教案计算机组成原理DOC.docx

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计算机组成原理

教案

（数字媒体专业）

教师姓名

所在系、教研室

出生年月

职称

学位　

课程名称

计算机组成原理

授课时数

72

教学目的

通过本课程的学习，使学生掌握计算机与外部设备之间的接口技术与原理；了解计算机外部设备的基本结构与工作原理。

并能够用课程中学到的知识，对计算机系统硬件进行初步设计、组装和调试。

培养学生的竞争意识、合作意识以及逻辑想象能力。

为学生以后学习微机原理，嵌入式等技术等相关专业课程打好基础，并使学生毕业后能胜任计算机、多媒体、自动化及电子工程等方面工作。

课程性质

必修

讲授对象（专业、年级、班级）

第一章计算机系统概论

内容简介：

计算机系统的层次结构，冯·诺伊曼计算机的硬件结构和主要功能，计算机的工作步骤以及计算机的主要技术指标。

教学目标：

了解计算机系统的层次结构；了解冯·诺伊曼计算机的特点及硬件构成；理解计算机的工作步骤，了解计算机的主要技术指标的含义及其对计算机的影响。

教学重点和难点：

虚拟机的概念；

计算机的硬件构成；

计算机的工作步骤。

教学媒体和教学方法：

使用幻灯片在多媒体教室进行教学；

教学中采用讲授与讨论相结合的方法。

教学过程：

一、计算机系统简介

1．计算机的软硬件概念

（1）硬件

（2）软件

（3）软硬件的关系

2．计算机系统的层次结构

（1）虚拟机的概念

（2）各层虚拟机及与真实机器的层次关系

3．计算机的基本组成

（1）冯·诺伊曼计算机的特点

（2）计算机硬件结构，总线的构成。

讨论、分析直连结构的问题，提出总线思想，并简单介绍总线结构。

（3）计算机的工作步骤

提出计算机解决问题的基本步骤

计算机基本构成部件的介绍（运算器、存储器、控制器）

以计算ax2+bx+c为例分析计算机工作的过程

4．计算机的主要技术指标

（1）机器字长

计算机同时处理的二进制位

机器字长与数据总线宽度、存储字长的关系

（2）存储容量

存储容量的单位

主存容量

辅存容量

（3）运算速度

几种计算运算速度的方法并对它们进行比较

运算速度的表示单位

第二章计算机的发展及应用

内容简介：

计算机的发展史；计算机的应用领域；计算机的发展展望。

教学目标：

了解计算机的产生和发展以及发展思路；

了解计算机的应用领域；

了解计算机的发展趋势。

教学重点和难点：

计算机的应用领域。

教学媒体和教学方法：

使用幻灯片在多媒体教室进行教学；

教学中采用讲授与讨论相结合的方法。

教学过程：

一、计算机的发展史

1．计算机的产生和发展

现代计算机的研究工作

第一台电子计算机的产生

计算机的发展阶段

计算机的发展规律

计算机的发展趋势

2．微型计算机的出现和发展

微型计算机的发展阶段

微型计算机的发展带来的工作、学习、生活方式的变化

3．软件技术的兴起和发展

软硬件的融合，简介嵌入式发展方向

二、计算机的应用

1．科学计算和数据处理

通过ENIAC进行计算的一个案例，直观体会计算机的计算能力

2．工业控制和实时控制

3．网络技术应用

4．虚拟现实

介绍虚拟现实技术的一些应用

5．办公自动化和管理信息系统

6．多媒体技术

7．人工智能

三、计算机发展的展望

第三章系统总线

内容简介：

总线的概念；总线的分类；总线的特性和性能指标；总线结构；总线控制。

教学目标：

理解总线的概念；

了解总线的分类；

了解总线的结构及几种常用总线结构；

掌握总线的判优控制机制和通信控制过程。

教学重点和难点：

总线的判优控制和通信控制。

教学媒体和教学方法：

使用幻灯片在多媒体教室进行教学；

教学中采用讲授与讨论相结合的方法。

教学过程：

一、总线的基本概念

1．分散连接结构的计算机

分散连接结构的缺点：

增删设备不方便

扩展性差

2．总线结构的计算机

工作效率提高

要解决总线的使用冲突的问题

