郝王丽-----计算机组成原理教案.doc

软件学院 C+语言程序设计山 西 农 业 大 学教 案 2014 2015 学年 第 一 学期 学 院 名 称 软件学院 课 程 名 称 计算机组成原理 课 程 性 质 专业必修课 授 课 对 象 软件1301-1306 授 课 教 师 郝王丽 职 称 助教 使 用 教 材 计算机组成原理（第2版）高等教育出版社 唐朔飞 编著 授 课 时 数 64 2014年 8月 25 日15教案授课时间 20142015学年第一学期 教案编写时间 2014年8 月 课程名称计算机组成原理课程编号总学时：64讲课： 64 学时实验： 0 学时实习： 0 学时学 分 数4课型专业基础必修课任课教师郝王丽职称助教授课对象软件1301-1306基本教材和主要参考资料使用教材：计算机组成原理（第2版），唐朔飞 编著，高等教育出版社参考资料：1计算机组成原理，白中英编著，科学出版社，2000.12计算机组成原理，张新荣，李雪威，于瑞国著，机械工业出版社，2009.33计算机组成原理（第2版），罗克露，俸志刚编著，电子工业出版社，2010.24电子计算机组成原理, 蒋本珊著，北京理工大学出版社，2004.85计算机组成原理（第2版），蒋本珊编著，清华大学出版社，2008.96 John L. Hennessy and David A. Patterson, Computer organization and design, the hardware/software interface, Morgan Kaufmann, Second Edition, 19987 Patterson and Hennessy, Computer Organization & Design: the Hardware/Software Interface (2nd edition),Morgan Kaufmann Publishers.教学目的和要求计算机组成原理是软件工程专业本科教学中的一门重要专业基础课，是计算机系统结构、操作系统、嵌入式系统原理及应用等课程的先驱课程。在计算机、网络工程和软件工程等专业的教学计划中占有重要地位和作用。学习本课程旨在使学生掌握运算器、控制器、存储器的构成原理、指令流程、组合逻辑控制、微程序控制、I/O控制等内容；了解数据信息的表示、运算方法与各类半导体存储器、辅助存储器，为更深入地学习后继课程打下基础。教学重点、难点了解：计算机的软硬件概念，计算机系统的层次结构，计算机的发展史，总线概念及分类，RISC技术，CPU的功能和内部结构，微操作命令的分析，微程序设计。理解：计算机的工作过程，总线特性及性能指标，静态和动态RAM、ROM、Cache，I/O设备与主机的联系方式和信息传送控制方式，组合逻辑设计。掌握：冯诺依曼计算机的特点，总线结构，存储器的分类和层次结构， I/O接口的功能和组成及类型，机器指令的一般格式及其在存储器中的存放方式，机器指令中的寻址方式。熟练掌握：计算机硬件的主要技术指标，总线的判优控制和通信控制，Cache-主存地址映射及替换策略，主机与I/O交换的三种控制方式，计算机的运算方法，指令周期，指令流水及多发技术，中断系统的处理过程，控制单元的功能。教学方式l 电子讲义为主：概念和原理、程序及说明；教材为辅。l 通过典型例题讲授基本概念和原理教学进程章序讲课时数实验时数共计时数第1章 计算机系统概述22第2章 计算机的发展及应用22第3章 系统总线66第4章 存储器66第5章 输入输出系统88第6章 计算机的运算方法1010第7章 指令系统88第8章 CPU的结构和功能1010第9章 控制单元的功能66第10章控制单元的设计66总计64064备注：该课程在讲授期间，结合实例进行分析，所以对应的课时安排中需要灵活安排，具体放在哪次课中，根据学生的实际接受情况而定。教案1 第 1 次课 2 学时课目、课题第一章 计算机系统概论教学目的和要求教学目的：使学生对计算机的基本组成有个大概的认知，为以后各个部分具体的知识讲解奠定基础。教学要求：要求学生掌握计算机软硬件的概念，计算机系统的层次结构，了解计算机组成和计算机体系结构，掌握冯.诺依曼计算机的特点，熟悉计算机的硬件框图，了解计算机的工作步骤。掌握计算机硬件主要技术指标的原理及运算方法。重 点难 点重点：l 计算机软硬件的概念l 计算机系统的层次结构l 冯.诺依曼计算机的特点l 计算机硬件的主要技术指标难点：l 计算机系统的层次结构l 计算机硬件主要技术指标的运算方法 教学进程教学内容辅助手段教学方法时间分配计算机软硬件的概念多媒体讲授法5min计算机系统的层次结构多媒体讲授法举例法15min计算机组成和体系结构多媒体讲授法举例法10min冯.