《计算机组成原理》教案.docx

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《计算机组成原理》教案

《计算机组成原理》教案

授课学时：

72学时

《计算机组成原理》

教学内容：

研究讨论单台计算机的完整硬件系统的基本组成原理与内部运行机制。

课程性质：

计算机科学与技术及相关专业的基础课程。

课程的目的和任务：

用层次结构的观点并以信息的加工、处理为主线研究计算机硬件结构及工作原理；使学生掌握计算机硬件系统中各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及互连构成整机的技术；培养学生对硬件系统的分析、设计、开发、使用和维护方面的能力，建立牢固的整机思想。

课程特点：

内容覆盖面广，基本概念多、抽象，难以建立计算机的整机概念。

教学目标：

尽可能清晰而完整地介绍当代计算机系统的性质和特征。

具有挑战性：

计算机系统的多样性：

价格、体积、性能和应用等。

计算机技术的飞速发展：

低层的集成电路计算机和并行组织技术。

课程内容的工程性、技术性、实用性都比较强，因此，在学习计算机组成的原理性知识之外，还应有较多的设计与实验技能训练。

课程的教学基本要求:

使学生学懂简单、完整的单台计算机的基本部件和整机系统组成，以及计算机部件连接关系和运行机理，了解计算机系统结构的入门性知识，掌握使用和简单维护计算机系统的基本技能。

教学方法和教学形式建议:

本课程采用远程教学和面授辅导相结合的方式开展教学。

远程教学包括要求学生收看电视录像课、网上的流媒体（IP）课件、网上教学辅导、实时和非实时答疑等多种教学形式；面授辅导应考虑学生的在职和成人特点和需求，在业余时间进行有针对性的学习指导。

平时作业既是学生自我检验学习水平的一种形式，也是很重要的形成性考核手段，各级电大教学点应配合面授辅导教师督促学生独立完成并及时批改和反馈，必要时应要求学生重做。

小组讨论课是在教师引领下对预先布置的主题开展讨论的一种教学活动形式。

这种教学活动能够很好地激发学生的学习兴趣，各级电大教学点应配合面授辅导教师组织实施。

同时，小组讨论课也是一种形成性考核形式，教师应注意把握“引领”、“提问”和“点评”等多个教学指导环节，并依据标准给予每个学生合理的学习评价。

课程教学要求的层次:

1．掌握：

属于课程中最重要的内容。

要求学生能够熟练运用这部分知识对相关问题做基本的分析、计算和处理，具有基本的应用能力和举一反三的能力。

2．理解：

属于课程中较重要的内容。

要求学生能够运用这部分知识对相关问题进行简单的分析、判断和说明，具有区别或区分容易被混淆的概念的能力，以及读懂原理框图、流程图、程序语句和简单逻辑电路图的能力。

3．了解：

属于课程中与上述“掌握”和“理解”部分相关的较复杂的内容，作为提高或扩大知识面的内容。

要求学生对这部分知识能够初步认识、学会、记忆或简单理解，具有简要描述、叙述、说明和举例的能力。

　学时分配

教学内容

课内学时

一、计算机系统概述

6

二、数据表示和运算方法

10

三、运算器部件

8

四、指令系统和汇编程序设计

9

五、控制器部件

9

六、存储器系统

12

七、计算机输入/输出设备与系统

12

八、并行计算机体系结构

6

合计

72

第一章节：

计算机系统概述（6学时）

主要内容：

1、计算机系统的基本组成和它的层次结构

2、计算机硬件系统的5个功能部件及其功能

3、计算机硬件的主要的技术和性能指标

4、计算机系统的体系结构、组成和实现概述

5、计算机系统的发展、应用与分类

教学要求:

1．了解计算机系统硬软件的组成和它们的层次关系；

2．理解计算机硬件系统的5大功能部件和各自的功能；

3．理解计算机部件的连接关系和整机运行过程的入门性知识；

4．了解3个级别的计算机语言；

5．理解计算机系统的主要性能与技术指标；

6．理解计算机“体系结构”、“组成”和“实现”各自面对的主要问题；

7．了解计算机发展历程和应用领域；

8．了解计算机系统分类。

知识结构图

计算机系统

硬件

软件

主机

外部设备

外存储器

输入设备

输出设备

中央处理器

内存储器

运算器

控制器

系统软件

应用软件

操作系统

语言处理程序

服务性程序

通用软件

用户程序

一、计算机系统的基本组成和它的层次结构

构成计算机硬件和软件的6个层次

二、计算机硬件系统的5个功能部件及其功能

计算机主机

CPU

计算机外围设备

接口线路

（输出设备）

接口线路

（输入设备）

运算器

部件

存储器

部件

控制器

部件

数据总路线

地址总路线

控制总路线

三、计算机硬件的主要的技术和性能指标

1、计算机字长

计算机普遍使用二进制，只有0和1两个值，相邻数位之间采用“逢二进一”的规则处理，在计算机系统内部，通常选用多少个二进制位来表示一个数据或一条指令是一个关键技术指标，例如16位、32位或者64位，这个位数被称为计算机字长。

2、CPU速度

衡量CPU速度，通常有两种方式。

第一种方式使用CPU主频。

第二种方式使用CPU每一秒钟能执行的指令条数，单位是MIPS。

3、存储容量

计算机中的存储器通常包括内存储器和外存储器两大类。

四、算机系统的体系结构、组成和实现概述

1、计算机的体系结构

通常是指涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所见到的计算机系统的属性，更多说的是计算机的外特性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。

2、计算机组成

是在依据计算机体系结构确定并且分配了硬件子系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成、它们之间的连接关系、实现机器指令级的各种功能和特性。

3、计算机实现

是计算机组成的物理实现。

五、算机系统的发展、应用与分类

计算机发展：

自计算机诞生以来，大约每5~8年，计算机的运算速度可提高10倍，可靠性可提高10倍，体积可缩小至原来的1/10，成本也降低为原来的1/10。

自20世纪70年代以来，计算机的产量以每年25％的速度递增。

具体可分为五个发展阶段：

第一阶段：

电子管计算机（1946~1959）

第二阶段：

晶体管计算机（1959~1964）

第三阶段：

中小规模集成电路计算机（1964~1975）

第四阶段：

大规模集成电路计算机（1975~1990）

第五阶段：

新一代计算机（1990~现在）

计算机的分类

按照功能划分：

通用计算机：

巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机

专用计算机：

有效、经济、快速

按照信息的形式和处理方法分：

电子模拟计算机

电子数字计算机

第六章：

数据表示和运算方法（10学时）

主要内容：

1、二进制码与不同进制数之间的转换

2、定点数在计算机内的表示与编码

3、浮点数在计算机内的表示

4、文字和多媒体信息的表示与编码

5、数据校验码

6、二进制数值数据的运算算法

教学要求:

　　1．掌握数制及数制转换的基本概念，熟练运用各种进制数间的转换规则进行手工转换运算；

　　2．掌握原码、反码和补码的基本概念和定义，并能熟练完成定点数的原码、反码和补码之间的转换；

　　3．理解常用二-十进制数编码的特点，能够说明各种不同编码的实用意义；

　　4．理解浮点数在计算机内的表示方法，能够说明阶码和尾数的位数与数值范围和数值精度的关系；

　　5．了解浮点数的规格化和隐藏位的含义，会判断浮点数的溢出；

　　6．掌握十进制数与浮点数间的转换运算；

　　7．了解文字和多媒体信息的表示的基本概念；

　　8．理解检错纠错编码的用途，能够区分几种常见的校验码，能够说明奇偶校验码的实现方法，能够说明海明码及循环码实现检错和纠错的道理；

　　9．掌握运用定点数的补码加减法运算规则进行基本的运算和溢出检查的方法；

　　10．了解定点数的原码一位乘、除法的可行算法

数据表示

和

运算方法

①各种数制间的转换

②定点数的编码

④非数值数据的编码

⑤纠错码和检错码

③浮点数的编码与规格化

⑥补码加减法、原码一位乘除法的运算方法

原码

补码

反码

浮点数的编码

浮点数的规格化

浮点数的IEEE754标准

西文字符的编码

汉字的编码

多媒体信息的编码

奇偶校验码

海明码

CRC编码

知识结构图

一、进制码与不同进制数之间的转换

1、十进制到二进制数的转换

十进制与二进制数的转换要分为整数与小数两种情况分别转换。

整数的转换：

采用除2取余，高位至下，直到商为0时结束。

小数的转换：

采用乘2取整，高位至上，位数达到要求或小数部分为0时结束。

2、二进制到十进制数的转换

二进制到十进制数的转换通常按公式（2、2）对二进制数各位的实际值累加求和完成。

例：

（10110）2=1×24+0×23+1×22+1×21+0×20=22

3、八进制到二进制数的转换

因为23=8，故1个八进制位对应3个二进制位，可以把1个八进制位数的整数部分和小数部分的每一位分别转换成3个二进制数。

4、二进制到八进制数的转换

因为23=8，故3个二进制位对应1个八进制位，可以从小数点位置分别向左和向右把每3位二进制数划分为一组，并转换成1位八进制数。

注意：

小数部分分组时若低位不足3位时要用0补足，否则会出错。

5、十六进制到二进制数的转换

因为24=16，故1个十六进制位对应4个二进制位，可以把1个十六进制数的整数的整数部分和小数部分的每一位分别转换成4位二进制数。

6、二进制制到十六进数的转换

因为24=16，故4个二进制位对应1个十六进制位，可以从小数点位置分别向左和向右把每4位二进制数划分为一组，并转换成1位十六进制数。

注意：

小数部分分组时若低位不足4位要用0补足，否则会出错。

7、八、十六到十进制数的转换

按照公式2、2的规定，用对各位实际值累加求和的方法完成。

8、十到八、十六进制数的转换

可先将十进制数转换为二进制，再转换成对应的八、十六进制数；也可以将1个十进制数直接转换为对应的八进制或十六进制，例如对整数，采用除8取余、高位在下的原则得到八进制数；或采用除16取余、高位在下的原则得到十六进制数。

