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计算机组成原理课程设计方案

一、课程基本信息

课程名称：计算机组成原理课程设计

课程代码：（根据各校实际情况填写）

适用专业：计算机科学与技术、软件工程、人工智能、数据科学与大数据技术等相关本科专业

先修课程：数字逻辑、计算机导论、程序设计基础

课程性质：专业实践必修课/选修课（根据培养方案确定）

学时：（例如：2周/64学时，根据实际情况填写）

学分：（根据实际情况填写）

二、课程设计目标

计算机组成原理课程设计是计算机类专业核心课程“计算机组成原理”的实践性教学环节。本课程设计旨在通过学生亲自动手设计、实现和调试一个简化的计算机系统或其关键部件，加深对计算机硬件系统基本组成、工作原理和设计方法的理解，培养学生的硬件设计能力、工程实践能力和创新意识。具体目标如下：

1.知识目标：

*巩固和深化对计算机系统中运算器、控制器、存储器、输入输出接口等核心部件的组成原理和工作机制的理解。

*掌握指令系统的设计方法，理解指令的执行过程。

*理解总线在计算机系统中的作用及数据传输方式。

*掌握简单计算机系统的整体架构和协调工作原理。

2.能力目标：

*培养学生运用数字逻辑和计算机组成原理知识进行硬件系统分析与设计的能力。

*提高学生使用硬件描述语言（如VerilogHDL或VHDL）进行数字系统建模与仿真的能力（若采用硬件描述语言实现）。

*培养学生对硬件系统进行调试、测试和性能分析的基本技能。

*提升学生的工程实践能力、问题解决能力和创新思维能力。

*锻炼学生的文献查阅、方案论证、技术文档撰写和团队协作能力（若为团队项目）。

3.素养目标：

*培养学生严谨的科学态度和精益求精的工程素养。

*树立规范化设计和模块化设计的思想。

*激发学生对计算机硬件设计的兴趣和探索精神。

三、课程设计内容与安排

本课程设计采用项目驱动式教学，学生将在教师指导下，选择或完成一个具有一定综合性的设计项目。项目难度应具有一定的挑战性，同时兼顾可行性。

（一）设计项目选题（可根据实际情况调整或增加，学生可选择或组合）

1.基础型项目（必选或三选一）：

*项目1：简单运算器设计

*主要内容：设计一个具有多种算术运算（加、减、乘、除可选）和逻辑运算（与、或、非、异或）功能的运算器，包含ALU、寄存器组等模块。

*关键技术：组合逻辑设计、时序逻辑设计、进位链优化（可选）。

*预期成果：仿真验证运算器功能正确性。

*项目2：单周期CPU设计

*主要内容：设计一个支持基本指令集（如加载/存储、算术逻辑运算、分支跳转等）的单周期CPU。

*关键技术：指令译码、控制信号生成、数据通路设计、时序控制。

*预期成果：仿真验证CPU能正确执行所设计的指令集中的每条指令。

*项目3：存储器层次结构模拟与设计

*主要内容：设计一个包含Cache和主存的两级存储系统，模拟Cache的地址映射、替换算法和写策略。或设计一个简单的SRAM、DRAM控制器。

*关键技术：存储地址计算、Cache命中判断、替换算法实现。

*预期成果：仿真验证存储系统功能或控制器功能，并分析Cache性能。

2.进阶层项目（可选，或作为基础项目的扩展）：

*项目4：多周期/流水线CPU设计

*主要内容：在单周期CPU基础上，设计多周期CPU以提高指令执行效率，或进一步设计流水线CPU，并考虑数据冒险、控制冒险的处理。

*关键技术：指令周期划分、状态机设计、流水线冲突检测与解决。

*预期成果：仿真验证多周期/流水线CPU功能正确性，并分析性能提升。

*项目5：带有中断系统的CPU设计

*主要内容：在基础CPU设计中加入中断请求、中断响应、中断处理及中断返回机制。

*关键技术：中断优先级判断、断点保护与恢复、中断向量表设计。

*预期成果：仿真验证中断系统的正确性。

*项目6：简单计算机系统综合设计

*主要内容：集成CPU、存储器、I/O接口（如键盘、LED、七段数码管）等模块，构成一个可以运行简单汇编程序的完整计算机系统。

*关键技术：模块接口设计、系统总线设计、整体调试。

*预期成果：在FPGA开发板或仿真环境中运行测试程序，实现特定功能。

3.综合创新型项目（鼓励学生自主命题或在此基础上扩展）：

*基于FPGA的特定功能硬件加速器设计。

*结合操作系统知识，设计简单的进程切换硬件支持机制。

*探索新型存储技术（如NVM）的简单模拟与性能分析。

（二）时间安排（示例，具体根