二、总线的分类

1．片内总线

芯片内部的的总线，用于连接芯片内部的各部件，如CPU内部总线。

2．系统总线

根据传输信息的不同，分为三类：

数据总线、地址总线、控制总线

数据总线：

传输数据，双向

地址总线：

传输地址，单向

控制总线：

传输控制信号和状态信息号，双向

3．通信总线

用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。

远距离传输。

三、总线特性及性能指标

1．总线特性

四个基本特性：

机械特性

电气特性

功能特性

时间特性

2．总线性能指标

主要性能指标有：

总线宽度

总线带宽

时钟同步/异步

总线复用

信号线数

总线控制方式

其他指标

3．总线标准

（1）总线标准的概念

系统与模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面

（2）介绍常见的总线标准

简介ISA、MCA、EISA、VESA、STD、PCI、AGP、USB、IEEE1394

四、总线结构

1．单总线结构

所有设备和部件都使用一组总线。

优点：

结构简单，便宜于扩充，成本低

缺点：

设备冲突成为瓶颈，系统带负载能力差

适用：

小型或微型计算机

2．多总线结构

不同的设备连接在几条总线上。

几种多总线结构：

双总线结构

三总线结构

3．总线结构举例

（1）举例

传统微机总线结构

VL-BUS总线结构

PCI总线结构

（2）总线分层的优点

减少设备使用决线的冲突

提高系统整体带负载能力

五、总线控制

1．为什么要进行总线控制？

绘制一个用总线连接的局部示意图，分析数据传输的过程，明确控制在总线传输中的作用。

2．判优控制

（1）基本概念

主设备、从设备、判优控制

（2）链式查询方式

原理：

由响应信号决定使用总线的优先顺序。

优点：

电路简单

缺点：

判优速度慢

（3）计数器定时查询

原理：

由计数值决定响应哪个设备

优点：

电路较简单，有一定灵活性

缺点：

判优速度慢

（4）独立请求方式

原理：

由判优电路决定优先顺序

优点：

判优速度快

缺点：

电路复杂，成本低

2．通信控制

（1）总线周期的4个阶段

申请分配阶段

寻址阶段

传数阶段

结束阶段

（2）总线通信的4种方式

同步通信

外同步，内同步

异步通信

半同步通信

分离式通信

第四章存储器

内容简介：

主存储器，高速缓冲存储器，辅助存储器。

教学目标：

理解主存储器（RAM和ROM）基本工作原理；

熟练掌握内存芯片的扩展连接方法；

理解高整缓存的作用及Cache-主存地址映射方式；

理解辅助存储器的原理基本工作原理。

教学重点和难点：

主存储器的原理、CPU与存储器的连接、Cache-主存地址映射、辅助存储器的原理。

教学媒体和教学方法：

使用幻灯片在多媒体教室进行教学；

教学中采用讲授与讨论相结合的方法。

教学过程：

一、存储器概述

1．存储器的分类

介绍存储器分类的几种方法以及每一类存储器的基本特性。

2．存储器的层次结构

介绍计算机的存储器按层次分布情况和特点。

二、主存储器

1．主存概述

主存的基本构成

主存中的存储单元地址的分配

主存的主要技术指标

2．半导体存储器芯片简介

半导体存储芯片的基本结构

半导体存储芯片的译码驱动方式

3．随机存取存储器

（1）静态RAM

静态RAM的基本单元电路组成

静态RAM的基本存储原理

静态RAM的芯片举例

静态RAM的读/写时序分析

（2）动态RAM

动态RAM的基本单元电路组成：

三管动态RAM的基本单元电路、单管动态RAM的基本单元电路

动态RAM芯片举例

动态RAM读/写时序

动态RAM的刷新

4．只读存储器ROM

掩膜ROM

PROM

EPROM

EEPROM

EPROM芯片简介

5．存储器与CPU的连接

存储容量扩展的方法

存储器的几类线与CPU的连接（地址线、数据线、读/写控制线、片选线）

