中央控制器、指令系统等设计	实验
毕业要求6：能够基于工程背景知识和技术标准，对物联网工程进行合理分析，评价物联网应用系统及其复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。	指标点6.2：能识别和分析物联网工程领域的新器件、新装置、新系统、新技术和新模式的应用对社会、健康、安全、法律以及文化的潜在影响，能评价物联网应用系统失效对社会、健康、安全、法律以及文化的潜在影响。	目标3	指令系统、控制器、总线、I/O系统、运算器、存储系统	期末考核

三、教学内容与方法

（一）教学内容及要求

序号	教学单元	教学内容（知识点）	学习产出要求	推荐学时	推荐教学方式	支撑教学目标	备注
1	绪论	计算机发展历史、应用概况；冯·诺依曼思想及冯·诺依曼机；计算机的性能指标	了解计算机发展历史；理解冯·诺依曼思想，理解计算机五大部件的作用和在计算机整机系统中的功能；建立计算机整机概念。理解计算机的主要性能指标含义。	2	讲授	目标1	平时作业、试卷考核
2	数据的表示及校验	数据信息在机器中的表示方法；数制及不同数制之间的转换；定点数的表示；定点数的加减运算原理及溢出的概念与检测方法；定点乘法运算和除法运算的工作原理；	掌握数据信息在机器中的表示方法、数制及其相互转换；掌握定点数的加减运算原理，理解溢出及其判定方法；掌握定点数的乘法运算；理解浮点数的表示方法和浮点数的运算。	6	讲授	目标1 目标3	平时作业、试卷考核
3	数字逻辑基础	数字逻辑基础、基本门电路、布尔代数	掌握数字逻辑基础和布尔代数，理解基本逻辑门电路的组成。	6	讲授、实操	目标1 目标2 目标3	平时作业、实验、试卷考核
4	组合逻辑电路	组合逻辑电路构成、典型组合逻辑部件设计、电路时序分析	掌握组合逻辑电路基本原理和典型部件的设计，了解组合逻辑部件时序	8	讲授、实操	目标1 目标2 目标3	平时作业、实验、试卷考核
5	时序逻辑电路	时序逻辑电路构成、典型时序逻辑部件设计、同步时序逻辑设计原理	掌握时序逻辑电路基本原理和典型部件的设计，了解时序逻辑设计原理	8	讲授、实操	目标1 目标2 目标3	平时作业、实验、试卷考核
6	运算方法与运算器	运算器结构及工作原理；数据信息在机器中的表示方法；数制及不同数制之间的转换；定点数的表示；定点数的加减运算原理及溢出的概念与检测方法；定点乘法运算和除法运算的工作原理；浮点数的表示方法；浮点数的四则运算。	掌握数据信息在机器中的表示方法、数制及其相互转换；掌握定点数的加减运算原理，理解溢出及其判定方法；掌握定点数的乘法运算；理解浮点数的表示方法和浮点数的运算。	8	讲授、实操	目标1 目标2 目标3	平时作业、实验、试卷考核
7	存储系统	存储系统分层结构及工作原理；Cache的结构及Cache映射机制；Cache替换算法；内存的工作原理；半导体芯片的结构及扩展；数据纠错原理及海明校验；外存的种类及工作原理。	理解存储系统分层结构，Cache--主存--外存工作原理，理解计算机存储系统采用分层结构的必要性；理解Cache的结构，掌握Cache的工作原理和映射方法；掌握Cache替换算法；掌握内存种类及工作原理，掌握半导体芯片的扩展方法；掌握海明校验原理及方法；理解外存的分类，掌握磁盘结构及工作原理。	12	讲授实操	目标1 目标2 目标3	平时作业、实验、试卷考核
8	指令系统	指令系统的概念；指令的分类；指令的结构；使用汇编指令实现简单运算功能；指令和数据的寻址方式及优缺点对比	掌握指令的基本格式及各个部分的功能；掌握指令和数据的寻址方式；理解典型指令系统的分类和组成。	4	讲授	目标1 目标3	平时作业、试卷考核
9	中央处理器	指令周期、机器周期、节拍、时钟周期、微操作的概念；控制存储器的概念；控制器的基本组成及各构成模块的功能；组合逻辑控制器实现的方法和基本原理；微程序控制器的工作原理；后继微地址产生方法。	理解指令周期、机器周期、节拍、时钟周期、微操作的概念；理解控制存储器的概念；理解控制器的基本组成及各构成模块的功能；理解组合逻辑控制器实现的方法和基本原理；理解微程序控制器的工作原理；后继微地址产生方法。	8	讲授、实操	目标1目标2 目标3	平时作业、实验、试卷考核
10	总线及I/O系统	总线及接口的概念及作用、外设编址方法；三种输入输出方式的原理及对比；DMA控制器结构及工作过程；I/O通道和I/O处理机。	了解接口的概念，掌握外设编址方法；掌握查询方式、中断方式、DMA方式数据传送方式和工作细节；了解I/O通道和I/O处理机作用及功能。	2	讲授	目标1目标3	平时作业、试卷考核

