《計算機組成原理》教案

1、計算機組成原理教案授課學時：72學時授課對象：計算機07級授課時間：2009年授課教師：許宏計算機組成原理教學內容：研究討論單臺計算機的完整硬件系統(tǒng)的基本組成原理與內部運行機制。課程性質：計算機科學與技術及相關專業(yè)的基礎課程。課程的目的和任務：用層次結構的觀點并以信息的加工、處理為主線研究計算機硬件結構及工作原理；使學生掌握計算機硬件系統(tǒng)中各大部件的組成原理、邏輯實現(xiàn)、設計方法及互連構成整機的技術；培養(yǎng)學生對硬件系統(tǒng)的分析、設計、開發(fā)、使用和維護方面的能力，建立牢固的整機思想。課程特點：內容覆蓋面廣，基本概念多、抽象，難以建立計算機的整機概念。教學目標：盡可能清晰而完整地介紹當代計算機系統(tǒng)的性

2、質和特征。具有挑戰(zhàn)性：計算機系統(tǒng)的多樣性：價格、體積、性能和應用等。計算機技術的飛速發(fā)展：低層的集成電路計算機和并行組織技術。課程內容的工程性、技術性、實用性都比較強，因此，在學習計算機組成的原理性知識之外，還應有較多的設計與實驗技能訓練。課程的教學基本要求:使學生學懂簡單、完整的單臺計算機的基本部件和整機系統(tǒng)組成，以及計算機部件連接關系和運行機理，了解計算機系統(tǒng)結構的入門性知識，掌握使用和簡單維護計算機系統(tǒng)的基本技能。教學方法和教學形式建議:本課程采用遠程教學和面授輔導相結合的方式開展教學。遠程教學包括要求學生收看電視錄像課、網(wǎng)上的流媒體（IP）課件、網(wǎng)上教學輔導、實時和非實時答疑等多種教學

3、形式；面授輔導應考慮學生的在職和成人特點和需求，在業(yè)余時間進行有針對性的學習指導。平時作業(yè)既是學生自我檢驗學習水平的一種形式，也是很重要的形成性考核手段，各級電大教學點應配合面授輔導教師督促學生獨立完成并及時批改和反饋，必要時應要求學生重做。小組討論課是在教師引領下對預先布置的主題開展討論的一種教學活動形式。這種教學活動能夠很好地激發(fā)學生的學習興趣，各級電大教學點應配合面授輔導教師組織實施。同時，小組討論課也是一種形成性考核形式，教師應注意把握“引領”、“提問”和“點評”等多個教學指導環(huán)節(jié)，并依據(jù)標準給予每個學生合理的學習評價。課程教學要求的層次:1掌握：屬于課程中最重要的內容。要求學生能夠熟

4、練運用這部分知識對相關問題做基本的分析、計算和處理，具有基本的應用能力和舉一反三的能力。2理解：屬于課程中較重要的內容。要求學生能夠運用這部分知識對相關問題進行簡單的分析、判斷和說明，具有區(qū)別或區(qū)分容易被混淆的概念的能力，以及讀懂原理框圖、流程圖、程序語句和簡單邏輯電路圖的能力。3了解：屬于課程中與上述“掌握”和“理解”部分相關的較復雜的內容，作為提高或擴大知識面的內容。要求學生對這部分知識能夠初步認識、學會、記憶或簡單理解，具有簡要描述、敘述、說明和舉例的能力。學時分配教學內容課內學時一、計算機系統(tǒng)概述6二、數(shù)據(jù)表示和運算方法10三、運算器部件8四、指令系統(tǒng)和匯編程序設計9五、控制器部件9六

5、、存儲器系統(tǒng)12七、計算機輸入/輸出設備與系統(tǒng)12八、并行計算機體系結構6合計72第一章節(jié)：計算機系統(tǒng)概述（6學時）主要內容：1、 計算機系統(tǒng)的基本組成和它的層次結構2、 計算機硬件系統(tǒng)的5個功能部件及其功能3、 計算機硬件的主要的技術和性能指標4、 計算機系統(tǒng)的體系結構、組成和實現(xiàn)概述5、 計算機系統(tǒng)的發(fā)展、應用與分類教學要求:1了解計算機系統(tǒng)硬軟件的組成和它們的層次關系；2理解計算機硬件系統(tǒng)的5大功能部件和各自的功能；3理解計算機部件的連接關系和整機運行過程的入門性知識；4了解3個級別的計算機語言；5理解計算機系統(tǒng)的主要性能與技術指標；6理解計算機“體系結構”、“組成”和“實現(xiàn)”各自面對的

6、主要問題；7了解計算機發(fā)展歷程和應用領域；8了解計算機系統(tǒng)分類。知 識 結 構 圖計算機系統(tǒng)硬件軟件主機外部設備外存儲器輸入設備輸出設備中央處理器內存儲器運算器控制器系統(tǒng)軟件應用軟件操作系統(tǒng)語言處理程序服務性程序通用軟件用戶程序一、 計算機系統(tǒng)的基本組成和它的層次結構構成計算機硬件和軟件的6個層次5、高級語言層4、匯編語言層3、操作系統(tǒng)層2、指令系統(tǒng)層1、微體系結構層0、數(shù)字邏輯層軟件部分硬件部分二、 計算機硬件系統(tǒng)的5個功能部件及其功能計算機主機CPU計算機外圍設備接口線路（輸出設備）接口線路（輸入設備）運算器部件存儲器部件控制器部件數(shù)據(jù)總路線地址總路線控制總路線三、 計算機硬件的主要的技術