芯片的选择

内存连接举例

6．存储器的校验

纠错理论

汉明码的形成步骤、方法及举例

汉明码的纠错过程

7．提高访存速度的措施

（1）三类方法

采用高速元件

改变存储系统的层次结构

调整主存结构

（2）单体多字系统

（3）多体并行系统

（4）高性能存储芯片简介

三、高速缓冲存储器

1．概述

问题的提出

高速缓存的理论依据

高速缓存的工作原理

命中率和平均访问时间的计算

高速缓存的基本构成

高速缓存的读写操作

高速缓存的改进措施

2．Cache与主存的地址映射

直接映射

全相联映射

组相联映射

3．替换策略

先进先出算法

近期最少使用算法

四、辅助存储器

1．概述

辅助存储器的特点及类型

磁表面存储器的主要技术指标

2．磁记录原理和记录方式

读写操作的基本原理

六种常用的记录方式

3．硬磁盘存储器

（1）硬磁盘存储器的类型

从磁头考虑：

固定磁头、移动磁头

从盘片考虑：

固定盘片、可换盘片

（2）硬磁盘存储器的结构

磁盘驱动器

磁盘控制器

盘片

（3）硬磁盘存储器的发展

（4）磁道记录格式

4．软磁盘存储器

概述

盘片

软盘驱动器和控制器

5．光盘存储器

光盘存储器的三种类型

光盘的存取原理

第五章输入输出系统

内容简介：

输入输出系统概述，I/O设备，I/O接口，程序查询方式，程序中断方式，DMA方式。

教学目标：

了解输入输出系统的发展；

了解输入输出系统的构成及工作原理；

掌握三种典型的输入输出控制方式的工作原理；

了解常用的I/O设备及其基本的工作原理；

理解I/O接口的作用、构成及工作原理。

教学重点：

程序查询方式、程序中断方式、DMA方式。

教学难点：

周期窃取、CPU响应中断和允许周期挪用的时间。

教学媒体和教学方法：

使用幻灯片在多媒体教室进行教学；

教学中采用讲授与讨论相结合的方法。

教学过程：

一、输入输出系统概述

1．输入输出系统的发展

早期阶段

接口模块和DMA阶段

具有通道结构的阶段

IOP阶段

2．输入输出系统的组成

（1）I/O软件

I/O指令

通道指令

（2）I/O硬件

3．I/O设备与主机的联系方式

（1）编址方式

统一编址

不统一编址（独立编址）

（2）设备寻址

（3）传送方式

并行方式

串行方式

（4）联络方式

立即响应方式

异步应答方式

同步方式

（5）连接方式

辐射式

总线式

4．信息传送的控制方式

程序查询方式

程序中断方式

DMA方式

二、I/O设备

1．I/O设备概述

三类：

人机交互设备，计算机信息的存储设备，机—机信息设备

2．输入设备

键盘

鼠标

触摸屏

其他输入设备

3．输出设备

显示设备

打印设备

4．其他I/O设备

终端设备

A/D、D/A转换器

汉字处理设备

5．多媒体技术

（1）定义

（2）多媒体技术的特点

（3）多媒体计算机的关键技术

压缩与解压缩

多媒体专用芯片

大容量存储器

多媒体软件

三、I/O接口

1．概述

接口的定义

设备接口的原因

2．接口的功能和组成

（1）总线连接方式的I/O接口电路

数据线

设备选择线

命令线

状态线

（2）接口的功能和组成

选址功能

传送命令的功能

传送数据的功能

反映I/O设备工作状态的功能

3．接口类型

按数据传送方式分：

并行接口、串行接口

按功能选择的灵活性分：

可编程接口、不可编程接口

按通用性分：

通用接口、专用接口

按数据传送的控制方式分：

程序型接口、DMA型接口

四、程序查询方式

1．程序查询流程

讨论程序查询方式中的踏步现象

2．程序查询方式的接口电路

五、程序中断方式

1．中断的概念

2．I/O中断的产生

3．程序中断方式的接口电路

中断请求触发器和中断屏蔽触发器

排队器

中断向量地址形成部件

程序中断方式接口电路的基本组成

4．I/O中断处理过程

（1）CPU响应中断的条件和时间

条件：

中断触发器EINT为“1”

