計算機組成原理教學(xué)設(shè)計

1、學(xué)習(xí)必備歡迎下載計算機組成原理教學(xué)設(shè)計一、該課程應(yīng)講授的內(nèi)容體系1 .基本描述【課程中文名稱】：計算機組成原理【課程英文名稱:PRINCIPLES OF COMPUTER ORGANIZATION【總學(xué)時】：68【講課學(xué)時】：52【實驗學(xué)時】：16【授課對象】：計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、信息安全專業(yè)、生物信息技術(shù)專業(yè)【先修課程】：數(shù)字電路設(shè)計2 .教學(xué)定位計算機組成原理是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)中的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，在計算機科學(xué)與技 術(shù)專業(yè)的教學(xué)計劃中占有重要地位和作用。學(xué)習(xí)本課程旨在使學(xué)生掌握計算機硬件各子系統(tǒng)的組成原理及 實現(xiàn)技術(shù)，建立計算機系統(tǒng)的整體概念，對培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計開發(fā)計算機系統(tǒng)的

2、能力有重要作用。該課程為今 后學(xué)習(xí)計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò)、計算機容錯技術(shù)、計算機并行處理、計算機分布式處理技術(shù)等課程 打好基礎(chǔ)。3 .知識點與學(xué)時分配(1 )第一章計算機系統(tǒng)概論(2.5學(xué)時)計算機軟硬件概念、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、計算機的基本組成、馮？若依曼計算機的特點、計算機的硬件框圖及工作過程、計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)和本書結(jié)構(gòu)及學(xué)習(xí)指南。(2 )第二章計算機的發(fā)展及應(yīng)用(0.5學(xué)時)計算機的產(chǎn)生、發(fā)展及在各個不同領(lǐng)域的應(yīng)用。(3 )第三章系統(tǒng)總線(3學(xué)時)總線的基本概念、總線的分類、總線特性及性能指標(biāo)、總線結(jié)構(gòu)和總線的判優(yōu)控制及通信控制學(xué)習(xí)必備歡迎下載（4 ）第四章存儲器（10學(xué)時

3、）存儲器分類和存儲器的層次結(jié)構(gòu)；主存儲器（包括半導(dǎo)體存儲芯片簡介、靜態(tài)隨機存取存儲器和動態(tài) 隨機存取存儲器、只讀存儲器、存儲器與CPU的連接、存儲器的校驗、提高訪存速度的措施）；高速緩沖存儲器（包括Cache的基本結(jié)構(gòu)及工作原理、 Cache-主存地址映像、替換算法）；輔助存儲器（包括輔助 存儲器的特點及主要技術(shù)指標(biāo)、磁記錄原理和記錄方式、磁盤存儲器的結(jié)構(gòu)、光盤存儲器的存取原理）。（5 ）第五章輸入輸出系統(tǒng)（8學(xué)時）輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況及組成、I/O與主機的編址方式、傳送方式、聯(lián)絡(luò)方式以及設(shè)備尋址；外部設(shè)備分類及簡介、I/O接口的功能及基本組成；程序查詢方式的工作原理及程序查詢接口電路；程序

4、中斷 方式的工作原理及程序中斷接口電路、中斷服務(wù)流程；DMRT式的特點、DM破口電路的功能、組成、類型及DMA的工作過程。（6 ）第六章計算機的運算方法（12學(xué)時）計算機中有符號數(shù)（原碼、補碼、反碼、移碼）和無符號數(shù)的表示；計算機中數(shù)的定點表示和浮點表 示；定點運算（算術(shù)移位和邏輯移位、補碼加減、原碼補碼乘法、原碼補碼除法）及相應(yīng)的硬件配置；浮 點四則運算和算術(shù)邏輯單元及進(jìn)位鏈。（7 ）第七章指令系統(tǒng)（4學(xué)時）機器指令的一般格式、操作數(shù)類型和操作類型、指令的地址格式和尋址方式、指令格式舉例和RISC技術(shù)。（8 ）第八章CPU的結(jié)構(gòu)和功能（4學(xué)時）CPU勺功能及結(jié)構(gòu)框圖、指令周期、指令流水和中斷

