计算机原理学习指导.doc

哈尔滨工业大学远程教育学院 计算机原理学习指导刘亚维课程名称：计算机原理开课院系：远程教育学院开课学时：48学 分：3授课对象：远程教育学院专升本计算机专业学生一、该课程应讲授的内容体系21基本描述22教学定位33知识点与学时分配3(1)计算机系统概论(23学时)3(2)系统总线(4学时)3(3)存储器(10学时)3(4)输入输出系统(8学时)3(5)计算机的运算方法及运算器(1011学时) ：3(6)指令系统(5学时)3(7)CPU的结构和功能(6学时)4(8)控制单元的功能及设计方法(6学时)4二、教材选择4三、课程讲授41重点与难点4第一章 计算机系统概念4第二章 计算机的发展和应用4第三章 系统总线4第四章 存储器5第五章 输入输出系统5第六章 计算机的运算方法5第七章 指令系统6第八章 CPU的结构和功能6第九章 控制单元的功能6第十章 控制单元的设计62讲授中应注意的方法等问题6四、作业安排71指导思想72作业安排73考题设计7一、该课程应讲授的内容体系1基本描述课程名称：计算机组成原理英文名称：PRINCIPLE OF COMPUTER ORGANIZATION总学时：讲授52学时；实验16学时。授课对象：计算机科学与技术学院本科生。课程要求：必修课分类：技术基础课开课时间：第5学期先修课：数字逻辑与数字电子技术 汇编语言程序设计.2教学定位 计算机组成原理是计算机科学与技术专业本科教学中的一门重要技术基础课，学习本课程旨在使学生掌握计算机硬件各子系统的组成原理及实现技术，建立计算机系统的整体概念，对没计开发计算机系统有重要作用。为今后学习计算机系统结构、计算机网络、计算机容错技术、计算机并行处理、计算机分布式处理技术等课程打好基础。3知识点与学时分配(1)计算机系统概论(23学时) 讲述计算机软、硬件概念；计算机系统的层次结构；计算机基本组成、主要技术指标；计算机的产生、发展及在各个不同领域的应用。(2)系统总线(4学时) 讲述总线概念、分类、特性、结构及控制。(3)存储器(10学时) 讲述存储器分类和存储器的层次结构、主存、高速缓冲存储器(Cache)及辅助存储器。(4)输入输出系统(8学时) 讲述输入输出系统概述、外部设备、I/O接口、程序查询、中断及存储器直接存取方式。(5)计算机的运算方法及运算器(1011学时) ： 讲述数的表示、定点运算、浮点运算及算术逻辑运算单元。(6)指令系统(5学时) 讲述机器指令、操作数和操作类型、寻址方式及指令格式举例：RISC技术(7)CPU的结构和功能(6学时) 讲述CPU的结构、指令周期、指令流水及中断系统。(8)控制单元的功能及设计方法(6学时) 讲述微操作命令的分析及功能，组合逻辑设计及微程序设计。二、教材选择 本课程教材选用唐朔飞编著计算机组成原理高等教育出版社，2000年7月第一版。该教材是国家教育部提出的“面向21世纪计算机类专业教学内容和课程体系改革”课题的研究成果，是教育部高等学校计算机科学教学指导委员会统一组织编写的计算机科学与技术专业“九五”规划课程系列教材之一。三、课程讲授1重点与难点第一章 计算机系统概念 重点：要突出当今世界计算机的主流还是以冯诺依曼结构的计算机为代表。因此重点要掌握以指令流和数据流为主线的计算机工作原理，真正认识到计算机内部工作过程是逐条取指令、分析指令、执行指令的过程。这样才能使学生以唯物主义的观点去理解计算机的自动工作原理，彻底摆脱对计算机模拟人思维的神秘感。 难点：本章概念、名词较多，要求学生在此章基础上，在深入学习以下各章后，逐步加深对本章的各种名词、概念及整机工作原理的理解。严格讲本章没太多难点，只是初学者一时不能很快理解利掌握而已。第二章 计算机的发展和应用 重点：了解计算机的发展史及它的应用领域。激发学生学习本课程的积极性。第三章 系统总线 重点：要求掌握系统总线在计算机硬件结构中的地位和作用，以及为了克服总线瓶颈问题而采用的多总线结构。此外，为了解决众多部件争用总线，必须对总线进行判优和通讯控制。 难点：总线的通讯控制。第四章 存储器 重点：要求掌握存贮器的基本功能及各类存储器读写信息的原理、，特别要注意半导体存储器的外特性和工作原理以及与CPU的连接方式，这样可更加强对整机概念的理解。此外，还必须了解高速缓冲存储器(Cache)、主存和外存的组成，以及他们在存储器的层次结构中各自所起的作用。 难点：由于不同的存储芯片其基本单元电路是不同的，因此学习时必须从本质上去认识它们。在设计存储芯片与CPU连接电路时，其关键在于存储芯片选片逻辑的确定，学生必须将以前学过的电路知识综合应用，合理选用各种芯片，准确画出存储器与CPU的连接电路图。第五章 输入输出系统 重点：要求掌握程序查询、程序中断及DMA三种主机与I/O交换信息的方式，并能明确不同控制方式各自所需的硬件及软件编程方法。