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1 B111SE: 计算系统基础 课程描述 0 课程基本信息 课程编号 : B111SE 课程名称 : 计算系统基础英文名称 : Introduction to Computing Systems 英文简称 : ICS 预备课程 : 无授课时间 : 一年级第一学期时间分配 : 课堂教学 (6 课时 )+ 实验 (6 课时 )+ 课后作业与阅读 (6 课时 ) 学分数 : 1 课程简介 本课程是软件工程专业的专业基础课程 课程采取自底向上的教学模式, 围绕一个简单的计算机 (LC3) 进行从比特到高级语言 (C 语言 ) 的全面 系统的介绍, 为初学者建立一个完整的计算概念, 包括 : 数据的机器级表示 数字逻辑 冯 诺伊曼模型 机器语言 汇编语言 输入和输出 Trap 机制和子程序 结构化程序设计与 C 语言 课程较好地解决了基础知识与动手能力相结合 硬件与软件相结合 系统软件与程序设计相结合的问题, 既注重学生对计算系统的宏观理解, 又加强学生实践能力的培养 教材与参考资料.1 教材与指定阅读材料 1) Yale N. Patt,Sanjay J. Patel,Introduction to Computing Systems: From bits & gates to C & beyond (Second Edition), 机械工业出版社,006( 对照中译本 : 梁阿磊译, 计算机系统概论, 第 版, 机械工业出版社,006) ) LC-3 模拟器实验手册, 下载地址 : 3) VC++6.0 联机帮助 MSDN Library 网址 : 参考资料 1) J.Glenn Brookshear,Computer Science: An Overview (Ninth Edition), 人民邮电出版社,007 ) Nell Dale, John Lewis,Computer Science Illuminated (Second Edition), 机械工业出版社,005 3) 主选教材的网站 : ) 德克萨斯大学奥斯汀分校,Introduction to Computing Systems 课程网站 : 5) 伊利诺大学 - 香槟分校,Introduction to Computing Systems 课程网站 : 6) 宾夕法尼亚大学,Introduction to Computer Architecture 课程网站 : 3 教学目标 通过本课程的学习, 学生应该能够 : 附录 B 第 页

2 1) 建立起计算系统的概念, 理解计算系统自底向上 逐次构造的过程, 了解经典计算系统的工作基础 ; ) 了解计算机系统的底层机制, 包括数据的机器级表示 数字逻辑 冯 诺伊曼模型 机器语言 汇编语言 输入和输出 Trap 机制等 ; 3) 掌握结构化程序设计语言基础, 包括变量和运算符 类型 表达式 简单 I/O 控制结构 函数 数组和指针等 ; ) 理解结构化程序设计, 能够利用自顶向下 逐步求精的方法完成小规模的结构化程序 ; 5) 掌握系统地测试小规模程序的技术 方法与工具, 掌握程序调试的技术 方法与工具 ; 6) 了解基本的数据结构与一些简单算法, 包括数组 栈 链表 递归 顺序查找 折半查找 插入排序等 相关知识体系 编号 描述 k, c, a E, D, O 学时 CSE-AR.dig.0 数字逻辑和数字系统 7 CSE-AR.dig.1 计算机发展历史回顾 k E * CSE-AR.dig. 计算机的基本组成, 硬件结构, 软件的分类, 计算机语言及其编译 k E CSE-AR.dig.3 逻辑表达式 k E * CSE-AR.dig. 计算机的工作过程 k E * CSE-AR.dig.5 计算机系统结构的概念 k E CSE-AR.dat.0 数据的机器级表示 CSE-AR.dat.1 数值表示和数制 k E 1 CSE-AR.dat. 定点数和浮点数系统 c E 1 CSE-AR.dat.3 有符号数的表示方法和基本运算方法 c E 1 CSE-AR.dat. 非数值数据的表示 c D 1 CSE-AR.asm.0 汇编级机器组织 9 CSE-AR.asm.1 指令格式 c E 1 CSE-AR.asm. 数据的存储方式与寻址方式 c E 1 CSE-AR.asm.3 指令集及其分类 ( 数据操作 控制 输入 / 输出 ) c E 1 CSE-AR.asm. 子程序调用和返回机制 c E CSE-AR.asm.5 汇编语言和机器语言编程基础 c E CSE-AR.mem.0 存储系统组织和结构 1 CSE-AR.mem. 主存储器的组织和操作 c E 1 CSE-AR.iac.0 接口和通信 CSE-AR.iac.1 输入 / 输出基本原理 c E 1 CSE-AR.iac. 程序控制 I/O, 中断驱动 I/O c E 3 CSE-PF.str.0 程序设计基本结构 6 CSE-PF.str.1 变量 类型 表达式和语句 a E 1 CSE-PF.str. 高级语言的基本语法和语义 a E * CSE-PF.str.3 输入和输出基础 a E 1 CSE-PF.str. 顺序 条件和循环控制结构 a E 1 CSE-PF.str.5 函数定义 函数调用和参数传递 a E 1 CSE-PF.str.6 程序结构分解基础 a E CSE-PF.fds.0 基本数据结构 7 CSE-PF.fds. 记录 c E 1 附录 B 第 3 页

