教案-计算机组成原理

1、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

2、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

3、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

4、。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

5、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

6、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

7、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

8、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、Ca

9、che-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

10、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ROMPROMEPROMEEPROMEPROM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

11、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2Cache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

12、：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）

13、I/O软件I/O指令通道指令（2）I/O硬件3I/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1I/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

14、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2I/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

15、中断方式接口电路的基本组成4I/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1DMA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2DMA与主存交换数据时采用的三种方法停止CPU访问主存周

16、期挪用DMA与CPU交替访问。3DMA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BRDMA控制逻辑中断机构设备地址寄存器4DMA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5DMA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

17、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

18、，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，

19、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

20、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1ALU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

21、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

22、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P323P326的例7.4至例7.7五、RISC技术1RISC的产生和发展2R

23、ISC的主要特征3RISC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1CPU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2CPU结构框图3CPU的寄存器（1）用户可见寄存

24、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。

25、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

26、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

27、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ADD X存数指令STA X取数指令LDA X（3）转移类指令举例：无条件转移指令JMP X条件转移指令BAN X4中断周期在中断周期，由中断隐指令自动完