二、定点数在计算机内的表示与转换

定点数

定点数是指小数点固定在某个位置上的数据，一般有小数和整数两种表示形式。

定点小数是把小数点固定在数据数值部分的左边，符号位的右边；整数是把小数点固定在数据数值部分的右边。

我们在前面讨论的数据都是定点数。

原码、反码、补码

结束了各种进制的转换，我们来谈谈另一个话题：

原码、反码、补码。

我们已经知道计算机中，所有数据最终都是使用二进制数表达。

我们也已经学会如何将一个10进制数如何转换为二进制数。

不过，我们仍然没有学习一个负数如何用二进制表达。

比如，假设有一int类型的数，值为5，那么，我们知道它在计算机中表示为：

00000000000000000000000000000101

5转换成二制是101，不过int类型的数占用4字节（32位），所以前面填了一堆0。

现在想知道，-5在计算机中如何表示？

在计算机中，负数以其正值的补码形式表达。

什么叫补码呢？

这得从原码，反码说起。

原码：

一个整数，按照绝对值大小转换成的二进制数，称为原码。

比如00000000000000000000000000000101是5的原码。

反码：

将二进制数按位取反，所得的新二进制数称为原二进制数的反码。

取反操作指：

原为1，得0；原为0，得1。

（1变0;0变1）

比如：

将00000000000000000000000000000101每一位取反，得11111111111111111111111111111010。

称：

11111111111111111111111111111010是00000000000000000000000000000101的反码。

反码是相互的，所以也可称：

11111111111111111111111111111010和00000000000000000000000000000101互为反码。

补码：

反码加1称为补码。

也就是说，要得到一个数的补码，先得到反码，然后将反码加上1，所得数称为补码。

比如：

00000000000000000000000000000101的反码是：

11111111111111111111111111111010。

那么，补码为：

11111111111111111111111111111010+1=11111111111111111111111111111011

所以，-5在计算机中表达为：

11111111111111111111111111111011。

转换为十六进制：

0xFFFFFFFB。

三、浮点数在计算机内的表示

浮点数

浮点数是指小数点位置可浮动的数据，通常以下式表示：

N=M*RE

其中，N为浮点数，M（mantissa）为尾数，E（exponent）为阶码，R（radix）称为“阶的基数（底）”，而且R为一常数，一般为2、8或16。

在一台计算机中，所有数据的R都是相同的，于是不需要在每个数据中表示出来。

因此，浮点数的机内表示一般采用以下形式:

Ms是尾数的符号位，设置在最高位上。

E为阶码，有n+1位，一般为整数，其中有一位符号位，设置在E的最高位上，用来表示正阶或负阶。

M为尾数，有m位，由Ms和M组成一个定点小数。

Ms=0，表示正号，Ms＝1，表示负号。

为了保证数据精度，尾数通常用规格化形式表示：

当R＝2，且尾数值不为0时，其绝对值应大于或等于（0.5）10。

对非规格化浮点数，通过将尾数左移或右移，并修改阶码值使之满足规格化要求。

假设浮点数的尾数为0.0011，阶码为0100（设定R=2），规格化时，将尾数左移2位，而成为0．1100，阶码减去（10）2，修改成0010，浮点数的值保持不变。