时间：

每条指令执行阶段的结束时间

（2）I/O中断处理过程

5．中断服务程序的流程

（1）保护现场

保存程序的断点：

由中断隐指令完成

保存通用寄存器和状态寄存器的内容：

中断服务程序中的堆栈指令完成

（2）中断服务

中断服务程序的主体部分

（3）恢复现场

出栈指令完成

（4）中断返回

返回原程序的断点处

六、DMA方式

1．DMA方式的特点

主存与DMA接口之间有一条数据通路，交换信息时，不通过CPU，也不需要CPU暂停现行程序为设备服务

工作速度比程序中断方式高

2．DMA与主存交换数据时采用的三种方法

停止CPU访问主存

周期挪用

DMA与CPU交替访问。

3．DMA接口的功能和组成

（1）DMA接口的功能

（2）DMA接口基本组成

主存地址寄存器AR

字计数器WC

数据缓冲寄存器BR

DMA控制逻辑

中断机构

设备地址寄存器

4．DMA的工作过程

（1）DMA传送过程

预处理

数据传送

后处理

（2）DMA接口与系统的连接方式

具有公共请求线的DMA请求方式

独立的DMA请求方式

（3）DMA方式与程序中断方式比较的特点

5．DMA接口的类型

选择型DMA接口

多路型DMA接口

第六章计算机的运算方法

内容简介：

无符号数和有符号数，数的定义表示和浮点表示，定点运算，浮点运算，算术逻辑单元。

教学目标：

理解机器数的定点表示和浮点表示；

熟练掌握定点数的运算；

理解浮点数运算的基本方法和步骤；

理解运算器进位链电路。

教学重点：

定点数加减法运算的溢出判断，定点数乘法运算，定点数补码除法运算。

教学难点：

定点数原码两位乘，定点数补码加减交替法除法，运算器的并行进位链。

教学媒体和教学方法：

使用幻灯片在多媒体教室进行教学；

教学中采用讲授与讨论相结合的方法；

课堂练习。

教学过程：

一、无符号数和有符号数

1．无符号数

2．有符号数

（1）机器数与真值

（2）原码表示法

小数原码定义，整数原码定义，表示数的范围

（3）反码表示法

小数反码定义，整数反码定义，表示数的范围

（4）补码表示法

补数的概念，整数补码定义，小数补码定义，表示数的范围

（5）移码表示法

二、数的定点表示和浮点表示

1．定点表示

定点小数，定点整数

2．浮点表示

浮点数表示形式，浮点数的表示范围，浮点数的规格化，浮点数的IEEE标准

3．定点数与浮点数的比较

三、定点运算

1．移位运算

移位运算的意义

移位运算的规则

不同机器数移位运算结果的分析

算术移位与逻辑移位的区别

2．加减法运算

（1）补码加减法运算规则

（2）补码加减法运算的溢出判断

用一位符号位判断溢出

用两位符号位判断溢出

补码定点加减法运算的硬件配置

补码定点加减法运算控制流程

3．乘法运算

（1）分析笔算乘法

笔算乘法运算的过程，用计算机模仿笔算乘法的问题。

（2）笔算乘法的改进

迭代式的推导，将乘法演变成移位和加法实现。

（3）原码一位乘

运算规则，运算举例，硬件配置，控制流程

（4）原码两位乘

原码两位乘的分析，运算规则，运算举例，原码两位乘与原码一位乘的比较

（5）补码一位乘

补码一位乘运算规则推导：

乘数为正的情况，乘数为负的情况，Booth算法

运算规则

运算举例

硬件配置

控制流程

（6）补码两位乘

运算规则，运算举例

4．除法运算

（1）笔算除法分析

（2）原码除法

恢复余数法：

运算规则，运算举例

加减交替法：

运算规则，运算举例，硬件配置，控制流程

（3）补码除法

补码加减交替法运算规则

运算举例

控制流程

四、浮点数运算

1．浮点加减运算

（1）对阶

求阶差，对阶

