《計算機組成原理》教案

1、計算機組成原理教案計算機組成原理教案授課學時:72學時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。課程的目的與任務: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)、使用與維護方面的能力,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)的性質與特征。具有挑戰(zhàn)性:計算機系統(tǒng)的多樣

2、性:價格、體積、性能與應用等。計算機技術的飛速發(fā)展:低層的集成電路計算機與并行組織技術。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與整機系統(tǒng)組成,以及計算機部件連接關系與運行機理,了解計算機系統(tǒng)結構的入門性知識,掌握使用與簡單維護計算機系統(tǒng)的基本技能。教學方法與教學形式建議:本課程采用遠程教學與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瞧電視錄像課、網上的流媒體(IP)課件、網上教學輔導、實時與非實時答疑等多種教學形式;面授輔導應考慮學生的在職與成人特

3、點與需求,在業(yè)余時間進行有針對性的學習指導。平時作業(yè)既就是學生自我檢驗學習水平的一種形式,也就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與反饋,必要時應要求學生重做。小組討論課就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,小組討論課也就是一種形成性考核形式,教師應注意把握“引領”、“提問”與“點評”等多個教學指導環(huán)節(jié),并依據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。要求學生能夠熟練運用這部分知識對相關問題

4、做基本的分析、計算與處理,具有基本的應用能力與舉一反三的能力。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、判斷與說明,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、程序語句與簡單邏輯電路圖的能力。3.了解：屬于課程中與上述“掌握”與“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、說明與舉例的能力。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)據表示與運算方法10三、運算器部件8四、指令系統(tǒng)與匯編程序設計9五、控制器部件9六、存儲器系統(tǒng)12七、

5、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)的基本組成與它的層次結構2、 計算機硬件系統(tǒng)的5個功能部件及其功能計算機硬件的主要的技計算機組成原理教案術與性能指標計算機系統(tǒng)的體系結構、組成與實現(xiàn)概述計算機系統(tǒng)的發(fā)展、應用與分類教學要求：1 .了解計算機系統(tǒng)硬軟件的組成與它們的層次關系；2 .理解計算機硬件系統(tǒng)的5大功能部件與各自的功能；3 .理解計算機部件的連接關系與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”與“實現(xiàn)”各自面

6、對的主要問題7 .了解計算機發(fā)展歷程與應用領域；8 .了解計算機系統(tǒng)分類。知識結構圖計算機系統(tǒng)的基本組成與它的卜次引稗處理器*內成的算機1件與翎|的6個層次內存儲器運算器控制器5、局級語言界存儲與計算機硬件系4嗎卜稱怎於向匹而備篇-軟住音MLJ-4、工編心凡彳輸 CPU 計箕機王機計算機硬件椅主要的技未|與性觥鐮操作系統(tǒng)1、運部g機字k系標件部件 十一部件語言處鯉槿序部件 ；計心甯郵用j如7仰孝擰型萍瑞拜T兩七±間采用"逢二進一”的規(guī)則處理，庵個數(shù)據或師席熟訕篇祥音標 ，* 3=51用槌隗航總一個關鍵術164位，這個位0、數(shù)字邏 凝我祜為計酬幾皆&二輯層E數(shù)據總路線

7、逃多少個二進制位來表J地址總路線，例如16廝帶能版或者接口線路（輸入設備）接口線路（輸出設備）8VeI計端2、CPUS 度衡量CPU®度，通常有兩種方式。第一種方式使用CPUfe頻。第二種方式使用CP唬一秒鐘能執(zhí)彳f的指令條數(shù)，單位就是MIPS3、 存儲容量計算機中的存儲器通常包括內存儲器與外存儲器兩大類。4、 算機系統(tǒng)的體系結構、組成與實現(xiàn)概述計算機的體系結構通常就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,更多說的就是計算機的外特性,就是硬件子系統(tǒng)的結構概念及其功能特性。2、 計算機組成就是在依據計算機體系結構確定并且分配了硬件子系統(tǒng)的概念結構與功能特性的

8、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與特性。3、 計算機實現(xiàn)就是計算機組成的物理實現(xiàn)。5、 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)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