当一个浮点数的尾数为0（不论阶码是何值），或阶码的值比能在机器中表示的最小值还小时，计算机都把该浮点数看成零值，称为机器零。

根据IEEE754国际标准，常用的浮点数有两种袼式：

（1）单精度浮点数（32位），阶码8位，尾数24位（内含1位符号位）。

（2）双精度浮点数（64位），阶码11位，尾数53位（内含1位符号位）。

在多数通用机中，浮点数的尾数用补码表示，阶码用补码或移码表示。

四、文字和多媒体信息的表示与编码

1、西文字符的编码

西文是由拉丁字母、数字、标点符号及一些特殊的符号所组成的，它们统称为“字符”（character），主要用于外部设备和计算机之间的信息交换。

所有字符的集合叫做“字符集”。

2、汉字的编码

汉字输入码、汉字内码、汉字字形码（输出码）

3、多媒体信息的编码

图的编码表示：

一幅图在计算机内部有两个表示方式：

“图像（image）”方式和“图形（graphics）”方式

声音的编码表示：

计算机处理的声音可以分为3种：

一种是语音，即人的说话声；第二种是音乐；即各种乐器演奏出的声音；第三种是效果声，如掌声、打雷、爆炸等声音。

在计算机内部可以用波形法和合成法两种方法表示声音。

所有的声音都可以用波形法来表示，但更多用于语音和效果声，对于音乐声，则用合成法表示更好一些。

视频信息的编码表示：

视频获取设备将视频信号转换为计算机内部表示的二进制数字信息的过程被称为视频信息的“数字化”。

视频信息的数字化过程比声音更复杂一些，它是以一幅幅彩色画面为单位进行的。

五、数据校验码

所谓校验码，又称检错码，是指具有发现某些错误或自动改正错误能力的一种数据编码方法，用于检查或纠正读写和传送数据的过程中可能出现的错误。

常见的校验码有：

奇偶校验码，海明校验码（汉明码），循环冗余校验码。

六、二进制数值数据的运算算法

1、补码加法与减法运算规则及电路实现

运算规则：

加减法运算是计算机中最基本的运算，通常选用补码实现，实现的算法是：

[X+Y]补=[X]补+[Y]补（MOD2）

[X-Y]补=[X]补+[-Y]补（MOD2）

2、原码一位乘法与除法的运算算法

原码一位乘法是将符号位与数值位分开进行运算，乘积的符号是两个数符号的异或值，数值是两个数绝对值（原码表示的数值位）的乘积。

将部分积的一次总加改为分步累加；

将部分积左移改为部分积右移；

使部分积连同乘数一起右移，以便保存双倍位数的乘积。

原码一位乘法的算法是：

用乘数寄存器的最低位选择求部分积的数据来源：

被乘数或0值；相加求得部分积并使其右移一位，乘数也同时右移一位，此时高位部分积的最低位移入乘数寄存器的高位。

用一个特定的寄存器控制相乘次数（决定于数据位的位数）。

用乘数与被乘数符号位的异或值作为乘积的符号。

原码一位除法和原码乘法一样，符号位是单独处理的。

实现除法操作时，应避免除数为0，否则属非法操作。

在计算机中，原码一位除法是采用加减交替法实现的。

第三章节：

计算机的运算器部件（8学时）

主要内容：

1、算术逻辑运算部件的功能设计与线路实现

2、计算机的定点运算器

3、浮点运算和浮点运算器

教学要求：

　　1．掌握定点运算器中ALU的功能；

　　2．了解定点运算器中ALU的线路和实现原理；

　　3．掌握定点运算器的功能与组成，了解运算器在整机系统中的地位；

　　4．理解MIPS计算机的运算器实例的组成特点；

　　5．了解定点运算器Am2901芯片的内部结构框图，以及用该芯片构建运算器部件的方法；

　　6．理解浮点数的表示方式，会运用浮点数的运算规则作简单计算；

　　7．了解浮点运算器的功能与组成；

　　8．了解CPU芯片内的运算器部件的一般组成。

知识结构图

计算机的运算器部件件

运算器的功能与组成

浮点运算与浮点运算器部件

定点运算器部件

ALU的线路实现

运算器的组成

运算器的功能

运算器的控制与使用

浮点数的运算规则

浮点运算器的功能与组成

浮点运算器实例

定点运算器的功能与组成

定点运算器实例

定点运算器的设计与实现

一、计算机的定点运算器

1、定点运算器部件的功能、组成与控制

运算器部件是计算机五大功能部件中的数据加工部件。

定点运算器主要完成对整数类型数据的算术运算、逻辑型数据的逻辑运算功能。

运算器位数取决于机器字长，通常是16位，32位或者64位，它将关系到处理数据的能力；运算器的组成直接关系到计算机系统的数据处理能力和运行性能。

二、浮点运算和浮点运算器

1、浮点数的运算规则

浮点数通常有两种表示方式，一种表示方式用于运算过程，出现在浮点运算器内部，另外一种表示表示用于浮点九的存储过程。

第四章节：

指令系统和汇编语言程序设计（9学时）