3 CSE-PF.fds.3 数组 c E 1 CSE-PF.fds. 字符串和字符串处理 c E 1 CSE-PF.fds.5 数据在存储器中的表示 c E * CSE-PF.fds.7 运行时的存储器管理 c E * CSE-PF.fds.8 指针和引用 c E 1 CSE-PF.fds.9 链式结构 c E 1 CSE-PF.fds.10 栈 c E 1 CSE-PF.rec.0 递归 CSE-PF.rec.1 递归的概念 c E 1 CSE-PF.rec. 递归实现 c E 1 CSE-AL.fal.0 基本算法 1 CSE-AL.fal. 顺序查找算法和折半查找算法 c E * CSE-AL.fal.8 插入排序 c E * CSE-PL.plo.0 程序设计语言概述 1 程序设计语言的历史 k D * CSE-PL.lti.0 语言翻译简介 CSE-PL.lti.1 解释器和编译器的比较 c E 1 CSE-PL.lti. 语言翻译步骤 ( 词法分析 语法分析 代码生成 优化 ) c O 1 CSE-PL.abs.0 抽象机制 1 CSE-PL.abs.1 过程与函数等抽象机制 a E * CSE-PL.abs. 参数化机制 ( 引用调用和值调用 ) a E * CSE-PL.abs.3 活动记录和内存管理 c O * CSE-PL.typ.0 声明和类型 1 CSE-PL.typ.1 类型的值集和操作集的概念 c E * CSE-PL.typ. 声明模式 ( 绑定 可见性 作用域与生存期 ) c E * CSE-PL.typ.3 类型检查概论 c O * SEF-MA.rfd.0 需求基础 1 需求定义 ( 如产品 项目 约束 系统边界 外部 内部等 ) c E * SEF-SD.con.0 设计概念 1 设计定义 c E 1 SEF-VV.rev.0 评审 1 SEF-VV.rev.1 桌面检查 a E 1 SEF-VV.tst.0 测试 1 SEF-VV.tst.1 单元测试 a E 1 SEF-VV.par.0 问题分析和报告 1 SEF-VV.par. 调试 / 错误隔离技术 a E 1 STP-PL.c.0 C 语言 10 STP-PL.c.1 词法与关键字 a E STP-PL.c. 表达式和语句 a E 1 STP-PL.c.3 声明 类型 a E 1 STP-PL.c. 函数 a E 1 STP-PL.c.5 指针 a E STP-PL.c.6 函数库 (I/O 函数 字符串函数 数学函数 实用函数 ) a E 3 附录 B 第 页

4 STP-SD.pe.0 集成开发环境 1 STP-SD.pe.1 Microsoft Visual Studio a E 1 5 教学补充事项 5.1 对前驱课程的教学需求无 5. 本课程的教学考虑为了给大一新生建立起计算系统的概念, 本课程采取 :1) 自底向上的教学模式, 逐层构建计算系统 ;) 围绕一个假想的简单的计算机进行从比特到 C 语言的全面 系统的介绍 5.3 对后续课程的教学建议 计算与软件工程 II 课程对结构化分析 设计的介绍从程序级别提升到建模级别 ; 本课程只介绍 计算机组成原理 数据结构与算法 操作系统 等课程的基本概念, 更深入的知识将在这些课程中进行介绍 6 教学计划 序号主题内容课时相关知识点抽象 硬件 软件 计算机系统 通用计算 CSE-AR.dig.1~ 设备 问题求解 ( 包括从问题的陈述 算法 1 计算系统 CSE-AR.dig.~5 程序 指令集结构 微结构 逻辑电路 到 设备 ) 等基本概念数据的机比特 整数 二进制补码 算术运算 逻辑 CSE-AR.dat.1~ 器级表示运算 浮点数 ASCII 码等数字逻辑晶体管 逻辑门 组合逻辑电路 基本存储 CSE-AR.dig.1~3 3 6 结构单元 存储器 时序逻辑电路 数据通路等 CSE-AR.mem. 5 LC3 6 冯 诺伊曼模型 结构化程序设计 7 汇编语言 栈 输入和输出 Trap 机制和子程序 存储器 处理单元 输入和输出 控制单元 指令 指令周期等 ISA 运算指令 数据传送指令 控制指令 数据通路等 需求定义, 设计的定义 结构化程序设计 控制结构 机器语言程序 开发环境 (LC3 模拟器 ) 调试 调试工具等 指令 伪操作 开发和调试环境 (LC3 模拟器 ) 汇编过程 符号表 可执行映像等 CSE-AR.dig.5 CSE-AR.asm.1~3 CSE-AR.dig. CSE-AR.dig.~5 CSE-PF.str.6 CSE-AR.asm.5 CSE-AL.fal. SEF-VV.par. CSE-AR.asm.5 CSE-PL.lti. SEF-VV.par. 设备寄存器 存储映射 I/O 异步和同步 CSE-AR.iac.1~ 中断驱动 轮询 键盘输入 显示器输出等 Trap 机制 Trap 指令 子程序 调用 / 返回 CSE-AR.asm.3~5 机制 库程序等 CSE-PL.abs.1 栈的基本结构 在存储器中实现栈 使用栈实现中断驱动的 I/O 使用栈实现计算器 CSE-PF.fds.10 CSE-AR.iac. 附录 B 第 5 页

