《数字逻辑与计算机组成综合训练（Combined training of 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综合训练（Combined training of Digital Logic and Computer Organization）》教学大纲

《数字逻辑与计算机组成综合训练（Combined training of Digital Logic and Computer Organization）》教学大纲

制定时间：2024年04月

一、课程基本信息

（一）适用专业：本科物联网工程

（二）课程代码：3ZN1033A

（三）学分/课内学时：1学分/16学时

（四）课程类别：专业教育

（五）课程性质：必修/实践课

（六）先修课程：《单片机原理及应用》、《C语言程序设计》、《数据结构》、《数字逻辑与计算机组成》

（七）后续课程：《操作系统》、《编译原理》、《嵌入式Linux应用与开发》、毕业设计等

二、课程教学目标

《数字逻辑与计算机组成综合训练》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实践课。

在本课程实验中，将“数字逻辑”和“计算机组成原理”两门课程的教学和实验有机地贯通起来，自底向上进行了一体化的实验设计。通过本课程设计使学生在了解数字系统设计过程及CPU设计原理的基础上，能够由浅入深地掌握逻辑电路原理图绘制、Verilog硬件描述语言编程、FPGA开发板的调试和仿真工具的熟练使用，并能依照实验设置，配合“数字逻辑”及“计算机组成原理”理论内容，从CPU基本部件实验做起，逐步实现自己的CPU设计和系统综合调试，从而提高读者解决复杂计算机工程问题的能力。课程目标及能力要求具体如下：

（一）具体目标

目标1：能通过独立查阅相关文献资料，并在对文献资料进行综合分析后，理解课题任务，根据课题需求提出技术方案，确定比较合理的实施方案。（对应毕业要求指标点4.2）

目标2：熟练掌握数字逻辑基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路和同步时序逻辑设计的工作原理。能够完成FPGA设计及其对应的硬件Verilog语言描述。通过Verilog语言完成组合逻辑和时序逻辑的代码实现。（对应毕业要求指标点1.3）

目标3：熟练掌握冯·诺依曼机的结构及工作原理，掌握控制器的工作原理，算术逻辑部件的工作原理及运算方法。掌握存储芯片的结构，理解存储系统分层结构。掌握计算机系统中指令系统的概念、寻址方式，了解指令系统的设计。根据系统方案合理设计硬件电路，能够对设计硬件电路进行连接测试，能够正确配置硬件模块。（对应毕业要求指标点3.3）

（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
1.掌握本专业必需的数学、自然科学、工程基础和专业知识，能够用于解决物联网领域的复杂工程问题。	1.3：能够将数学、自然科学、工程科学与技术（工程基础）和计算机专业的相关知识和数学模型方法用于推理、分析物联网领域复杂工程问题	目标2	选题、系统方案设计	实训报告实训答辩
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。	3.3：能够进行物联网应用系统的硬件配置、控制程序设计、应用程序开发；（商品化设计，并在设计过程中体现创新意识）	目标3	电路设计与EDA软件使用;软硬件编程调试	实训报告实训答辩
4.能够基于科学原理，采用适当的工程方法对物联网领域的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。	4.2：能够正确采集和整理实验数据，对实验结果进行分析和解释，获取有效结论；（制定技术路线、设计实验方案、构建实验系统）	目标1	撰写综合训练报告	实训报告

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	选题、系统方案设计	1.分组选题 2. 查阅并分析相关文献资料 3.根据制定的总体方案设计要求，选用合适的技术方案	能根据系统的要求，掌握数字逻辑与计算机组成系统方案设计	8	讲授、指导	目标2
2	电路设计与EDA软件使用	1.常见组合电路和时序电路模块设计和实现 2.计算机各个部件设计和实现 3.EDA软件使用方法	掌握组合电路、时序电路和计算机五大部件的基本电路实现。	8	指导、实验	目标2
3	软硬件编程调试	1.各部分硬件电路的编程实现，编写各模块程序 2.整体系统搭建和软件开发调试	掌握各部分硬件连接方法，掌握硬件编程方法，对整体系统进行编程，完成设计功能	16	指导、实验	目标2
4	撰写综合训练报告	根据各自选题要求，完成综合训练报告撰写，具体包括系统方案设计，器件选型，电路设计，软件设计，功能测试，综合训练技术总结等。	1.报告包括目录、正文、参考文献等内容； 2.格式参照学校毕业论文的规范要求。	8	指导、答辩	目标1和3	分组答辩、实训报告