9、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、經濟、快速按照信息的形式與處理方法分:電子模擬計算機電子數(shù)字計算機第六章:數(shù)據表示與運算方法(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、 文字與多媒體信息的表示與編碼5、 數(shù)據校驗碼6、 二進制數(shù)值數(shù)據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)間的轉換規(guī)則進行手工轉換運算;2 .掌握原碼、反碼與補碼的基本概念與定義，并能熟練完成定點數(shù)的原碼、反碼與補碼之間的轉換；

10、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，能夠說明階碼與尾數(shù)的位數(shù)與數(shù)值范圍與數(shù)彳1精度的關系；5 .了解浮點數(shù)的規(guī)格化與隱藏位的含義，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 .了解文字與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白實現(xiàn)方法，能夠說明海明碼及循環(huán)碼實現(xiàn)檢錯與糾錯的道理；9 .掌握運用定點數(shù)的補碼加減法運算規(guī)則進行基本的運算與溢出檢查的方法；10.了解定點數(shù)的原碼一位乘、除法的可行算法全口二口4士珈團計算機組成原理教案2、 二進制到

11、十進制數(shù)的轉換二進制到十進制數(shù)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與完成。例:(10110)2=1x24+0X23+1X22+1x21+0X20=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)部分與小數(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)點位置分別向左與向右把每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個十六進制位對應4個二

12、進制位,可以把1個十六進制數(shù)的整數(shù)的整數(shù)部分與小數(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)點位置分別向左與向右把每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與的方法完成。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數(shù);或采用除16取余

13、、高位在下的原則得到十六進制數(shù)。定點數(shù)在計算機內的表示與轉換定點數(shù)定點數(shù)就是指小數(shù)點固定在某個位置上的數(shù)據,一般有小數(shù)與整數(shù)兩種表示形式。定點小數(shù)就是把小數(shù)點固定在數(shù)據數(shù)值部分的左邊,符號位的右邊;整數(shù)就是把小數(shù)點固定在數(shù)據數(shù)值部分的右邊。我們在前面討論的數(shù)據都就是定點數(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。我們已經知道計算機中,所有數(shù)據最終都就是使用二進制數(shù)表達。我們也已經學會如何將一個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為:00000000

14、005轉換成二制就是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?，F(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0000000000就是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0000000000每一位取反,得11111111111111111111111111111010。稱:111111111111111111111111111110就是100

15、000000000的反碼。反碼就是相互的,所以也可稱:111111111111111111111111111110與100000000000互為反碼。補碼:反碼加1稱為補碼。也就就是說,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:0000000000的反碼就是:111111111111111111111111111110。1011111111 11111111那么,補碼為:11111111111111111111111111111010+11111111111111011所以,-5在計算機中表達為:111111111111111111111111111110。轉11

16、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)就是指小數(shù)點位置可浮動的數(shù)據,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)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)據的R都就是相同的，于就是不需要在每個數(shù)據中表不出來。因此，浮點數(shù)的機內表示一般采用以下形式：MsEM1位打+1位相位Ms就是尾數(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與M組成一個定點小數(shù)。M

17、s=0,表示正號，Ms=1,表示負號。為了保證數(shù)據精度，尾數(shù)通常用規(guī)格化形式表示：當R=2,且尾數(shù)彳1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0.1100,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（不論階碼就是何值）,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)瞧成零值，稱為機器零。根據IEEE754國際標準，常用的浮點數(shù)有兩種格式：（1）單精度浮點數(shù)（32位），階碼8位

18、,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。文字與多媒體信息的表本與編碼1、 西文字符的編碼西文就是由拉丁字母、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)主要用于外部設備與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)”方式與“圖形(graphics)”方式聲音的編碼表示:計算機處理的

19、聲音可以分為3種:一種就是語音,即人的說話聲;第二種就是音樂;即各種樂器演奏出的聲音;第三種就是效果聲,如掌聲、打雷、爆炸等聲音。在計算機內部可以用波形法與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,但更多用于語音與效果聲,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,它就是以一幅幅彩色畫面為單位進行的。5、 數(shù)據校驗碼所謂校驗碼,又稱檢錯碼,就是指具有發(fā)現(xiàn)某些錯誤或自動改正錯誤能力的一種數(shù)據編碼方法,用于檢查或糾正讀寫與傳送數(shù)據的過程中可能出