7、和性能指標1、 計算機字長計算機普遍使用二進制，只有0和1兩個值，相鄰數(shù)位之間采用“逢二進一”的規(guī)則處理，在計算機系統(tǒng)內部，通常選用多少個二進制位來表示一個數(shù)據(jù)或一條指令是一個關鍵技術指標，例如16位、32位或者64位，這個位數(shù)被稱為計算機字長。2、 CPU速度衡量CPU速度，通常有兩種方式。第一種方式使用CPU主頻。第二種方式使用CPU每一秒鐘能執(zhí)行的指令條數(shù)，單位是MIPS。3、 存儲容量計算機中的存儲器通常包括內存儲器和外存儲器兩大類。四、 算機系統(tǒng)的體系結構、組成和實現(xiàn)概述1、 計算機的體系結構通常是指涉及機器語言或者匯編語言的程序設計人員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性，更多說的是計算機的外

8、特性，是硬件子系統(tǒng)的結構概念及其功能特性。2、 計算機組成是在依據(jù)計算機體系結構確定并且分配了硬件子系統(tǒng)的概念結構和功能特性的基礎上，設計計算機各部件的具體組成、它們之間的連接關系、實現(xiàn)機器指令級的各種功能和特性。3、 計算機實現(xiàn)是計算機組成的物理實現(xiàn)。五、 算機系統(tǒng)的發(fā)展、應用與分類計算機發(fā)展：自計算機誕生以來，大約每58年，計算機的運算速度可提高10倍，可靠性可提高10倍，體積可縮小至原來的1/10，成本也降低為原來的1/10。自20世紀70年代以來，計算機的產(chǎn)量以每年25的速度遞增。具體可分為五個發(fā)展階段：第一階段：電子管計算機（19461959）第二階段：晶體管計算機（19591964

9、）第三階段：中小規(guī)模集成電路計算機(19641975)第四階段：大規(guī)模集成電路計算機（19751990）第五階段：新一代計算機（1990現(xiàn)在）計算機的分類按照功能劃分：通用計算機：巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機、單片機專用計算機：有效、經(jīng)濟、快速按照信息的形式和處理方法分：電子模擬計算機電子數(shù)字計算機第六章：數(shù)據(jù)表示和運算方法（10學時）主要內容：1、 二進制碼與不同進制數(shù)之間的轉換2、 定點數(shù)在計算機內的表示與編碼3、 浮點數(shù)在計算機內的表示4、 文字和多媒體信息的表示與編碼5、 數(shù)據(jù)校驗碼6、 二進制數(shù)值數(shù)據(jù)的運算算法教學要求:1掌握數(shù)制及數(shù)制轉換的基本概念，熟練運用各種進制數(shù)間的

10、轉換規(guī)則進行手工轉換運算；2掌握原碼、反碼和補碼的基本概念和定義，并能熟練完成定點數(shù)的原碼、反碼和補碼之間的轉換；3理解常用二-十進制數(shù)編碼的特點，能夠說明各種不同編碼的實用意義；4理解浮點數(shù)在計算機內的表示方法，能夠說明階碼和尾數(shù)的位數(shù)與數(shù)值范圍和數(shù)值精度的關系；5了解浮點數(shù)的規(guī)格化和隱藏位的含義，會判斷浮點數(shù)的溢出；6掌握十進制數(shù)與浮點數(shù)間的轉換運算；7了解文字和多媒體信息的表示的基本概念；8理解檢錯糾錯編碼的用途，能夠區(qū)分幾種常見的校驗碼，能夠說明奇偶校驗碼的實現(xiàn)方法，能夠說明海明碼及循環(huán)碼實現(xiàn)檢錯和糾錯的道理；9掌握運用定點數(shù)的補碼加減法運算規(guī)則進行基本的運算和溢出檢查的方法；10了解

11、定點數(shù)的原碼一位乘、除法的可行算法數(shù)據(jù)表示和運算方法各種數(shù)制間的轉換定點數(shù)的編碼非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼糾錯碼和檢錯碼浮點數(shù)的編碼與規(guī)格化補碼加減法、原碼一位乘除法的運算方法原碼補碼反碼浮點數(shù)的編碼浮點數(shù)的規(guī)格化浮點數(shù)的IEEE754標準西文字符的編碼漢字的編碼多媒體信息的編碼奇偶校驗碼海明碼CRC編碼知 識 結 構 圖一、 進制碼與不同進制數(shù)之間的轉換1、 十進制到二進制數(shù)的轉換十進制與二進制數(shù)的轉換要分為整數(shù)與小數(shù)兩種情況分別轉換。整數(shù)的轉換：采用除2取余，高位至下，直到商為0時結束。小數(shù)的轉換：采用乘2取整，高位至上，位數(shù)達到要求或小數(shù)部分為0時結束。2、 二進制到十進制數(shù)的轉換二進制到十進制數(shù)

12、的轉換通常按公式（2、2）對二進制數(shù)各位的實際值累加求和完成。例：（10110）2=1×24+0×23+1×22+1×21+0×20=223、 八進制到二進制數(shù)的轉換因為23=8，故1個八進制位對應3個二進制位，可以把1個八進制位數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分的每一位分別轉換成3個二進制數(shù)。4、 二進制到八進制數(shù)的轉換因為23=8，故3個二進制位對應1個八進制位，可以從小數(shù)點位置分別向左和向右把每3位二進制數(shù)劃分為一組，并轉換成1位八進制數(shù)。注意：小數(shù)部分分組時若低位不足3位時要用0補足，否則會出錯。5、 十六進制到二進制數(shù)的轉換因為24=16，故1個