教学内容：

　　1．指令、计算机指令系统概述；

　　2．指令格式与寻址方式；

　　3．指令系统举例，PentiumⅡ、MIPS32和教学示例计算机的指令系统；

　　4．汇编语言程序设计简介。

教学要求：

　　1．理解指令的功能、构成格式、操作码和操作数地址两个字段的内容和组织方式；

　　2．了解指令分类的方案和分类结果；

　　3．了解指令周期对计算机性能和硬件结构的影响；

　　4．理解并记忆指令中的形式地址和物理地址的概念；

　　5．理解并叙述几种常用的寻址方式的用法及其编码表示；

　　6．了解几种常用指令系统的组成概貌；

　　7．理解3个级别的计算机语言之间的关键区别和各自的应用场合；

　　8．了解程序中常用到的几种流程结构及其相应的指令或语句；

9．初步学会设计简单的汇编语言程序及其调试方法。

知识结构图

指令系统和汇编语言程序设计

①指令

②指令系统

③汇编语言程序设计

指令的定义、功能和格式

操作码字段

操作数地址字段

基本寻址方式

指令执行步骤

指令系统标准

指令系统分类

指令系统举例

指令和汇编语句

程序流程控制

汇编程序设计举例

指令、计算机指令系统概述

一、指令的定义与指令格式

1、指令的定义

用于组成计算机程序、指示计算机硬件执行某项运算或操作功能的命令叫做指令，在计算机内部它用于一定的二进位串来表示的。

2、指令格式

通常情况下，一条指令要由如下两部分内容组成：

第一部分是指令操作码，第二部分是指令的操作数地址。

二、操作码的组织与编码

1、定长的操作码的组织方案

在当多数的计算机中，一般都在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定长）用于表示操作码，例如8位，它有256个编码状态，故最多可以表示256条指令。

2、变长的操作码的组织方案

当计算机的字长与指令长度为16位或8位时，单独为操作码划分出固定的多位后，留给表示操作数地址的位数就会严重不足。

为此不得不对一个指令字的每一个二进制位的使用精打细算，使一些位（bit）在不同的指令中有不同的作用。

三、有关操作数的类型、个数、来源、去向和地址安排

1、用操作数个数区分指令

从用到的操作数个数区分，可能有如下4种情况：

无操作数指令

单制作数指令

双制作数指令

多制作数指令

2、操作数的来源、去向及其指令字中的地址安排

操作数的第1个来源、去向，可以是CPU内部的通用寄存器；

操作数的第2个来源、去向，可以是外围设备（接口）中的一个寄存器；

操作数的第3个来源、去向，可以是内存储器中的一个存储单元；

在指令字中直接给出一个操作数，被称为立即数。

指令中使用的基本数据类型，通常包括逻辑类型，整数类型和浮点数类型。

寻址方式概述

计算机中常用的基本寻址方式有如下多种：

1、立即数寻址：

操作数直接给出在指令字中，即指令字中直接给出的不再是操作数地址，而是操作数本身。

2、直接寻址：

直接寻址是在指令中直接给出操作数存储器中的地址，这是计算机中常用的寻址方式之一。

3、寄存器寻址、寄存器间接寻址：

寄存器寻址，是在指令字中给出通用寄存器的编号（名字、地址），用于访问运算器部件的寄存器组中的寄存器。

4、变址寻址：

变址寻址，是把在指令字中给出的一个数值（称为变址偏移量）与一个被称为变址寄存器的内容相加之和作为操作的地址，用于读写存储器。

5、相对寻址：

是指把在指令字中给出的一个数值与程序计数器PC的内容相加之和作为操作数的地址或转移指令的转移地址。

6、基地址寻址：

是指把在程序中所用的地址与一个特定的厅存器的内容相加之和作为操作数的地址或指令的地址。

7、间接寻址：

在指令字中给出的不是一个操作数的地址，而是一个操作数地址的地址，或一条指令地址的地址。

8、堆栈寻址：

堆栈是存储器中一块特定的按“后进先出”原则管理的存储区，该存储区中被读写单元的地址是用一个特定的寄存器给出的，该寄存器被称为堆栈指针。

指令系统举例

计算机的指令系统有RISCT和CISC两种类型。

RISC是精简指令系统计算机的英语缩写，它执行同样处理功能的程序所占用的时间要比CISC计算机更短。

RISC机器的运行性能可能要比CISC机器高2-5倍。

PentiumⅡ机的指令系统属于CISC结构；MIPS机的指令系统属于RISC结构。

第五章节：

控制器部件（9学时）

教学内容：

　　1．控制器的功能与组成概述；

　　2．硬连线控制器的组成与运行原理；

　　3．微程序控制器组成与运行原理；

　　4．指令流水线的概念和实现技术。

教学要求：

　　1．理解并记忆计算机控制器的功能与基本组成，体会控制器在计算机整机中的地位；