5、系統(tǒng)（包括引起中斷的各種因素，中斷系統(tǒng)所需 解決的共性問題，如中斷請求標(biāo)記、中斷判優(yōu)、中斷響應(yīng)、中斷服務(wù)、中斷返回、多重中斷等）。（9 ）第九章控制單元（4學(xué)時）微操作命令的分析（按取指周期、間址周期、執(zhí)行周期和中斷周期分析不同指令的微操作命令）、控 制單元的外特性、多級時序系統(tǒng)、控制方式和控制信號實例分析。（10 ）第十章控制單元的設(shè)計（4學(xué)時）組合邏輯設(shè)計（包括組合邏輯控制單元框圖、微操作節(jié)拍安排、組合邏輯設(shè)計舉例）；微程序設(shè)計（包 括微程序控制單元框圖及工作原理、微指令的編碼方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序設(shè) 計舉例）。、教材選擇學(xué)習(xí)必備歡迎下載本課程教材選用唐朔飛編著計算

6、機組成原理(高等教育出版社，2000年7月第一版)。該教材是國家教育部提出的“面向21世紀(jì)計算機類專業(yè)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革”課題的研究成果，是教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會統(tǒng)一組織編寫的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)“九五”規(guī)劃課程系列教材之一。該教材根本上扭轉(zhuǎn)了從二進(jìn)制數(shù)制碼制開始，接著按運算器、存儲器、控制器、輸入輸出系統(tǒng)的順序， 逐一講述計算機中各部件的傳統(tǒng)寫法，致使學(xué)生往往學(xué)了半個學(xué)期，仍不知其所以然，直到最后才將全部 的內(nèi)容連貫起來。這種自底向上的講述方法，不易激發(fā)學(xué)生主動探求知識，也不利于“以學(xué)生為主”的教 學(xué)方式。本教材定位在原理和性能分析上。首先把學(xué)生領(lǐng)到計算機整體框架的制高點

7、上，然后帶領(lǐng)學(xué)生自頂向 下，由表及里，層層細(xì)化，一步一步進(jìn)入到計算機的內(nèi)核，更有利于學(xué)生對計算機工作原理的理解。在深 化過程中，每走一步會出現(xiàn)一系列懸念，每一個懸念又都啟發(fā)學(xué)生主動從下一篇章尋求答案。因此在大框 架的指導(dǎo)下，在深入細(xì)化的過程中，學(xué)生自覺的加深了對計算機的理解。在此過程中，由于突出了啟發(fā)式 教育，學(xué)生經(jīng)過主動探求，使知識掌握得更加牢固。2000年至今，全國開始采用此教材，實踐證明了該教材確實達(dá)到了編寫的設(shè)想，激發(fā)了學(xué)生主動探索 的積極性，引導(dǎo)了學(xué)生層層深化的目的。此教材2002年獲全國普通高校優(yōu)秀教材二等獎，至今已印刷12次，共1 5 0 0 0 0冊 。本課程主要參考教材為教育

8、部高等教育司推薦的國外優(yōu)秀信息科學(xué)與技術(shù)系列教學(xué)用書WilliamStallings, Computer Organization and Architecture Designing for Performance ( Fifth Edition ), 2001.8影印版。三、課程講授1 .重點與難點(1 )第一章計算機系統(tǒng)概論重點：本章重點突出計算機組成的概貌和框架，如下圖所示學(xué)習(xí)必備歡迎下載由此使學(xué)生簡潔明了地了解計算機內(nèi)部的工作過程實際上是指令流和數(shù)據(jù)流在此框架內(nèi)由I/O -存儲器一 CP3存儲器一 I/O的過程，是通過逐條取指令、分析指令和執(zhí)行指令來運行程序的。同時要讓學(xué)生了 解到當(dāng)