13、十六進制位對應4個二進制位，可以把1個十六進制數(shù)的整數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分的每一位分別轉換成4位二進制數(shù)。6、 二進制制到十六進數(shù)的轉換因為24=16，故4個二進制位對應1個十六進制位，可以從小數(shù)點位置分別向左和向右把每4位二進制數(shù)劃分為一組，并轉換成1位十六進制數(shù)。注意：小數(shù)部分分組時若低位不足4位要用0補足，否則會出錯。7、八、十六到十進制數(shù)的轉換按照公式2、2的規(guī)定，用對各位實際值累加求和的方法完成。8、十到八、十六進制數(shù)的轉換可先將十進制數(shù)轉換為二進制，再轉換成對應的八、十六進制數(shù)；也可以將1個十進制數(shù)直接轉換為對應的八進制或十六進制，例如對整數(shù)，采用除8取余、高位在下的原則得到八進制

14、數(shù)；或采用除16取余、高位在下的原則得到十六進制數(shù)。二、 定點數(shù)在計算機內的表示與轉換定點數(shù)定點數(shù)是指小數(shù)點固定在某個位置上的數(shù)據(jù)，一般有小數(shù)和整數(shù)兩種表示形式。定點小數(shù)是把小數(shù)點固定在數(shù)據(jù)數(shù)值部分的左邊，符號位的右邊；整數(shù)是把小數(shù)點固定在數(shù)據(jù)數(shù)值部分的右邊。我們在前面討論的數(shù)據(jù)都是定點數(shù)。原碼、反碼、補碼結束了各種進制的轉換，我們來談談另一個話題：原碼、反碼、補碼。我們已經(jīng)知道計算機中，所有數(shù)據(jù)最終都是使用二進制數(shù)表達。我們也已經(jīng)學會如何將一個10進制數(shù)如何轉換為二進制數(shù)。不過，我們仍然沒有學習一個負數(shù)如何用二進制表達。比如，假設有一 int 類型的數(shù)，值為5，那么，我們知道它在計算機中表示

15、為： 00000000 00000000 00000000 00000101 5轉換成二制是101，不過int類型的數(shù)占用4字節(jié)（32位），所以前面填了一堆0。現(xiàn)在想知道，-5在計算機中如何表示？在計算機中，負數(shù)以其正值的補碼形式表達。什么叫補碼呢？這得從原碼，反碼說起。原碼：一個整數(shù)，按照絕對值大小轉換成的二進制數(shù)，稱為原碼。比如 00000000 00000000 00000000 00000101 是 5的 原碼。反碼：將二進制數(shù)按位取反，所得的新二進制數(shù)稱為原二進制數(shù)的反碼。取反操作指：原為1，得0；原為0，得1。（1變0; 0變1）比如：將00000000 00000000 0000

16、0000 00000101每一位取反，得11111111 11111111 11111111 11111010。稱：11111111 11111111 11111111 11111010 是 00000000 00000000 00000000 00000101 的反碼。反碼是相互的，所以也可稱： 11111111 11111111 11111111 11111010 和 00000000 00000000 00000000 00000101 互為反碼。補碼：反碼加1稱為補碼。也就是說，要得到一個數(shù)的補碼，先得到反碼，然后將反碼加上1，所得數(shù)稱為補碼。比如：00000000 00000000

17、00000000 00000101 的反碼是：11111111 11111111 11111111 11111010。那么，補碼為： 11111111 11111111 11111111 11111010 + 1 = 11111111 11111111 11111111 11111011所以，-5 在計算機中表達為：11111111 11111111 11111111 11111011。轉換為十六進制：0xFFFFFFFB。三、 浮點數(shù)在計算機內的表示 浮點數(shù) 浮點數(shù)是指小數(shù)點位置可浮動的數(shù)據(jù)，通常以下式表示： N=M*RE 其中，N為浮點數(shù)，M(mantissa)為尾數(shù)，E(exponent

18、)為階碼，R(radix)稱為“階的基數(shù)(底)”，而且R為一常數(shù)，一般為2、8或16。在一臺計算機中，所有數(shù)據(jù)的R都是相同的，于是不需要在每個數(shù)據(jù)中表示出來。因此，浮點數(shù)的機內表示一般采用以下形式:Ms是尾數(shù)的符號位，設置在最高位上。 E為階碼，有n+1位，一般為整數(shù)，其中有一位符號位，設置在E的最高位上，用來表示正階或負階。M為尾數(shù)，有m位，由Ms和M組成一個定點小數(shù)。Ms=0，表示正號，Ms1，表示負號。為了保證數(shù)據(jù)精度，尾數(shù)通常用規(guī)格化形式表示：當R2，且尾數(shù)值不為0時，其絕對值應大于或等于(0.5)10 。對非規(guī)格化浮點數(shù)，通過將尾數(shù)左移或右移，并修改階碼值使之滿足規(guī)格化要求。假設浮點

19、數(shù)的尾數(shù)為0.0011，階碼為0100(設定R=2)，規(guī)格化時，將尾數(shù)左移2位，而成為01100，階碼減去(10)2 ，修改成0010，浮點數(shù)的值保持不變。當一個浮點數(shù)的尾數(shù)為0(不論階碼是何值)，或階碼的值比能在機器中表示的最小值還小時，計算機都把該浮點數(shù)看成零值，稱為機器零。 根據(jù)IEEE 754國際標準，常用的浮點數(shù)有兩種袼式： (1) 單精度浮點數(shù)(32位)，階碼8位，尾數(shù)24位(內含1位符號位)。 (2) 雙精度浮點數(shù)(64位)，階碼11位，尾數(shù)53位(內含1位符號位)。在多數(shù)通用機中，浮點數(shù)的尾數(shù)用補碼表示，階碼用補碼或移碼表示。四、 文字和多媒體信息的表示與編碼1、 西文字符的編