诺依曼计算机特点多媒体讲授法举例法15min计算机的硬件框图多媒体讲授法举例法5min计算机解决问题上机前的准确多媒体讲授法举例法5min计算机解决问题上机运行多媒体讲授法25min计算机的硬件指标多媒体讲授法15min小结多媒体讲授法5min作业布置1.3，1.4，1.5，1.7，1.11，1.12主要参考资料计算机系统概论，Yale N. Patt, Sanjay J. Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社PPT+讲解+实例1.1 计算机系统简介1、计算机的软硬件概念计算机系统由软件和硬件两大部分组成。硬件指计算机的实体部分。软件是具有各类特殊功能的程序。软件分为系统软件和应用软件。系统软件的作用是管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，高效运行。应用软件是用户根据需要所编写的程序。2. 计算机系统的层次结构 微程序机器M0 （微指令系统） 传统机器M1 （机器语言机器） 操作系统M2 虚拟机器M3 （汇编语言机器） 虚拟机器M4 （高级语言机器）3. 计算机组成和计算机体系结构的区别 结构是程序员所能看到的计算机系统的属性，如指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O处理。 组成是如何实现这些属性。1.2 计算机的基本组成1. 冯.诺依曼计算机的特点2. 计算机的硬件框图3. 计算机的工作步骤 上机前准备 建立模型 确定计算方法 编写程序 上机运行1.3 计算机硬件指标 机器字长 CPU一次能处理的信息的位数，通常与CPU内寄存器的位数有关。各种语言的例子存储容量 主存容量=存储字长*存储单元个数赋存容量运算速度 1.4 本书结构本书分四篇：第一篇：计算机系统概论第二篇：计算机的组成，包括CPU，存储器，I/O以及连接它们的系统总线。第三篇：CPU第四篇：控制单元自顶向下，由表及里的层次结构，向读者战士计算机的组成及其工作原理。课后自我总结分析教案3 第 3 次课 2 学时课目、课题第三章 系统总线教学目的和要求教学目的：要求学生能对系统总线在计算机硬件结构中的地位和作用有所了解教学要求：要求学生掌握总线概念，总线作用，总线连接部件的方式（两种）；掌握总线的分类：片内总线，系统总线，通信总线。掌握总线的特性，性能指标，总线标准的概念，了解各个标准总线。重 点难 点重点： 总线的作用，概念，连接各部件的方式 总线的分类：片内总线，系统总线，通信总线 总线的特性及性能指标难点： 总线中的系统总线教学进程教学内容辅助手段教学方法时间分配总线的作用及概念多媒体讲授法10min各部件之间的互联方式多媒体讲授法举例法25min总线的分类：片内总线多媒体讲授法举例法5min总线的分类：系统总线多媒体讲授法举例法15min总线的分类：通信总线多媒体讲授法举例法5min总线的功能多媒体讲授法举例法20min总线的性能指标多媒体讲授法举例法10min总线标准多媒体讲授法举例法5min小结多媒体讲授法5min作业布置3.1, 3.2, 3.5, 3.10, 3.13, 3.14主要参考资料计算机系统概论，Yale N. Patt, Sanjay J. Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社课后自我总结分析 上来直接分析这三种组合逻辑的电路图，让学生有些疑惑，下次应先介绍背景，再分析电路图，再写真值表。教案8 第 8 次课 2 学时课目、课题第三章 存储单元教学目的和要求讲授计算机中N型和P-型MOS晶体管的基本原理以及由它们组成的逻辑门，逻辑结构。通过本章的学习，使同学们理解N型和P-型MOS晶体管的基本原理，掌握由P型和N型MOS晶体管如何组成逻辑门，包括非门、或门、或非门、与门和与非门。掌握两种逻辑结构，组合逻辑结构和存储单元。掌握如何由组合逻辑与存储单元构成时序逻辑电路。掌握有限状态机。最后，使同学们会看电路图，以及根据真值表会画电路图。重 点难 点重点：R-S锁存器的三种状态，门控D锁存器，由门控D锁存器组成的寄存器及内存。难点：由门控D锁存器组成的内存的读写和存取。