9、今計算機盡管發(fā)展到千變?nèi)f化的程度，但其最根本的組成原理還是基于馮？若依曼的結(jié)構(gòu)。難點：本章概念、名詞較多，這些只是為進(jìn)一步深化學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，因此嚴(yán)格講本章沒什么難點，只 要建立計算機組成的框架即可。對指令和數(shù)據(jù)都以0或1代碼存于存儲器中，計算機如何區(qū)分它們這一問 題，應(yīng)特別注意重點理解。(2 )第二章計算機的發(fā)展和應(yīng)用重點：使學(xué)生了解到從1946年ENIAC誕生到二十世紀(jì)五、六十年代，由于構(gòu)成計算機的元器件發(fā)展變 化(由電子管一晶體管一集成電路)，使計算機的性能有了很大提高，每隔6至7年，計算機便更新?lián)Q代一次，運算速度約提高一個數(shù)量級。而到了二十世紀(jì)七十年代，自從 Intel公司生產(chǎn)了第一個微

10、處理器芯 片后，隨著集成度成倍的提高， 以每隔18個月芯片上的晶體管數(shù)就翻一番的速度使計算機得到極為廣泛的 應(yīng)用，以至整個社會從制造時代進(jìn)入到信息時代，出現(xiàn)了知識大爆炸，從而要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的積極 性和主動性。(3 )第三章系統(tǒng)總線重點：要求學(xué)生了解隨著計算機的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，I/O設(shè)備的種類和數(shù)量也越來越多。為了更好地解決I/O設(shè)備與主機之間連接的靈活性，計算機的結(jié)構(gòu)從分散連接發(fā)展成總線連接。由于各個子系統(tǒng)都通過總線交換信息，這就產(chǎn)生了總線的瓶頸問題，影響了計算機的速度。為了克服總線瓶頸又產(chǎn) 生了多總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步為了設(shè)計簡化，便于維護(hù)，有利于批量生產(chǎn)，又提出了各種總線標(biāo)準(zhǔn)。特

11、別是為 了解決眾多部件爭用總線，必須對總線進(jìn)行判優(yōu)控制和通信控制。難點：為了解決總線上各模塊爭奪總線的使用權(quán)，解決通信雙方如何獲知傳輸開始和結(jié)束，以及通信 雙方如何協(xié)調(diào)配合，總線的通信控制是至關(guān)重要的。(4 )第四章存儲器重點：存儲器如同人的大腦具有記憶功能一樣，是計算機組成的一個重要部件，它直接影響到計算機 存儲信息的容量和計算機的運行速度。圍繞著計算機速度的提高，容量的擴大，促使存儲器從基本組成元 件到整體結(jié)構(gòu)都在不斷的發(fā)展和完善。當(dāng)今計算機大多以半導(dǎo)體存儲器作為主存儲器，以硬盤或光盤作為輔助存儲器。為了更好解決存儲器的速度、容量和價格/位之間的矛盾，采用 Cache-主存和主存-輔存的存

12、儲器結(jié)構(gòu)，使存儲器的總體性 能得到很大的提高。學(xué)生必須掌握各類存儲器的工作原理，以及各類存儲器在存儲器的存儲層次結(jié)構(gòu)中各 自起的作用。難點：要求學(xué)生運用以前學(xué)過的電路知識和本章所學(xué)的半導(dǎo)體存儲芯片，設(shè)計存儲器和CPU的連接電路。注意要合理選用芯片，以及 CPU和存儲器芯片之間的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的連接，特別是存儲芯 片片選邏輯的確定。學(xué)習(xí)必備歡迎下載本章另一個難點是掌握不同的Cache-主存地址映象直接影響主存地址字段的分配及替換策略和命 中率。(5 )第五章輸入輸出系統(tǒng)重點：輸入輸出系統(tǒng)是人機對話和人機交互的紐帶和橋梁。由于輸入輸出設(shè)備工作速度與計算機主機的工作速度極不匹配，為此，既要考