20、碼西文是由拉丁字母、數(shù)字、標點符號及一些特殊的符號所組成的，它們統(tǒng)稱為“字符”（character），主要用于外部設備和計算機之間的信息交換。所有字符的集合叫做“字符集”。2、 漢字的編碼漢字輸入碼、漢字內碼、漢字字形碼（輸出碼）3、 多媒體信息的編碼圖的編碼表示：一幅圖在計算機內部有兩個表示方式：“圖像(image)”方式和“圖形(graphics)”方式聲音的編碼表示：計算機處理的聲音可以分為3種：一種是語音，即人的說話聲；第二種是音樂；即各種樂器演奏出的聲音；第三種是效果聲，如掌聲、打雷、爆炸等聲音。在計算機內部可以用波形法和合成法兩種方法表示聲音。所有的聲音都可以用波形法來表示，但更多

21、用于語音和效果聲，對于音樂聲，則用合成法表示更好一些。視頻信息的編碼表示：視頻獲取設備將視頻信號轉換為計算機內部表示的二進制數(shù)字信息的過程被稱為視頻信息的“數(shù)字化”。視頻信息的數(shù)字化過程比聲音更復雜一些，它是以一幅幅彩色畫面為單位進行的。五、 數(shù)據(jù)校驗碼所謂校驗碼，又稱檢錯碼，是指具有發(fā)現(xiàn)某些錯誤或自動改正錯誤能力的一種數(shù)據(jù)編碼方法，用于檢查或糾正讀寫和傳送數(shù)據(jù)的過程中可能出現(xiàn)的錯誤。常見的校驗碼有：奇偶校驗碼，海明校驗碼（漢明碼），循環(huán)冗余校驗碼。六、 二進制數(shù)值數(shù)據(jù)的運算算法1、 補碼加法與減法運算規(guī)則及電路實現(xiàn)運算規(guī)則：加減法運算是計算機中最基本的運算，通常選用補碼實現(xiàn)，實現(xiàn)的算法是：X

22、+Y補=X 補+Y 補（MOD2）X-Y補=X 補+-Y 補（MOD2）2、 原碼一位乘法與除法的運算算法原碼一位乘法是將符號位與數(shù)值位分開進行運算，乘積的符號是兩個數(shù)符號的異或值，數(shù)值是兩個數(shù)絕對值（原碼表示的數(shù)值位）的乘積。將部分積的一次總加改為分步累加；將部分積左移改為部分積右移；使部分積連同乘數(shù)一起右移，以便保存雙倍位數(shù)的乘積。原碼一位乘法的算法是：用乘數(shù)寄存器的最低位選擇求部分積的數(shù)據(jù)來源：被乘數(shù)或0值；相加求得部分積并使其右移一位，乘數(shù)也同時右移一位，此時高位部分積的最低位移入乘數(shù)寄存器的高位。用一個特定的寄存器控制相乘次數(shù)（決定于數(shù)據(jù)位的位數(shù)）。用乘數(shù)與被乘數(shù)符號位的異或值作為乘

23、積的符號。原碼一位除法和原碼乘法一樣，符號位是單獨處理的。實現(xiàn)除法操作時，應避免除數(shù)為0，否則屬非法操作。在計算機中，原碼一位除法是采用加減交替法實現(xiàn)的。第三章節(jié)：計算機的運算器部件（8學時）主要內容：1、 算術邏輯運算部件的功能設計與線路實現(xiàn)2、 計算機的定點運算器3、 浮點運算和浮點運算器教學要求：1掌握定點運算器中ALU的功能；2了解定點運算器中ALU的線路和實現(xiàn)原理；3掌握定點運算器的功能與組成，了解運算器在整機系統(tǒng)中的地位；4理解MIPS計算機的運算器實例的組成特點；5了解定點運算器Am2901芯片的內部結構框圖，以及用該芯片構建運算器部件的方法；6理解浮點數(shù)的表示方式，會運用浮點數(shù)

24、的運算規(guī)則作簡單計算；7了解浮點運算器的功能與組成；8了解CPU芯片內的運算器部件的一般組成。知 識 結 構 圖計算機的運算器部件件運算器的功能與組成浮點運算與浮點運算器部件定點運算器部件ALU的線路實現(xiàn)運算器的組成運算器的功能運算器的控制與使用浮點數(shù)的運算規(guī)則浮點運算器的功能與組成浮點運算器實例定點運算器的功能與組成定點運算器實例定點運算器的設計與實現(xiàn)一、 計算機的定點運算器1、 定點運算器部件的功能、組成與控制運算器部件是計算機五大功能部件中的數(shù)據(jù)加工部件。定點運算器主要完成對整數(shù)類型數(shù)據(jù)的算術運算、邏輯型數(shù)據(jù)的邏輯運算功能。運算器位數(shù)取決于機器字長，通常是16位，32位或者64位，它將關

25、系到處理數(shù)據(jù)的能力；運算器的組成直接關系到計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和運行性能。二、 浮點運算和浮點運算器1、 浮點數(shù)的運算規(guī)則浮點數(shù)通常有兩種表示方式，一種表示方式用于運算過程，出現(xiàn)在浮點運算器內部，另外一種表示表示用于浮點九的存儲過程。第四章節(jié)：指令系統(tǒng)和匯編語言程序設計（9學時）教學內容：1指令、計算機指令系統(tǒng)概述；2指令格式與尋址方式；3指令系統(tǒng)舉例，Pentium、MIPS32和教學示例計算機的指令系統(tǒng)；4匯編語言程序設計簡介。教學要求：1理解指令的功能、構成格式、操作碼和操作數(shù)地址兩個字段的內容和組織方式；2了解指令分類的方案和分類結果；3了解指令周期對計算機性能和硬件結構的影響；4