（二）教学方法

1.课堂讲授

（1）采用启发式教学，激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过实践和自学获得自己想学到的知识。

（2）在教学内容上，系统讲授数字逻辑基础、数字电路设计和计算机五大部件：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备的相关知识及其相互联系，使学生能够系统掌握用于解决计算机类、软件工程类专业和物联网工程专业复杂工程问题的专业基础知识。

（3）在教学过程中采用电子教案、平时作业、实验报告等方式，多媒体教学与传统板书、教具教学相结合，课内和课外相结合，提高课堂教学信息量，增强教学的直观性。

（4）理论教学与工程实践相结合，引导学生应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，采用现代设计方法和手段，进行机构分析、综合与仿真，培养其识别、表达和解决数字逻辑设计及计算机组成相关工程问题的思维方法和实践能力。

2.实验教学

实验教学是本课程中重要的实践环节，目的是培养学生运用实验方法设计、验证和创建实践的能力。课程必做实验8个，各实验按照实验指导书的要求学生独立或分组完成，并提交实验报告。

四、考核及成绩评定

（一）考核内容及成绩构成

考核方式在课程目标的比例
课程目标		考核评定方式（占比）				总成绩（占比）
课程目标	平时作业		实验	期中成绩	期末成绩	总成绩（占比）
目标1	10		0	16	25	51
目标2	0		24	0	0	24
目标3	0		0	0	25	25
按占比合计	10		24	16	50	100

课程考核以考核学生能力培养目标的达成为主要目的，以检查学生对各知识点的掌握程度和应用能力为重要内容，包括平时作业考核、期中考试、实验实操和期末考核三个部分。平时考核采用平时作业、期中考核、实验等方式评定学生成绩；期末考核采用笔试评定学生成绩。各课程目标的考核内容、成绩评定方式、目标分值建议如下：

课程目标	考核内容	成绩评定方式	课程目标考核成绩占比	学生当次考核平均得分	课程目标总成绩占比	目标达成情况计算公式
目标1：能够描述冯·诺依曼机的结构及工作原理，掌握数字逻辑基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路等基本工程科学原理，建立计算机整机概念。通过文献阅读等手段能认识并判断物联网领域的实际工程问题，并找到多种解决方案。	数据的表示数字电路基础组合和时序逻辑电路设计运算器、存储器、指令系统和CPU结构	平时作业1,2,3	6	A1	51
	重难点讲解视频观看情况	线上视频观看情况	2	B1
	对课程内容及相关主题的查阅和思考	线上讨论回答情况	2	C1
	数据的表示数字电路基础组合和时序逻辑电路设计	期中成绩	16	D1
	数据的表示数字电路基础组合和时序逻辑电路设计运算器、存储器、指令系统和CPU结构	期末成绩	25	E1
目标2：能够进行物联网软硬件系统的总体设计，能够解释控制器的工作原理，算术逻辑部件的工作原理及运算方法，设计过程中体现创新意识。	基本逻辑部件设计	实验1	3	A2	24
	校验码设计	实验2	3	B2
	组合逻辑电路时序逻辑电路	实验3和4	6	C2
	运算器设计	实验5	3	D2
	存储器设计	实验6	3	E2
	单总线CPU设计	实验7和8	6	F2
目标3：能运用存储芯片的结构，分析存储系统分层结构；能分析计算机系统中指令系统、寻址方式，设计指令系统。掌握I/O系统的作用、I/O接口的结构以及I/O工作模式。识别和分析物联网工程领域的新器件、新装置、新系统、新技术和新模式的应用。	数据的表示数字电路基础组合和时序逻辑电路设计运算器、存储器、指令系统和CPU结构	期末成绩	25	A3	25
按占比合计			100	——	100