（2）尾数求和

按补码规则进行定点小数加减运算

（3）规格化处理

左规，右规，注意同时阶数的减1或加1运算

（4）舍入处理

0舍1入法，恒置1法

（5）溢出判断

上溢处理，下溢处理

（6）控制流程

2．浮点乘除法运算

（1）阶码运算

阶码进行加减运算，乘法阶码相加，除法阶码相减

（2）尾数运算

按定点小数运算规则进行乘除运算

（3）规格化处理

（4）舍入处理

（5）溢出判断

（6）控制流程

3．浮点运算的硬件配置

五、算术逻辑单元

1．ALU电路

2．快速进位链

（1）并行加法器

（2）串行进位链

串行进位链的形成，串行进位链的优缺点

（3）并行进位链

单重分组跳跃进位：

逻辑式转换，进位链电路，优缺点

双重分组跳跃进位：

各小组的最高位进位表达式，大组进位链

第七章指令系统

内容简介：

机器指令构成，操作数类型与操作类型，寻址方式，指令格式设计。

教学目标：

理解指令的格式；

了解操作的类型和操作数的类型；

理解各种寻址方式；

掌握指令格式设计的方法和步骤。

教学重点、难点：

各种寻址方式，指令格式设计。

教学媒体和教学方法：

使用幻灯片在多媒体教室进行教学；

教学中采用讲授与讨论相结合的方法；

课堂练习。

教学过程：

一、机器指令

1．指令的一般格式

（1）指令码

操作码定长

操作码不定长

扩展操作码

（2）地址码

地址字段的数量对访存次数和寻址范围的影响。

2．指令字长

影响指令字长的因素；

定长指令字；

不定长指令字。

二、操作数类型和操作类型

1．操作数类型

地址，数字，字符，逻辑数据

2．数据在存储器中的存放方式

边界对准与边界不对准

3．操作类型

（1）数据传送

寄存器与寄存器，寄存器与存储单元，存储单元与存储单元

（2）算术逻辑操作

算术运算：

加，减，乘，除，增1，减1，求补

逻辑运算：

与，或，非，异或

位操作

（3）移位

算术移位，逻辑移位，循环移位

（4）转移

无条件转移，条件转移，跳转，过程调用与返回，陷阱

（5）输入输出

（6）其他

三、寻址方式

1．指令寻址

顺序寻址，跳跃寻址

2．数据寻址

（1）指令的基本格式

形式地址，有效地址计算，寻址特征位的确定

（2）各种寻址方式

立即寻址

直接寻址

隐含寻址

间接寻址

寄存器寻址

寄存器间接寻址

基址寻址

变址寻址

相对寻址

堆栈寻址

四、指令格式举例

1．设计指令格式应考虑的各种因素

操作类型

数据类型

指令格式

寻址方式

寄存器个数

2．指令格式举例

（1）几种典型机型的指令格式设计

（2）指令格式设计举例

教材P323~P326的例7.4至例7.7

五、RISC技术

1．RISC的产生和发展

2．RISC的主要特征

3．RISC与CISC的比较

第八章CPU的结构和功能

内容简介：

CPU的结构，指令周期，指令流水，中断系统。

教学目标：

理解构成CPU的各个组成部分的作用；

了解构成指令周期的各部分及各个周期的数据流；

理解指令流水实现、改进及影响指令流水因素；

掌握中断服务的流程。

教学重点、难点：

指令流水的实现机制，改进的流水线技术。

教学媒体和教学方法：

使用幻灯片在多媒体教室进行教学；

教学中采用讲授与讨论相结合的方法；

课堂练习。

教学过程：

一、CPU的结构

1．CPU的功能

（1）运算器功能

进行算术和逻辑运算

（2）控制器功能

取指令

分析指令

执行指令

控制输入和输出

2．CPU结构框图

3．CPU的寄存器

（1）用户可见寄存器

用户可见的含义

通用寄存器

数据寄存器

地址寄存器

条件码寄存器