26、理解并記憶指令中的形式地址和物理地址的概念；5理解并敘述幾種常用的尋址方式的用法及其編碼表示；6了解幾種常用指令系統(tǒng)的組成概貌；7理解3個級別的計算機語言之間的關鍵區(qū)別和各自的應用場合；8了解程序中常用到的幾種流程結構及其相應的指令或語句；9初步學會設計簡單的匯編語言程序及其調試方法。知 識 結 構 圖指令系統(tǒng)和匯編語言程序設計指令指令系統(tǒng)匯編語言程序設計指令的定義、功能和格式操作碼字段操作數(shù)地址字段基本尋址方式指令執(zhí)行步驟指令系統(tǒng)標準指令系統(tǒng)分類指令系統(tǒng)舉例指令和匯編語句程序流程控制匯編程序設計舉例指令、計算機指令系統(tǒng)概述一、 指令的定義與指令格式1、 指令的定義用于組成計算機程序、指示計算

27、機硬件執(zhí)行某項運算或操作功能的命令叫做指令，在計算機內部它用于一定的二進位串來表示的。2、 指令格式通常情況下，一條指令要由如下兩部分內容組成：第一部分是指令操作碼，第二部分是指令的操作數(shù)地址。二、 操作碼的組織與編碼1、 定長的操作碼的組織方案在當多數(shù)的計算機中，一般都在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定長）用于表示操作碼，例如8位，它有256個編碼狀態(tài)，故最多可以表示256條指令。2、 變長的操作碼的組織方案當計算機的字長與指令長度為16位或8位時，單獨為操作碼劃分出固定的多位后，留給表示操作數(shù)地址的位數(shù)就會嚴重不足。為此不得不對一個指令字的每一個二進制位的使用精打細算，使一些位（bi

28、t）在不同的指令中有不同的作用。三、 有關操作數(shù)的類型、個數(shù)、來源、去向和地址安排1、 用操作數(shù)個數(shù)區(qū)分指令從用到的操作數(shù)個數(shù)區(qū)分，可能有如下4種情況：無操作數(shù)指令單制作數(shù)指令雙制作數(shù)指令多制作數(shù)指令2、 操作數(shù)的來源、去向及其指令字中的地址安排操作數(shù)的第1個來源、去向，可以是CPU內部的通用寄存器；操作數(shù)的第2個來源、去向，可以是外圍設備（接口）中的一個寄存器；操作數(shù)的第3個來源、去向，可以是內存儲器中的一個存儲單元；在指令字中直接給出一個操作數(shù)，被稱為立即數(shù)。指令中使用的基本數(shù)據(jù)類型，通常包括邏輯類型，整數(shù)類型和浮點數(shù)類型。尋址方式概述計算機中常用的基本尋址方式有如下多種：1、 立即數(shù)尋址

29、：操作數(shù)直接給出在指令字中，即指令字中直接給出的不再是操作數(shù)地址，而是操作數(shù)本身。2、 直接尋址：直接尋址是在指令中直接給出操作數(shù)存儲器中的地址，這是計算機中常用的尋址方式之一。3、 寄存器尋址、寄存器間接尋址：寄存器尋址，是在指令字中給出通用寄存器的編號（名字、地址），用于訪問運算器部件的寄存器組中的寄存器。4、 變址尋址：變址尋址，是把在指令字中給出的一個數(shù)值（稱為變址偏移量）與一個被稱為變址寄存器的內容相加之和作為操作的地址，用于讀寫存儲器。5、 相對尋址：是指把在指令字中給出的一個數(shù)值與程序計數(shù)器PC的內容相加之和作為操作數(shù)的地址或轉移指令的轉移地址。6、 基地址尋址：是指把在程序中所

30、用的地址與一個特定的廳存器的內容相加之和作為操作數(shù)的地址或指令的地址。7、 間接尋址：在指令字中給出的不是一個操作數(shù)的地址，而是一個操作數(shù)地址的地址，或一條指令地址的地址。8、 堆棧尋址：堆棧是存儲器中一塊特定的按“后進先出”原則管理的存儲區(qū)，該存儲區(qū)中被讀寫單元的地址是用一個特定的寄存器給出的，該寄存器被稱為堆棧指針。指令系統(tǒng)舉例計算機的指令系統(tǒng)有RISCT 和CISC兩種類型。RISC是精簡指令系統(tǒng)計算機的英語縮寫，它執(zhí)行同樣處理功能的程序所占用的時間要比CISC計算機更短。RISC機器的運行性能可能要比CISC機器高2-5倍。Pentium機的指令系統(tǒng)屬于CISC結構；MIPS機的指令系

31、統(tǒng)屬于RISC結構。第五章節(jié)：控制器部件（9學時）教學內容：1控制器的功能與組成概述；2硬連線控制器的組成與運行原理；3微程序控制器組成與運行原理；4指令流水線的概念和實現(xiàn)技術。教學要求：1理解并記憶計算機控制器的功能與基本組成，體會控制器在計算機整機中的地位；2理解并記憶硬連線控制器部件的實際組成及其各子部件的功能；3了解MIPS32計算機系統(tǒng)及其控制器部件的運行原理；4了解控制器部件的設計過程和基礎技術；5理解并記憶微程序控制器的一般組成和基本運行原理；6理解并敘述微指令中的下地地址字段、微命令字段的內容及其控制功能；7了解微程序控制器與硬連線控制器在組成與性能方面的異同之處；8理解并記憶