5 11 C 语言简介 1 变量和运算符 13 控制结构 1 函数 测试与调试 数组和指针 数据表示的转换等 解释和编译 C 编译器 格式 注释和风格 开发环境 (VC++ 6.0) 等 基本数据类型 (int, double, char) 标识符 作用域 运算符 优先级 表达式 语句 需求定义 设计的定义 结构化程序设计 编译 ( 符号表 ) 等 if 语句 switch 语句 while 语句 for 语句 do-while 语句 break 和 continue 语句 需求定义 设计的定义 结构化程序设计 编译等 函数声明 函数调用 函数定义 活动记录 运行时栈 需求定义 设计的定义 结构化程序设计等 评审 ( 桌面检查 ) 语法错误 语义错误 算法错误 测试 调试与工具 (VC++ 6.0) 3 地址和值 指针声明和运算符 指针作为函数参数 指针作为返回值 数组声明和引用 数组作为函数参数 字符串 插入排序等 17 递归折半查找 汉诺塔 斐波那契数等 18 输入 / 输出 19 结构体 字符输入 / 输出 (putchar, getchar) 输入 / 输出缓冲 格式化输入 / 输出 (printf, scanf) 文件输入 / 输出 (fopen, fprintf, fscanf) 等 结构体定义和声明 结构体数组 结构体指针 结构体作为函数参数 动态分配函数 链表等 6 3 CSE-PF.str. CSE-PL.lti.1~ STP-SD.pe.1 CSE-PF.str.1~ CSE-PF.str.6 CSE-PL.lti. CSE-PL.typ.1~3 CSE-PL.abs.3 STP-PL.c.1~3 STP-PL.c.1 STP-PL.c.3 CSE-PF.str. CSE-PF.str. CSE-PF.str.6 CSE-PF.str. CSE-PF.str.5~6 CSE-PL.typ.1~3 CSE-PL.abs.1~3 STP-PL.c.1 STP-PL.c.3~ SEF-VV.rev.1 SEF-VV.tst.1 SEF-VV.par. STP-SD.pe.1 STP-PL.c.1 STP-PL.c.3 STP-PL.c.5~6 CSE-PF.str. CSE-PF.fds.3 CSE-PF.fds.~5 CSE-PF.fds.7~8 CSE-PL.abs.~3 CSE-PF.rec.1 CSE-PF.rec. CSE-AL.fal. CSE-PF.str.3 STP-PL.c.6 CSE-PF.str. CSE-PF.fds. CSE-PF.fds.5 CSE-PF.fds.7 CSE-PF.fds.9 STP-PL.c.6 附录 B 第 6 页

6 7 实验 7.1 实验目标 1) 使学生掌握机器语言程序 汇编语言程序和 C 语言程序的开发环境 测试 调试技术和工具 ; ) 使学生了解机器语言 汇编语言程序设计 ; 3) 使学生熟练掌握结构化程序设计的基本思想, 并熟练使用 C 语言 7. 实验内容 1) 机器语言程序设计 : 包括 8 个作业题目, 每个题目代码行为 0~30 行, 覆盖的知识点为机器指令格式 数据的存储方式与寻址方式 指令集及其分类 ( 数据操作 控制 ) 等 ; ) 汇编语言程序设计 : 包括 10 个作业题目, 每个题目代码行为 30~60 行, 覆盖的知识点为汇编指令 I/O Trap 机制 子程序调用与返回机制 栈等 ; 3) 结构化程序设计与 C 语言 : 包括 0 个作业题目, 每个题目代码行为 50~100 行, 覆盖的知识点为结构化程序设计 变量与运算符 控制结构 函数 数组和指针 I/O 递归等 7.3 指导方式每周安排 个单位时间保证有助教在机房指导, 解答同学的问题 8 课后作业 课后作业应该包含 : 1) 必要的基本概念问题 ( 数据的机器级表示 晶体管 逻辑门 存储器 冯 诺伊曼模型 ); ) 简单的组合逻辑电路设计问题 ; 3) 简单的指令集结构设计问题 ; ) LC3 的机器语言程序设计问题 ; 5) LC3 的汇编语言程序设计问题 ( 子程序 Trap 指令 ); 6) 使用 C 语言进行程序设计 ( 控制结构 函数 数组和指针 ); 7) 机器语言程序 汇编语言程序 C 语言程序的测试和调试 9 评分体系 笔试 60%+ 实验 0%+ 课后作业 0% 附录 B 第 7 页

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