20、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。6、 二進制數(shù)值數(shù)據的運算算法1、 補碼加法與減法運算規(guī)則及電路實現(xiàn)運算規(guī)則:加減法運算就是計算機中最基本的運算,通常選用補碼實現(xiàn),實現(xiàn)的算法就是:X+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就是將符號位與數(shù)值位分開進行運算,乘積的符號就是兩個數(shù)符號的異或值,數(shù)值就是兩個數(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就是:用乘數(shù)寄存器的

21、最低位選擇求部分積的數(shù)據來源: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)據位的位數(shù)）。用乘數(shù)與被乘數(shù)符號位的異或值作為乘積的符號。原碼一位除法與原碼乘法一樣,符號位就是單獨處理的。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，原碼一位除法就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、 浮點運算與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

22、線路與實現(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)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CPUS片內的運算器部件的一般組成。知識結構圖ALU的線路實現(xiàn) 運算器的絹成 運算器的功能浮點數(shù)的運算熱則浮點運算器的功能與絹成浮點運算器實例運算器的控制與使用主要完成對整數(shù)類型數(shù)據的算術運算、邏輯型數(shù)據的邏輯運算功能。運算器位數(shù)取決于機器字長,通常就是16位,32位或者64位,

23、它將關系到處理數(shù)據的能力;運算器的組成直接關系到計算機系統(tǒng)的數(shù)據處理能力與運行性能。二、浮點運算與浮點運算器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)與匯編語言程序設計（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,PentiumH、MIPS32與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、操作碼與操作數(shù)地址兩個字段的內容與組織方式;2. 了解指令分類的方案與分類結果;3. 了解指令周期

24、對計算機性能與硬件結構的影響;4. 理解并記憶指令中的形式地址與物理地址的概念;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)別與各自的應用場合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：第一部分就是指令操作碼，第二部分就是指令的操作數(shù)地址。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

25、，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(bit)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、去向與地址安排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，可以就是CPLW部的通用寄存器；操作數(shù)的第2個來源、去向,可以就是外圍

26、設備(接口)中的一個寄存器;操作數(shù)的第3個來源、去向,可以就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)據類型,通常包括邏輯類型,整數(shù)類型與浮點數(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: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就是操作數(shù)地址,而就是操作數(shù)本身。2、 直接尋址:直接尋址就是在指令中直接給出操作數(shù)存儲器中的地址,這就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,就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

27、址:變址尋址,就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與作為操作的地址,用于讀寫存儲器。5、 相對尋址：就是指把在指令字中給出的一個數(shù)值與程序計數(shù)器PC的內容相加之與作為操作數(shù)的地址或轉移指令的轉移地址。6、 基地址尋址:就是指把在程序中所用的地址與一個特定的廳存器的內容相加之與作為操作數(shù)的地址或指令的地址。7、 間接尋址:在指令字中給出的不就是一個操作數(shù)的地址,而就是一個操作數(shù)地址的地址,或一條指令地址的地址。8、 堆棧尋址:堆棧就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就是用一個特定的寄存器給出的,該寄存器被稱

28、為堆棧指針。指令系統(tǒng)舉例計算機的指令系統(tǒng)有RISCT與CISC兩種類型。RISC就是精簡指令系統(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。計算機組成原理教案PentiumII機的指令系統(tǒng)屬于CISC結構;MIPS機的指令系統(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. 指令流水線的概念與實現(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.

29、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與基礎技術;5. 理解并記憶微程序控制器的一般組成與基本運行原理;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。知識結構圖三種不同的指令周期控制器部件的功能與組成i-r以用如下幾句話去把握整控制器的組成控制物制器的運行原理的PU

30、司綱要能指標 單指令何期CPU-多指令周期CPU指令流水線控制器，管控制取指、分析、再執(zhí)行，兩種類型的控制器PG IR判別中斷并響應，指令步驟瞧節(jié)拍，硬連線控制器微程序嘿壽存放微程序下址續(xù)讀微指令。一、控制器的功能與組成概述控制器的作用就是向整機系統(tǒng)的每個部件（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?？偩褪且涍^讀取指令，分析指令與執(zhí)行指令所規(guī)定的處理功能3個階段才能完成，這就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。啟?？?，CE控制忌線 法 AB i幽:總線DB數(shù)據忌其篇件控帶惜號步繇標記控制信號產生部