32、指令流水線的概念，關鍵技術指標；9了解指令流水線的實現(xiàn)思路，3類相關問題及其解決方案；10了解指令級并行技術的概念。知 識 結 構 圖控制器部件控制器部件的功能與組成兩種類型的控制器三種不同的指令周期PCIR步驟標記控制信號部件CPU系統(tǒng)的性能指標單指令周期CPU多指令周期CPU指令流水線硬連線控制器微程序控制器在學習控制器的過程中，可以用如下幾句話來把握整個的學習綱要：控制器的組成 控制器的運行原理控制器，管控制， 取指、分析、再執(zhí)行，PC、IR和時序， 判別中斷并響應，組合邏輯給信號， 指令步驟看節(jié)拍，控存存放微程序。 下址續(xù)讀微指令。一、控制器的功能與組成概述控制器的作用是向整機系統(tǒng)的每

33、個部件（包括控制器部件本身）提供它們協(xié)同運行所需要的控制信號。執(zhí)行一條指令，通常總是要經(jīng)過讀取指令，分析指令和執(zhí)行指令所規(guī)定的處理功能3個階段才能完成，這是在控制器的控制下實現(xiàn)的，控制器還要保證計算機能按程序中設定的指令運行次序，自動地連續(xù)執(zhí)行指令序列。組成控制器的4個子部件：執(zhí)行一條指令，要經(jīng)過讀取指令、分析指令、執(zhí)行指令所規(guī)定的處理功能三個階段完成，控制器還要保證能按程序中設定的指令運行次序，自動地連續(xù)執(zhí)行指令序列。為此，控制器組成中，必須有一個能提供指令在內存中的地址的部件，通稱程序計數(shù)器(PC)，服務于讀取指令，并接收下條要執(zhí)行的指令的地址。還要有一個能保存讀來的指令內容的部件，通稱指

34、令寄存器(IR)，以提供本指令執(zhí)行的整個過程中要用到的指令本身的主要信息。控制器的第三個組成成分，是脈沖源、啟?？刂七壿嫞噶顖?zhí)行的步驟標記線路，它標記出每條指令的各執(zhí)行步驟的相對次序關系。控制器的第四個，也是控制器設計中最費力的一個組成成分，是全部時序控制信號的產(chǎn)生部件，它依據(jù)指令內容、指令的執(zhí)行步驟(時刻)，也許還有些別的什么條件信號，來形成并提供出當前各部件時刻要用到的控制信號。計算機整機各硬件系統(tǒng)，正是在這些信號控制下協(xié)同運行，產(chǎn)生予期的執(zhí)行結果，也就是執(zhí)行一條又一條的指令。依據(jù)前述控制器的最后兩個組成成分的具體組成與運行原理的不同，通常把控制器區(qū)分為微程序的控制器和組合邏輯(硬布線)

35、的控制器兩大類。二、 硬連線控制器部件硬連線控制器又稱為組合邏輯控制器，與微程序控制器共同構成計算機通用的兩大類控制器。1、 硬連線控制器的組成和運行原理簡介采用邏輯電路直接提供全部控制信號輸入操作碼指令狀態(tài)字指令步驟編碼（節(jié)拍）外部信號（Reset等）輸出全部控制信號主要解決的問題節(jié)拍轉換控制信號生成（1） 組合邏輯控制器用節(jié)拍發(fā)生器（Timing，幾個觸發(fā)器構成的時序邏輯電路）不同的狀態(tài)組合來區(qū)分一條指令不同的執(zhí)行步驟，指令執(zhí)行步驟的接續(xù)是通過變換節(jié)拍發(fā)生器的狀態(tài)組合完成的，不同于微程序控制器中通過下地址部件給出不同的微指令地址來實現(xiàn)。這里用節(jié)拍發(fā)生器取代了原來的下地址部件。（2） 組合邏

36、輯控制器是通過由 “與或” 兩級邏輯關系構成的時序控制信號產(chǎn)生部件來直接給出全部的時序控制信號。送到第一級各“與門”的輸入信號是指令操作碼和節(jié)拍發(fā)生器的節(jié)拍狀態(tài)(可能還有控制條件)，每個與門產(chǎn)生一個與項輸出，相關的與項輸出信號送到第二級的 “或門” ，每個或門輸出的就是一個時序控制信號。全部的時序控制信號由許多個 “與或”邏輯門給出。與用控制存儲器存放全部控制信號的微程序控制方案不同，這里用時序控制信號產(chǎn)生部件取代了原來的控制存儲器，還取消了那里的微指令寄存器線路，把控制信號直接送到被控制的部件。組合邏輯控制器特點直接用邏輯電路實現(xiàn)，用節(jié)拍標記指令步驟，性能良好可擴展性差，兼容性不好適合實現(xiàn)比

37、較精簡的指令系統(tǒng)較容易實現(xiàn)并行常用于實現(xiàn)RISC三、 微程序控制器部件1、 微程序控制器的基本組成和運行原理每條指令一個執(zhí)行步驟用到的全體控制信號組成一微指令每條指令可以包括一到多個微操作用多條微指令解釋每條指令的整個執(zhí)行過程全部微指令的集合叫做微程序執(zhí)行一條微指令所用的時間被稱為一個微周期。微指令的格式和內容： 下地址字段 控制命令字段2、微程序設計中的下地址形成邏輯和微程序設計順序執(zhí)行下一條微指令無條件轉移到某條微指令根據(jù)微指令的某一狀態(tài)結果，選擇順序執(zhí)行或轉向某一地址微子程序調用，要使用到微堆棧多路轉移根據(jù)指令操作碼，轉移到指令的入口地址四、 指令流水線的概念和實現(xiàn)技術1、 流水線的基本