（2）控制和状态寄存器

（3）几种CPU的寄存器组织举例

4．控制单元和中断系统

二、指令周期

1．指令周期的基本概念

构成指令周期的四个子周期

四个控制子周期的触发器

2．指令周期的数据流

取指周期的数据流

间址周期的数据流

中断周期的数据流

三、指令流水

1．指令流水的原理

由串行工作方式向并行工作方式的改进

流水线级别与指令分段的关系

2．影响指令流水线性能的因素

（1）结构相关

由于不同指令争用同一功能部件而产生的影响。

采用分类存储、预取指令技术等。

（2）数据相关

指令重叠可能改变对操作数的读写访问顺序而造成影响。

采取后推法、定向技术等解决。

（3）控制相关

由转移指令引起的。

可采用尽早判别、预取两个方向目标指令、加快和提前形成条件码、提高转移方向的猜准率等方法。

3．流水线性能

吞吐率，加速比，效率

4．流水线中的多发技术

超标量技术

超流水线技术

超长指令字技术

5．流水线结构

指令流水线结构

运算流水线

四、中断系统

1．中断系统的概述

（1）引起中断的各种因素

人为设置的中断

程序性事故

硬件故障

I/O设备中断

外部事件

（2）中断系统需解决的问题

如何提出中断请求

如何确定优先响应哪个中断请求

什么条件、什么时间、以什么方式响应中断

如何保护现场

如何实现转移

如何恢复现场和返回

中断响应如何处理新的中断请求

2．中断请求标记和中断判优逻辑

（1）中断请求标记

中断标记触发器

（2）中断判优逻辑

硬件排队

软件排队

3．中断服务程序入口地址的寻找

中断向量法

软件查询法

4．中断响应

响应中断的条件

响应中断的时间

中断隐指令

5．保护现场与恢复现场

程序断点的保护

CPU内部寄存器内容的保护

恢复现场与中断返回

6．中断屏蔽技术

（1）多重中断的概念

（2）实现多重中断的条件

（3）屏蔽技术

屏蔽触发器与屏蔽字

屏蔽技术可以改变优先等级

屏蔽技术的其他应用

（4）多重中断的断点保护

断点可以保存在堆栈中或特定的存储单元中。

第九章控制单元的功能

内容简介：

微操作命令，指令周期的分析，控制单元的外特性，多级时序系统，控制方式。

教学目标：

理解微操作命令的含义及功能；

了解指令周期的各个阶段的微操作；

了解控制单元的外特性；

了解多级时序系统；

了解控制单元的控制方式。

教学重点、难点：

指令周期的微操作。

教学媒体和教学方法：

使用幻灯片在多媒体教室进行教学；

教学中采用讲授与讨论相结合的方法。

教学过程：

一、微操作命令的分析

1．取指周期

取指周期的几个操作：

现行指令地址送至存储器地址寄存器

向主存发送读命令，启动主存作读操作

将MAR所指的主存单元中的内容经数据总线读至MDR

将MDR的内容送至IR

指令的操作码送至CU译码

形成下一条指令的地址

2．间址周期

间址周期的具体操作：

将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器

向主存发送读命令，启动主存读操作

将MAR所指的主存单元中的内容经数据总线读至MDR内

将有效地址送至指令寄存器的地址字段

3．执行周期

不同指令执行周期的微操作是不同的。

（1）非访存指令

举例：

清除累加器指令CLA

累加器取反指令COM

算术右移指令一位指令SHR

循环左移一位指令CSL

停机指令STP

（2）访存指令

举例：

加法指令ADDX

存数指令STAX

取数指令LDAX

（3）转移类指令

举例：

无条件转移指令JMPX

条件转移指令BANX

4．中断周期

在中断周期，由中断隐指令自动完成保护断点、寻找中断服