（二）平时考核成绩评定

线上视频：支持目标1，占总评分2%，根据雨课堂视频观看完成度给出相应分数。

线上讨论：支持目标1，占总评分2%，根据讨论发言情况给出相应分数。

平时作业：共3次，支持目标1，共占总评分6%。其中3次平时作业主要为客观题和主观题。平时作业由学生自行到雨课堂平台完成，教师评阅后给出学生平时成绩。

对应目标的评分标准如下：

对应目标		目标1：能理解单处理器计算机系统中主要部件的工作原理、组成结构以及相互连接方式。识别和分析物联网工程领域的新器件、新装置、新系统、新技术和新模式的应用。
考查点		能够正确分析和解释单机系统主要部件的工作原理，组成结构以及相互连接方式，能够正确完成相关参数的计算。
成绩比例		6%
评分标准	100% 至 90%	优秀：可以全面正确分析和解释单机系统主要部件的工作原理，组成结构以及相互连接方式，能够正确完成相关参数的计算。
	89% 至 80%	良好：可以正确分析和解释单机系统主要部件的工作原理，组成结构以及相互连接方式，能够正确完成相关参数的计算，但存在少许错误。
	79% 至 70%	中等：可以基本正确分析和解释单机系统主要部件的工作原理，组成结构以及相互连接方式，能够正确完成大部分相关参数的计算。
	69%至 60%	合格：可以基本正确分析和解释单机系统主要部件的工作原理，组成结构以及相互连接方式，但部分内容存在理解错误。能够基本正确完成部分相关参数的计算，但存在较多错误。
	59%至 0%	不合格：不能正确分析和解释单机系统主要部件的工作原理，组成结构以及相互连接方式，存在根本性错误。不能正确完成相关参数的计算，存在错误过多。

实验：必做实验8次，支撑目标2，共占总评分24%。对应目标的评分标准如下：

对应目标		目标2：能够进行物联网软硬件系统的总体设计，能够解释控制器的工作原理，算术逻辑部件的工作原理及运算方法，设计过程中体现创新意识。
成绩比例		24%
考查点		实验操作内容	实验报告
评分标准	100% 至 90%	准确理解相关概念、能够灵活运用所学知识，根据实验指导书，快速、正确实现组合逻辑电路、时序逻辑电路、运算器、存储器以及单总线CPU的设计。实验态度认真，操作能力强，操作、记录规范，沟通、协作很好。	有很强的总结实验和撰写报告的能力，实验报告内容完整、正确，有很好的分析与见解。文本表述清晰，书写工整，格式规范。
	89.9% 至 80%	理解相关概念、能够灵活运用所学知识，根据实验指导书，可完成电路的连接和操作，能够正确实现组合逻辑电路、时序逻辑电路、运算器、存储器以及单总线CPU的设计。实验态度认真，操作能力强，操作、记录规范，沟通、协作良好。	有较强的总结实验和撰写报告的能力，实验报告内容完整、正确，有较好的分析与见解。文本表述较为清晰，书写比较工整，格式规范。
	79.9 至 70%	理解相关概念、能够运用所学知识，根据实验指导书，可完成电路的连接和操作，能够正确实现大部分组合逻辑电路、时序逻辑电路、运算器、存储器以及单总线CPU的设计。实验态度比较认真，操作能力较强，操作、记录规范，沟通、协作正常。	有良好的总结实验和撰写报告的能力，实验报告内容较完整、正确，有自己的分析与见解。文本表述较为清晰，书写较为工整，格式较为规范。
	69.9% 至 60%	基本理解相关概念、能够运用所学知识，根据实验指导书，基本可完成电路的连接和操作，能够部分正确实现组合逻辑电路、时序逻辑电路、运算器、存储器以及单总线CPU的设计。实验态度不太认真，操作能力一般，操作、记录基本规范，有沟通、协作。	有一定的总结实验和撰写报告的能力，实验报告内容基本完整、正确，没有分析或见解。文本表述基本清晰，书写基本工整，格式基本规范。
	59.9%至 0	动手操作能力差；操作、调试不规范，实验中不能完成电路的连接和仿真，无法正确实现组合逻辑电路、时序逻辑电路、运算器、存储器以及单总线CPU的设计。不能正确使用仿真软件和仪器设备。	总结实验和撰写报告的能力差，实验报告内容不完整、错误多。文本表述不清晰，书写潦草、格式不规范。

参考学习资料
推荐教材：《数字逻辑与计算机组成》，袁春风主编，机械工业出版社，2020，第1版，ISBN：9787111665557
推荐教材2：《计算机组成原理（微课版）》，谭志虎主编，人民邮电出版社，2021，第1版，ISBN：9787115558015
推荐教材3：《数字逻辑与处理器基础》，汪玉，李学清等，清华大学出版社，2023， ISBN：9787302637028
推荐教材4：《深入理解计算机系统》，[美] 兰德尔 E.布莱恩特等，机械工业出版社，2016，第3版，ISBN：9787111544937
参考资料1：《计算机组成与设计：硬件/软件接口》，[美] 戴维·A.，帕特森，机械工业出版社，2020，第1版，ISBN：9787111652144

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