38、概念和主要性能指標計算機中的流水線是把一個重復的過程分解為若干個子過程，每個子過程與其他子過程并地運行。由于這種工作方式與工廠中的生產(chǎn)流水線十分相似，因此稱為流水線技術。衡量流水線性能的主要指標有吞吐率、加速比和效率。另外，在流水線設計中，選擇流水線的最佳數(shù)段也是一個重要問題。組合邏輯與微程序控制器比較相同點完成相同的功能控制信號基本相同不同點控制信號生成部件的組成和實現(xiàn)方式不同步驟標記實現(xiàn)方式不同性能不同第六章節(jié)：存儲器系統(tǒng)（12學時）教學內容：1多級結構的存儲器系統(tǒng)綜述；2半導體存儲器芯片的內部結構和記憶信息的原理；3主存儲器的技術指標、基本組成及運行原理；4輔助存儲器的種類及指標要求，硬

39、盤存儲器和磁盤陣列的組成和工作原理；5光盤機的組成與運行原理簡介；6Cache存儲器的功能、運行原理及基本結構，Cache的地址映像方式；7虛擬存儲器的概念與實現(xiàn)；8Pentium計算機中的存儲器系統(tǒng)。教學要求：1了解存儲器的分類及各類存儲器的特點；2理解并記憶存儲器系統(tǒng)的分層結構及原則；3了解半導體存儲器芯片的內部結構和實現(xiàn)記憶的原理；4掌握主存儲器的組成、技術指標和運行原理；5理解并記憶硬盤存儲器的基本組成和讀寫過程；6了解磁盤陣列技術的相關概念；7了解光盤存儲器的組成和運行原理；8掌握并描述Cache的功能及工作原理；9理解Cache的3種地址映像方式；10了解Cache的基本結構；11

40、了解虛擬存儲器的基本概念與實現(xiàn)方法。知 識 結 構 圖存儲器系統(tǒng)存儲器概述主存儲器輔助存儲器高速緩沖存儲器虛擬存儲器虛擬存儲器的功能實現(xiàn)與管理方式存儲器的分類存儲器的層次結構主存儲器的組成主存儲器的功能主存儲器的技術指標Cache的功能和結構地址映像方式替換算法磁盤存儲器光盤存儲器一、 存儲器概述存儲器主存儲器輔助存儲器緩沖存儲器隨機存儲器RGM只讀存儲器ROM磁盤磁帶光盤靜態(tài)動態(tài)1、 存儲器的分類2、 存儲系統(tǒng)的層次結構CPU高速緩存：cache主存：RAM外存：硬盤、軟盤、光盤存取速度存儲容量價 格快 小 高慢 大 低二、 半導休存儲器按存取方式分：1、 隨機存取存儲器（RAM）：優(yōu)點：讀

41、寫方便，使用靈活；缺點：易失性，一時停電，存儲的內容便全部丟失。2、 只讀存儲器（ROM）：優(yōu)缺點：結構簡單，位密度比RAM存儲器高；具有非易失性，可靠性更高，只能讀出，不能寫入。按存儲原理分：1、 靜態(tài)存儲器（SRAM）：優(yōu)缺點：晶體管多、們容量少，功耗比較大；而其主要優(yōu)點是不需要進行刷新，因此簡化了外部電路。2、 動態(tài)存儲器（DRAM）：用較少的晶體管構成一個存儲單元，提高芯片單位面積上的容量，同時也降低了每位價格和功耗。按信息傳送方式分：1、 并行存儲器2、 串行存儲器三、 主存儲器1、 主存儲器的基本組成主存儲器由存儲體、地址譯碼器和讀寫電路及控制電路組成。2、 主存儲器的基本操作主存

42、儲器的基本操作是讀操作和寫操作。3、 存儲容量的擴展擴展方法根據(jù)需要有位擴展、字擴展和字位同時擴展。4、 提高存儲器系統(tǒng)性能的途徑：相聯(lián)訪問，并行訪問四、 輔助存儲器1、 輔助存儲器的種類及技術指標種類有：硬磁盤、軟磁盤、磁帶和光盤主要技術指標：存儲密度、存儲容量和尋址時間2、 硬盤存儲器硬盤由硬盤驅動器（HDD）和硬盤控制器（HDC）組成3、 磁盤陳列技術是指把多塊獨立的硬盤（物理硬盤）按某種方式組織起來形成一個硬盤組（邏輯硬盤），從而提供比單個硬盤更高的存儲性能和提供數(shù)據(jù)備份的技術。4、 光存儲系統(tǒng)的組成與運行原理光盤存儲系統(tǒng)由光盤片、光盤驅動器、控制器和光盤驅動軟件組成。光驅在訪問時有恒

43、定線速度和恒定角速度兩種方式。當單位距離的光道上所存儲的信息容量相等時，即內、外光道的數(shù)據(jù)記錄密度相同，則采用恒定線速度，這樣可以充分利用盤片的空間。五、 速緩沖存儲器1、 cache的結構與運行原理cache的功能：它的作用在于緩解主存速度慢、跟不上CPU讀寫速度要求的矛盾。cache的結構與工作原理程序的局部性原理cache可能很好的發(fā)揮作用是基于程序訪問的局部性原理。cache的替換算法隨機算法，先進先出算法，近期最少使用算法2、 cache的3種地址映像方式全相聯(lián)映像、直接映像和組相聯(lián)映像六、 虛擬存儲器1、 虛擬存儲器的功能與特點2、 頁式虛擬存儲器3、 段式虛擬存儲器4、 段頁式虛