教学进程教学内容辅助手段教学方法时间分配R-S锁存器的简介多媒体讲授法5minR-S锁存器三种有效状态多媒体讲授法举例法5min门控D锁存器的简介多媒体讲授法举例法20min门控D锁存器的两种状态，写和读多媒体讲授法举例法5min寄存器的简介多媒体讲授法举例法5min寄存器的写多媒体讲授法举例法20min寄存器的读取多媒体讲授法举例法5min内存的简介多媒体讲授法5min内存的写与读取多媒体讲授法25min小结多媒体讲授法5min作业布置23,27主要参考资料计算机系统概论，Yale N. Patt, Sanjay J. Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社课后自我总结分析 只分析了R-S锁存器和门控D锁存器的电路图，没有介绍它们的区别，下次课复习的时候加上。教案9 第 9 次课 2 学时课目、课题第三章 时序逻辑电路教学目的和要求讲授计算机中N型和P-型MOS晶体管的基本原理以及由它们组成的逻辑门，逻辑结构。通过本章的学习，使同学们理解N型和P-型MOS晶体管的基本原理，掌握由P型和N型MOS晶体管如何组成逻辑门，包括非门、或门、或非门、与门和与非门。掌握两种逻辑结构，组合逻辑结构和存储单元。掌握如何由组合逻辑与存储单元构成时序逻辑电路。掌握有限状态机。最后，使同学们会看电路图，以及根据真值表会画电路图。重 点难 点重点：时序逻辑电路和组合逻辑电路的区别，组合锁，密码锁，有限状态机，状态图。难点：时序锁的状态图，交通灯的状态图。教学进程教学内容辅助手段教学方法时间分配时序逻辑电路的简介多媒体讲授法5min时序逻辑电路的组成多媒体讲授法举例法15min时序逻辑电路和组合逻辑电路区别多媒体讲授法举例法10min组合锁和密码锁多媒体讲授法举例法5min有限状态机多媒体讲授法举例法15min状态图多媒体讲授法举例法10min时钟多媒体讲授法举例法5min时序锁的状态图多媒体讲授法5min交通灯的状态图和电路图多媒体讲授法25min小结多媒体讲授法5min作业布置28,30,31,34主要参考资料计算机系统概论，Yale N. Patt, Sanjay J. Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社课后自我总结分析 基本讲述清楚，下次在有限状态机的概念及表示上多用一些时间。教案10 第 10 次课 2 学时课目、课题第四章 冯.诺依曼模型教学目的和要求讲授冯诺依曼模型的五个重要组成部分：输入设备，内存，处理器，控制器和输出设备；LC-3相应的五个组成部分；计算机的执行单元指令，指令周期的六个节拍：取指令，译码，地址计算，取操作数，执行，存储结果。重 点难 点重点：冯诺曼模型的五个组成部分，内存的两个接口（MAR,MDR），处理器和控制器的组成部分及控制器的工作原理，LC-3的五个组成部分，指令周期。难点：控制器的工作原理，指令周期。教学进程教学内容辅助手段教学方法时间分配复习上节课内容多媒体讲授法5min冯.诺依曼模型多媒体讲授法举例法15min输入设备和输出设备多媒体讲授法举例法10min内存的组成部分：MAR, MDR,存储单元；内存的读写步骤，寻址空间、能力。多媒体讲授法举例法25min处理器的组成部分：逻辑功能单元和临时寄存器。多媒体讲授法举例法20min控制单元的组成部分：IR和PC，以及其工作原理。多媒体讲授法举例法15minLC-3的五个组成部分多媒体讲授法举例法10min指令的概念及注意事项多媒体讲授法10min作业布置4.3,4.5,4.8主要参考资料计算机系统概论，Yale N. Patt, Sanjay J. Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社课后自我总结分析 该部分讲述比较清楚，下次让学生自己介绍内存单元的读写过程，增强他们的理解。教案11 第 11 次课 2 学时课目、课题第四章 冯.诺依曼模型教学目的和要求讲授冯诺依曼模型的五个重要组成部分：输入设备，内存，处理器，控制器和输出设备；LC-3相应的五个组成部分；计算机的执行单元指令，指令周期的六个节拍：取指令，译码，地址计算，取操作数，执行，存储结果。重 点难 点重点：冯诺曼模型的五个组成部分，内存的两个接口（MAR,MDR），处理器和控制器的组成部分及控制器的工作原理，LC-3的五个组成部分，指令周期。难点：控制器的工作原理，指令周期。教学进程教学内容辅助手段教学方法时间分配复习上节课内容多媒体讲授法5min指令的基本概念多媒体讲授法举例法15min指令周期之取指令多媒体讲授法举例法10min指令周期之译码多媒体讲授法举例法25min指令周期之地址计算多媒体讲授法举例法20min指令周期之取操作数多媒体讲授法举例法15min指令周期之执行及存储结果多媒体讲授法举例法10min如何停机多媒体讲授法10min作业布置4.11， 4.13 ，4.15主要参考资料计算机系统概论，Yale N. Patt, Sanjay J. Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社课后自我总结分析 停机过程讲的很仓促，下次放慢一些。教案12 第 12 次课 2 学时课目、课题第五章 LC-3结构教学目的和要求通过本节课的学习，学生需要掌握ISA（指令集结构）的概念及组成部分：内存组织，寄存器和指令集，掌握指令集的组成部分：操作码，数据类型和寻址模式。重 点难 点重点：ISA 的概念，内存和寄存器的组织形式，指令集的组成部分。难点：指令集的数据类型和寻址模式。教学进程教学内容辅助手段教学方法时间分配复习上节课内容多媒体讲授法15minISA的概念多媒体讲授法举例法5min内存组织（寻址空间，寻址能力）多媒体讲授法举例法20min寄存器（LC-3有8个通用寄存器）多媒体讲授法举例法15min指令集的操作码多媒体讲授法举例法20min指令集的数据类型（补码）多媒体讲授法举例法15min指令集的寻址模式的概念及作用多媒体讲授法举例法10min指令集的寻址模式的分类（内存，寄存器和立即数）多媒体讲授法10min作业布置5.1,5.3,5.7,5.9主要参考资料计算机系统概论，Yale N. Patt, Sanjay J. Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社课后自我总结分析 指令集的数据类型都是补码，下次将为什么是补码详细介绍一下，并再复习一下补码的表示方法。教案13 第 13 次课 2 学时课目、课题第五章 LC-3结构教学目的和要求通过本节课的学习，使学生们掌握LC-3结构三种操作指令的概念，掌握运算指令，数据迁移指令的步骤及作用。重 点难 点重点：LC-3结构的运算指令和数据迁移指令。难点：ADD与AND指令的两种形式，Load指令和Store指令的区别及它们的三种实现方式。教学进程教学内容辅助手段教学方法时间分配复习上节课内容多媒体讲授法5min运算指令 ADD的两种形式多媒体讲授法举例法15min运算指令 AND的两种形式多媒体讲授法举例法10min运算指令 NOT的步骤多媒体讲授法举例法5min数据迁移指令的类型（两种）多媒体讲授法举例法20min数据迁移的LD和ST指令的步骤及内存运算方式（PC+offset）多媒体讲授法举例法15min数据迁移的LDI和STI指令的步骤及内存运算方式（PC+offset算得操作数的地址的地址）多媒体讲授法举例法10min数据迁移的LDR和STR指令的步骤及内存运算方式（PC+offset算得操作数的地址的地址）多媒体讲授法举例法10min立即数寻址指令LEA与LD指令的区别及操作步骤多媒体讲授法举例法10min小结多媒体讲授法举例法10min作业布置5.15, 5.17, 5.19主要参考资料计算机系统概论，Yale N. Patt, Sanjay J. Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社课后自我总结分析 讲述清楚，下次引领学生分析指令的结构。教案14 第 14 次课 2 学时课目、课题第五章 LC-3结构教学目的和要求通过本节课的学习，使学生们掌握LC-3结构第三种指令控制指令的概念及分类，掌握条件转移指令的原理及跳转方式，掌握无条件跳转指令的跳转步骤，了解TRAP指令通过陷入矢量来决定的三种代表性操作（输入（x23），输出 (x21) 及停机(x25)）。重 点难 点重点：条件跳转指令，无条件跳转指令，TRAP指令。难点：条件码和检测码的区别。教学进程教学内容辅助手段教学方法时间分配复习上节课内容多媒体讲授法5min条件码的概念及设定依据多媒体讲授法举例法15min条件码和检测码的区别多媒体讲授法举例法10min条件跳转的方式（BR指令）多媒体讲授法举例法25min无条件跳转指令的跳转步骤（JMP）多媒体讲授法举例法20minTRAP指令的简介多媒体讲授法举例法15min陷入矢量的作用多媒体讲授法举例法10min小结多媒体讲授法10min作业布置5.21，5.30主要参考资料计算机系统概论，Yale N. Patt, Sanjay J. Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社课后自我总结分析 条件码和检测码的区别是重点难点，这个知识点应花一些时间并通过实例给学生讲清楚。教案15 第 15 次课 2 学