（二）教学方法

（1）采用案例式教学，引入具体的工程案例，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过自学和工程实践提升动手实践能力。

（2）在教学内容上，系统讲授项目选题与系统方案设计方法，指导学生完成开发环境搭建、方案设计、软硬件编程，并最终完成综合训练报告，使学生能够系统掌握数字逻辑与计算机组成专业知识。

（3）在教学过程中采用电子教案，多媒体教学与传统板书、教具教学相结合，提高课堂教学信息量，增强教学的直观性。

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）
	实习（实训）报告		成果演示及答辩
目标1	40		0	40
目标2	10		20	30
目标3	10		20	30
按占比合计	60		40	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，包括成果演示及答辩、实训报告两个部分，考核方式：考查。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	成绩占总评分比例	目标成绩占当次考核比例	学生当次考核平均得分	目标达成情况计算公式
目标1：能通过独立查阅相关文献资料，并在对文献资料进行综合分析后，理解课题任务，根据课题需求提出技术方案，确定比较合理的实施方案。	文献综述、技术方案、总体设计的理解程度和独立完成程度等	实践报告	40%	66.67%	A1
目标2：熟练掌握数字逻辑基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路和同步时序逻辑设计的工作原理。能够完成FPGA设计及其对应的硬件Verilog语言描述。通过Verilog语言完成组合逻辑和时序逻辑的代码实现。	组合电路和时序电路设计是否正确，EDA工具掌握情况，文献格式等	实践报告	10%	16.67%	A2
	组合电路和时序电路设计理解程度，表达清晰，展示效果	成果演示及答辩	20%	50%	B1
目标3：熟练掌握冯·诺依曼机的结构及工作原理，掌握控制器的工作原理，算术逻辑部件的工作原理及运算方法。掌握存储芯片的结构，理解存储系统分层结构。掌握计算机系统中指令系统的概念、寻址方式，了解指令系统的设计。根据系统方案合理设计硬件电路，能够对设计硬件电路进行连接测试，能够正确配置硬件模块。	计算机硬件系统设计是否正确，EDA工具掌握情况，文献格式等	实践报告	10%	16.67%	A3
	计算机部件设计理解程度，表达清晰，展示效果	成果演示及答辩	20%	50%	B2
总评成绩（100%）=成果演示及答辩成绩（60%）+实训报告（40%）			100%	——	——