44、擬存儲器第七章節(jié)：計算機輸入/輸出系統(tǒng)（12學時）教學內容：1輸入/輸出設備綜述；2常用設備的功能和基本工作原理簡介；3輸入/輸出接口綜述、端口的編址方式、幾種標準接口的特點；4常用輸入/輸出方式的控制原理；5中斷的基本類型、優(yōu)先級別、完整的中斷過程；6DMA的基本概念及傳送過程；7總線的功能、組成，總線仲裁和數(shù)據(jù)傳送控制；8總線標準簡介9Pentium計算機中的總線系統(tǒng)簡介。教學要求：1.了解幾種常用輸入/輸出設備的功能和基本工作原理，區(qū)分它們的不同種類；2理解接口的含義、信息交換的過程、具有的功能和類型；3了解接口電路的兩種端口編址方式的特點；4理解并區(qū)別幾種標準接口的不同特點；5理解并區(qū)

45、別幾種輸入/輸出方式的不同特點；6理解與中斷和DMA相關的一些重要的基本概念；7理解并能解釋中斷全過程中涉及到的一些重要名詞和結論；8掌握DMA控制器的功能、組成、數(shù)據(jù)傳送方法和過程；9理解與總線相關的一些重要的基本概念；10掌握總線仲裁和數(shù)據(jù)傳送控制等基本的工作原理；11了解幾種常用的總線標準和Pentium計算機的總線系統(tǒng)。知 識 結 構 圖輸入/輸出設備與系統(tǒng)輸入/輸出設備輸入/輸出接口常用輸入/輸出方式總線技術輸入/輸出設備分類工作特點幾種常用的輸入/輸出設備簡介程序查詢方式程序中斷方式DMA方式通道控制方式外圍處理機方式接口的基本組成接口的功能和類型端口的編址與尋址幾種標準外部接口簡

46、介總線的幾個重要概念總線仲裁和數(shù)據(jù)傳送控制系統(tǒng)總線標準舉例pentium計算機的總線系統(tǒng)一、 輸入/輸出設備1、輸入/輸出設備的分類及工作特點依據(jù)信息流向的不同，輸入/輸出設備可以分成輸入設備、輸出設備和輸入輸出設備等3大類。按與計算機交換信息的對象不同，輸入/輸出設備還可以分成人機交互設備、數(shù)據(jù)存儲設備、計算機與計算機交互設備。特點：異步性、實時性、多樣性。3、 幾種常用的輸入/輸出設備簡介鍵盤：是應用最普遍的輸入設備，由一組排列成矩陣形式的按鍵開關和相應的鍵盤控制器組成。從按鍵的數(shù)量上看，有83鍵至109鍵等多種；從按鍵的開關的結構看，可分為接觸式和非接觸式兩種。從鍵盤提供給主機的電信號類

47、型看，鍵盤又可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。鼠標器：按鼠標的結構不同主要有機械式鼠標和光電鼠標。掃描儀：是把實物形式的圖像信息通過掃描的方式轉換成電信號，并輸入到計算機中的專門設備，是一種功能極強的輸入設備。掃描儀是利用自然界反射光的原理來完成對被掃描圖片或文字稿件的讀取的，其內部主要由光學成像部分、光電轉換部分和機械傳動部分組成。目前主要有光電耦合器件（CCD），接觸式圖像傳感器（LIDE）和光電倍增管（PMT）為光電轉換元件的3種掃描方式。顯示器：是以可見光形式、用屏幕顯示信息的計算機輸出設備。按顯示器主要部件的不同，可分為陰極射線管顯示器（CRT），液晶顯示器（LCD），等離子顯示器（P

48、DP）和場致發(fā)光顯示器。打印機：是計算機系統(tǒng)的很常用的輸出設備，從印字原理的不同來區(qū)分，有針式打印機、噴墨打印機、熱敏打印機和激光打印機很多種類，這些打印機按打印的實現(xiàn)方法又可分為擊打式和非擊打式兩大類。二、 輸入/輸出接口1、 接口的基本組成、功能和類型按通用性分類：有通用按口、專用接口。按外設與接口間的數(shù)據(jù)傳送方式：有串行接口、并行接口。按主機訪問外設的控制方式：程序查詢式接口、程序中斷接口、DMA接口。按功能的靈活性：編程接口、不可編程接口。按輸入/輸出的信號類型不同：數(shù)字接口、模擬接口。2、 端口的編址與尋址常用的編址方式主要有兩種，一種是I/O端口與主存儲器統(tǒng)一的編址方式，另一種是I

49、/O端口與主存儲器彼此獨立的編址方式。3、 幾種標準外部接口串行接口：串行接口又稱之為通信口或COM端口，主要用于需要與系統(tǒng)進行雙向通信的設備。并行接口：USB：三、輸入/輸出方式1、 程序查詢方式：是一種用于控制主機與外設間進行數(shù)據(jù)傳送的最簡單方式，它直接通過程序來控制主機和外部設備之間的數(shù)據(jù)傳送，又稱程序直接控制方式。2、 程序中斷方式中斷的基本概念中斷的幾種基本的類型：內中斷和外中斷、硬件中斷和軟件中斷、可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。中斷的優(yōu)先級別問題：中斷過程：一次完整的中斷過程由中斷請求、中斷響應、中斷處理和中斷返回四個階段組成。3、 直接存儲器訪問（DMA）方式DMA方式的基本概念：DMA傳送過程：一次DMA傳送過程由傳送前的預處理、數(shù)據(jù)傳送和傳送結束處理（后處理）3個階段組成。傳送前的預處理是由CPU完成的。數(shù)據(jù)傳送是在DMA控制器控制下自動完成的。傳送結束處理是由數(shù)據(jù)數(shù)量計數(shù)器的值為0引發(fā)出來的。4、 I/O通道控制方式和I/O處理機方式四、總線技術1、 總線概述總線的分類：按信息的類型分類：根據(jù)總線上傳送的信息的類型不同：數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線3種。按總線的層次分類：根據(jù)總線從里向外的層次：CPU內部總線、部件內總線、系統(tǒng)總線和外總線。按總線的結構分類：根據(jù)總線的結構