尤其对中断技术应了解更深入，这样才能进一步加深理解整机的工作过程。 难点：处理中断过程中有各类技术，并要配置相应的各类硬件：和编写相应的软件程序，需记忆的内容甚多，学生只有从根本上理解每个硬件的地位和作用，才能运用自如。另一个难点是要真正认识DMA与中断传送的区别，前者发生在存储周期结束时，后者发生在指令周期结束时，这就反映了DMA有挪用存储周期的特点。第六章 计算机的运算方法 重点：要求掌握计算机中数的表示以及移位、定点补码加减运算、定点原码一位乘和两位乘及补码Booth算法、定点原码和补码加减交替除法，以及浮点补码加减运算。了解不同的运算方法对运算器结构的影响，以及提高运算速度采取的各种措施，包括快速进位链的设计方法。 难点：溢出判断是各种运算方法的一个难点，而定点运算和浮点运算判断溢出的方法是不同的。对于浮点运算，应特别注意区分浮点数和用补码表示的浮点规格化形式这两个概念，前者指的是真值，后者指的是机器数，由于补码规格化数的特殊约定，两者表示的数的范围是不同的。 本章的另一个难点是掌握原码和补码运算的最根本的区别在于对符号位的处理。原码乘除法结果的符号均和数值部分的运算分开进行，而补码乘除法结果的符号是在与数值部分的运算过程中产生的。值得注意的是机器内只设加法器，故全部减法运算实质是通过加法操作实现的，这就有一个对减数求“补”的问题。原码除法中减去除数的绝对值，一律用加上除数绝对值的补码实现。应特别注意-x补和-x*补的区别，其中x*是真值x的绝对值。 本章的第三个难点是，若浮点数的阶码采用移码运算时，其运算规则和溢出判断规则与补码运算是不同的。第七章 指令系统 重点：在第一章概述的基础上深入系统地介绍指令的格式，并从本质上来认识机器语言的一般特征，了解和掌握不同的地址格式和寻址方式对计算机硬件的要求，以及掌握操作数的寻址范围和信息的加工过程。此外应了解RISC的主要特点及其与CISC的区别。 难点：要求掌握设计指令格式的方法，学会根据指令系统的要求，确定指令字中各字段的位数及其含义。特别是在实际机器中，指令字长不一定等于存储字长，因此应格外注意各种寻址方法和地址格式的运用。 第八章 CPU的结构和功能 重点：要认识到机器的核心是CPU，通过对CPU的功能和内部结构的了解，掌握机器完成一条指令的全过程是在CPU的统一指挥下进行的。此外还应掌握中断技术在提高整机效能方面所起的作用，以及为了进一步提高数据的处理能力，开发系统的并行性，在现代计算机中大量采用流水技术。 难点：中断技术在现代计算机中起着重要作用。为了更好地吃透这一内容，建议结合第五章学习，便于建立整机概念。第九章 控制单元的功能 重点：理解控制单元为完成不同指令所发出的各种操作命令，及指令周期、机器周期、时钟周期与操作命令的关系。 难点：微操作命令的分析及多级时序系统。第十章 控制单元的设计 重点：要求初步掌握控制单元的两种设计方法，从而进一步理解组合逻辑控制器和微程序控制器在设计思想、硬件组成及其工作原理方面的不同。结合时序系统的概念，学会按不同指令要求，写出其相应的微操作命令及节拍安排。 难点：微程序控制是一种更规范的控制方法，学会如何确定微指令格式，编出微指令的码点是本章的难点。.2讲授中应注意的方法等问题 本课程要求学生树立计算机的整机工作原理，及对计算机各子系统的功能及设计或选取方法有初步的认识和掌握，因此讲好本课程要做到： (1)教师本身必须对本课程的基本内容非常熟悉，并能融会贯通，也即要求本身基础非常扎实。 (2)讲授本课程必须从宏观到微观，必须自上而下地给学生讲述计算机的整机概貌，让学生首先摆脱“电脑”神秘化的枷锁，用通俗易懂的方法，使学生学会用辩证唯物主义的思维方法去认识、了解并掌握计算机的组成及其工作原理。 (3)在宏观认识整机概貌的基础上，带领学生逐级剖析计算机的基本组成，如系统总线、存储器、输入输出系统、中央处理器等等。而在逐级剖析过程中，既要使学生时刻不忘整机工作的需要，又要对各级子系统进行深入的了解，使之从微观角度来认识实现计算机的自动工作，各子系统必须如何组成。最后通过第四篇控制单元的学习，引导学生真正了解计算机的有条不紊、自动协调工作都是在人们事先设计好的硬件基础上完成的，并可将这些看作是组成更高级计算机的“元素”或是“细胞”，这样，才能使学生更牢固地树立唯物主义的观念去从事计算机的开拓研究工作。(4)为了加深学生对各部分的理解和掌握，在讲授过程中，应该配置一定数量的实验和作业习题。四、作业安排1指导思想 要求学生能理解计算机的组成工作原理，并要求学生掌握一些基本运算方法及基本电路的设计方法。为此，必须用适量的作业、习题，启发学生独立思考以及熟练掌握一些基础知识和基本技能。2作业安排 本教材每一章都附有丰富的习题，根据教学进度和学时，合理选题，以达到进一步加深理解课堂讲授的内容。每一章讲授结束，收一次作业，判完后作一次集体答疑，讲解作业中的共性问题。习题解答可参考唐朔飞编著，