（二）成绩评定

实训报告：学生于综合实训结束时提交实训报告。支撑目标1,2,3，分别占总评分40%，10%和10%。对应目标的评分标准如下：

对应目标		目标1	目标2	目标3
考查点		文献综述、技术方案、总体设计的理解程度和独立完成程度等	组合电路和时序电路设计是否正确，EDA工具掌握情况，文献格式等	计算机硬件系统设计是否正确，EDA工具掌握情况，文献格式等
成绩比例		40%	10%	10%
评分标准	100% 至 90%	有很强的总结实训和撰写报告的能力，实训报告内容完整、正确，有全面的分析与见解。文本表述清晰，书写工整，格式规范。	能够正确使用EDA工具，完成组合电路和时序电路的设计和验证，波形图完整规范，报告格式规范。	能够正确使用EDA工具，完成计算机部件的设计和验证，波形图完整规范，报告格式规范。
	89.9% 至 80%	有较强的总结实训和撰写报告的能力，实训报告内容完整、正确，有较全面的分析与见解。文本表述较为清晰，书写比较工整，格式规范。	能够正确使用EDA工具，完成大部分的组合电路和时序电路的设计和验证，波形图基本完整规范，报告格式规范。	能够正确使用EDA工具，完成大部分计算机部件的设计和验证，波形图基本完整规范，报告格式规范。
	79.9 至 70%	有良好的总结实训和撰写报告的能力，实训报告内容较完整、正确，有一定的分析与见解。文本表述较为清晰，书写较为工整，格式较为规范。	基本能够正确使用EDA工具，完成组合电路或时序电路的部分设计和验证，波形图有，但不完整规范，报告格式规范有所欠缺。	基本能够正确使用EDA工具，完成计算机部件的部分设计和验证，波形图有，但不完整规范，报告格式规范有所欠缺。
	69.9% 至 60%	有一定的总结实训和撰写报告的能力，实训报告内容基本完整、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。	能够正确使用部分EDA工具，完成一部分组合电路或时序电路的设计和验证，波形图不完整规范或没有，报告格式规范欠缺。	能够正确使用部分EDA工具，完成一部分计算机部件的设计和验证，波形图不完整规范或没有，报告格式规范欠缺。
	59.9%至 0	总结实验和撰写实训的能力差，实训报告内容不完整、错误多。文本表述不清晰，书写潦草、格式不规范。	不能够正确使用EDA工具，无法完成组合电路和时序电路的设计和验证，波形图没有或不完整规范，报告格式不规范。	不能够正确使用EDA工具，无法完成计算机部件的设计和验证，波形图没有或不完整规范，报告格式不规范。

答辩演示：将设计系统完成功能进行演示，并考核软硬件代码编写和时序波形顺序，每个人逐一答辩。支撑目标2和3，分别占总评分20%和20%，对应目标的评分标准如下：

对应目标		目标2	目标3
考查点		组合电路和时序电路设计理解程度，表达清晰，展示效果	计算机部件设计理解程度，表达清晰，展示效果
成绩比例		20%	20%
评分标准	100% 至 90%	系统设计方案合理全面；硬件选型正确、连接无误、具有扩展性；数据通信正确，功能完全实现且具有扩展功能，并且运行正常；能很准确地回答老师提的问。	系统设计方案合理全面；硬件选型正确、连接无误、具有扩展性；计算机部件功能正常，相关功能完全可实现且具有扩展功能，并且运行正常；能很准确地回答老师提的问。
	89.9% 至 80%	系统设计方案较为合理；硬件选型正确、连接无误；数据通信正确，功能完全实现，并且运行正常；能较准确地回答老师提的问。	系统设计方案较为合理；硬件选型正确、连接无误；计算机部件功能正常，功能完全实现，并且运行正常；能较准确地回答老师提的问。
	79.9 至 70%	系统设计方案基本合理；硬件选型基本正确、连接无误；数据通信基本正确，功能基本实现，并且运行正常；能基本回答老师提的问。	系统设计方案基本合理；硬件选型基本正确、连接无误；计算机部件功能基本正确，功能基本实现，并且运行正常；能基本回答老师提的问。
	69.9% 至 60%	系统设计方案部分合理；硬件选型部分正确、连接无误；数据通信部分正确，功能部分实现，并且运行正常；能部分回答老师提的问。	系统设计方案部分合理；硬件选型部分正确、连接无误；九三级部件功能部分正确，功能部分实现，并且运行正常；能部分回答老师提的问。
	59.9%至 0	系统设计方案存在不合理性；硬件选型存在不正确地方；数据通信部分正确，功能部分实现，不能运行正常；基本不能部分回答老师提的问。	系统设计方案存在不合理性；硬件选型存在不正确地方；计算机部件功能不正确，功能不能实现，不能运行正常；基本不能部分回答老师提的问。

五、参考学习资料

（一）推荐教材：《数字逻辑与计算机组成习题解答与实验教程》，袁春风主编，机械工业出版社，2022，第1版，ISBN：9787111615927

（二）参考资料：

参考资料1：《数字逻辑与计算机组成》，袁春风主编，机械工业出版社，2021，第1版，ISBN：9787111665557

参考资料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

参考资料3：《计算机组织与结构-性能设计》，[美] 威廉，斯托林斯等，电子工业出版社，2018，第9版英文版，ISBN：9787121324390

参考资料4：《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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