13、慮到輸入輸出設(shè)備工作的準(zhǔn)確可靠，又要充分挖掘主機的工作效率，因 此要求學(xué)生掌握主機與I/O交換的三種控制方式，即程序查詢、程序中斷和DMA以及它們各自所需的硬件及軟件支持。難點：要對處理中斷的各類軟、硬件技術(shù)運用自如；要認(rèn)清周期竊取的含義；要分清CPUP向應(yīng)中斷和允許周期挪用的時間。(6 )第六章計算機的運算方法重點：要使學(xué)生認(rèn)識到計算機內(nèi)部的各種運算與人們習(xí)慣的運算是不同的，不僅運算方法有差異，就 是數(shù)的表示也不同。要求學(xué)生掌握計算機中有符號數(shù)、無符號數(shù)、定點數(shù)和浮點數(shù)的各種表示，以及移位、 定點補碼加減運算、定點原碼一位乘和兩位乘及補碼Booth算法、定點原碼和補碼加減交替除法，以及浮點補

14、碼加減運算。了解不同的運算方法對運算器結(jié)構(gòu)的影響，以及提高運算速度采取的各種措施，包括快 速進(jìn)位鏈的設(shè)計方法。難點：溢出判斷是各種運算方法的一個難點，而定點運算和浮點運算判斷溢出的方法是不同的。 對于浮點運算，應(yīng)特別注意區(qū)分浮點數(shù)和用補碼表示的浮點規(guī)格化形式這兩個概念，前者指的是真值，后 者指的是機器數(shù)，由于補碼規(guī)格化數(shù)的特殊約定，兩者表示的數(shù)的范圍是不同的。本章的另一個難點是掌握原碼和補碼運算的最根本的區(qū)別在于對符號位的處理。原碼乘除法結(jié)果 的符號均和數(shù)值部分的運算分開進(jìn)行，而補碼乘除法結(jié)果的符號是在數(shù)值部分的運算過程中自動形成的。 值得注意的是機器內(nèi)只設(shè)加法器，故全部減法運算實質(zhì)是通過加法

15、操作實現(xiàn)的，這就有一個對減數(shù)求“補”的問題。原碼除法中減去除數(shù)的絕對值，一律用加上除數(shù)絕對值的補碼實現(xiàn)。應(yīng)特別注意卜x補和-x*補的區(qū)別，其中x*是真值x的絕對值。本章的第三個難點是，若浮點數(shù)的階碼采用移碼運算時，其運算規(guī)則和溢出判斷規(guī)則與補碼運算 是不同的。(7 )第七章指令系統(tǒng)重點：要求學(xué)生了解機器的指令系統(tǒng)決定了一臺計算機的功能，而一旦計算機的指令系統(tǒng)確定以后， 計算機的硬件必須給予支持。指令系統(tǒng)主要體現(xiàn)在它的操作類型、數(shù)據(jù)類型、地址格式和尋址方法等方面。要求學(xué)生掌握不同的尋址方式對操作數(shù)尋址范圍以及對編程的影響，掌握不同的尋址方式所要求的硬件和信息的加工過程。還應(yīng)了解 RISC的主要特

16、點及其與 CISC的區(qū)別。學(xué)習(xí)必備歡迎下載難點：要求掌握設(shè)計指令格式的方法，學(xué)會根據(jù)指令系統(tǒng)的要求，確定指令字中各字段的位數(shù)及其含 義。特別是在實際機器中，指令字長不一定等于存儲字長，因此應(yīng)格外注意各種尋址方法和地址格式的運 用。(8 )第八章 CPU的結(jié)構(gòu)和功能重點：要認(rèn)識到機器的核心是 CPU通過對CPU的功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解，掌握機器完成一條指令的 全過程是在CPU的統(tǒng)一指揮下進(jìn)行的，而且 CPUE不同的工作周期內(nèi)訪存的性質(zhì)是不同的。此外還應(yīng)掌握 中斷技術(shù)在提高整機效能方面所起的作用，以及為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的處理能力，開發(fā)系統(tǒng)的并行性，在 現(xiàn)代計算機中大量采用流水技術(shù)。難點：中斷技術(shù)在現(xiàn)

17、代計算機中起著重要作用。為了更好地吃透這一內(nèi)容，建議結(jié)合第五章學(xué)習(xí)，便于建立整機概念。(9 )第九章控制單元的功能重點：理解控制單元為完成不同指令所發(fā)出的各種操作命令，以及指令周期、機器周期、時鐘周期與 操作命令的關(guān)系。難點：CPU的控制方式，微操作命令的分析及多級時序系統(tǒng)。(10 )第十章 控制單元的設(shè)計重點：要求初步掌握控制單元的兩種設(shè)計方法，從而進(jìn)一步理解組合邏輯控制器和微程序控制器在設(shè) 計思想、硬件組成及其工作原理方面的不同。結(jié)合時序系統(tǒng)的概念，學(xué)會按不同指令要求，寫出其相應(yīng)的 微操作命令及節(jié)拍安排。難點：微程序控制是一種更規(guī)范的控制方法，學(xué)會如何確定微指令格式，編出微指令的碼點是本章

18、的難點。2 .講授中應(yīng)注意的方法等問題本課程要求學(xué)生樹立計算機的整機工作原理，及對計算機各子系統(tǒng)的功能及設(shè)計或選取方法有初步的 認(rèn)識和掌握，因此講好本課程要做到：教師本身必須對本課程的基本內(nèi)容非常熟悉，并能融會貫通，也即要求本身基礎(chǔ)非常扎實。講授本課程必須從 宏觀到微觀，必須自上而下地給學(xué)生講述計算機的整機概貌，讓學(xué)生首先擺脫 “電腦”神秘化的枷鎖，用通俗易懂的方法，使學(xué)生學(xué)會用辯證唯物主義的思維方法去認(rèn)識、了解并掌握 計算機的組成及其工作原理。在宏觀認(rèn)識整機概貌的基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)學(xué)生逐級剖析計算機的基本組成，如系統(tǒng)總線、存儲器、輸入輸出系統(tǒng)、中央處理器等等。而在逐級剖析過程中，既要使學(xué)生時刻不忘

19、整機工作的需要，又要對各級學(xué)習(xí)必備歡迎下載子系統(tǒng)進(jìn)行深入的了解，使之從微觀角度來認(rèn)識實現(xiàn)計算機的自動工作，各子系統(tǒng)必須如何組成。最后通 過第四篇控制單元的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生真正了解計算機的有條不紊、自動協(xié)調(diào)工作都是在人們事先設(shè)計好的 硬件基礎(chǔ)上完成的，并可將這些看作是組成更高級計算機的“元素”或是“細(xì)胞”，這樣，才能使學(xué)生更 牢固地樹立唯物主義的觀念去從事計算機的開拓研究工作。為了加大課堂上的信息量，突出教材的重點和難點，更形象的理解各種電路中信息的流動過程和 工作原理以及設(shè)計思路，課堂教學(xué)上采用多媒體教學(xué)手段。在課件制作上注重動畫顯示，按講課進(jìn)度控制 播放速度，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，由表及里，層層深

20、入。為了加深學(xué)生對各部分的理解和掌握，在講授過程中，應(yīng)該配置一定數(shù)量的實驗和作業(yè)習(xí)題。四、作業(yè)安排1 .指導(dǎo)思想要求學(xué)生理解計算機組成的工作原理，掌握計算機的基本運算方法及基本電路的設(shè)計方法。為此，必 須用適量的作業(yè)、習(xí)題，啟發(fā)學(xué)生獨立思考以及熟練掌握一些基礎(chǔ)知識和基本技能。2 .作業(yè)安排本教材每一章都附有大量的習(xí)題，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度和學(xué)時，合理選擇書上習(xí)題，以達(dá)到進(jìn)一步加深 理解課堂講授的內(nèi)容。每一章講授結(jié)束，收一次作業(yè)，給出成績，并作一次集體答疑，講解作業(yè)中的共性 問題。作業(yè)成績記入總成績內(nèi)。沒有作業(yè)成績者不得參加考試。五、實驗環(huán)節(jié)為了加強實踐環(huán)節(jié)，強調(diào)對學(xué)生個性化的培養(yǎng)，要求每個學(xué)生實驗前必須預(yù)習(xí)，最終實驗成績按預(yù)習(xí)情況、具體操作及實驗報告綜合評定，實驗成績記入總成績內(nèi)。六、考題設(shè)計考題設(shè)計的指導(dǎo)思想是注重能力的考核，而不是記憶的考核 。