31、件條件輸入設備V *輸出設備.內存儲器+1運算器ZVS）組成控制器的4個子部件:執(zhí)行一條指令,要經過讀取指令、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,就是脈沖源、啟?？刂七壿?指令執(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?？刂破?/p>

32、的第四個,也就是控制器設計中最費力的一個組成成分,就是全部時序控制信號的產生部件,它依據指令內容、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),正就是在這些信號控制下協(xié)同運行,產生予期的執(zhí)行結果,也就就是執(zhí)行一條又一條的指令。依據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與組合邏輯(硬布線)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與運行原理簡介采用邏輯電路直接提供全部控制信號

33、?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)就是通過變換節(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） 組合邏輯控制器就是通過由“與或”兩級邏輯關系構成的時序控制信號產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”的輸入信號就是指令操作碼與節(jié)拍發(fā)生器的節(jié)拍狀態(tài)（可

34、能還有控制條件）,每個與門產生一個與項輸出,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。與計算機組成原理教案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、微程序控制器部件指令寄存器IR1、微程序控施燔的基本組成與運行原理映射?每條指令一個執(zhí)行

35、步驟用到的全體控制信號組成1微盾令?用多條微指令解釋每條?全部微指令的集合叫做彳?執(zhí)行一條微掛令所用的時間被稱為一1控制1 存儲SS、微周期。?微指令的格式與內容：下地址字段命令字段?!?無條件轉移到某條微指下地址 -至螭命微操譯碼?根據微指令的某一狀態(tài)結果 下期和財執(zhí)行或禁向臬匚地址?微子程序調用，要使用到微堆棧?多路轉移?根據指令操作碼,轉移到指令的入口地址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與實現(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

36、器芯片的內部結構與記憶信息的原理;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,硬盤存儲器與磁盤陣列的組成與工作原理;5. 光盤機的組成與運行原理簡介;6. Cache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);8. Pentium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與實現(xiàn)記憶的原理4 .掌握主存儲器的組成、技術指標與運行原理5 .理解并記憶硬盤存儲器的基本組成與讀寫過程6 .了解磁盤陣列技術的相關概念

37、；7 .了解光盤存儲器的組成與運行原理；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 .了解虛擬存儲器的基本概念與實現(xiàn)方法。知識結構圖虛擬存儲器存儲段邛述、概述而存儲器的分類 一口存儲器的用次結構存儲器的分類2、存儲系統(tǒng)的平僦儲,RGM 系統(tǒng)靜態(tài)輔助存儲器高&虛擬存儲器的功能 實現(xiàn)與管理方式二、半導土存儲器CPU存儲器,局速緩存：cache快ROM小J只讀存儲器光盤存儲器存 禱 使用重儲t指標峰使金部丟大主存儲器的技7按存取方式r步二存幽住(RAM);光盤存取w高速緩沖存儲器建活；缺點：易失性,號Cache的

38、功能與結構地址映像方式替換算法%找:、光盤計算機組成原理教案2、只讀存儲器（ROM）優(yōu)缺點：結構簡單,位密度比RAMS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)點就是不需要進行刷新,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與功耗。按信息傳送方式分:1 、并行存儲器2 、串行存儲器3、 主存儲器1、 、主存儲器的基本組成主存儲器由存儲體、地址譯碼器與讀寫電路及控制電路組成。2、 主存儲器的基本操作主存儲器

39、的基本操作就是讀操作與寫操作。3、 存儲容量的擴展擴展方法根據需要有位擴展、字擴展與字位同時擴展。4、 提高存儲器系統(tǒng)性能的途徑:相聯(lián)訪問,并行訪問4、 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、磁帶與光盤主要技術指標:存儲密度、存儲容量與尋址時間硬盤存儲器2、硬盤由硬盤驅動器（HDD）W硬盤才$制器（HDC）®成3、 磁盤陳列技術就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與提供數(shù)據備份的技術。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、控制器與光盤驅動軟件組成。光驅

40、在訪問時有恒定線速度與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。5、 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賣寫速度要求的矛盾。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)揮作用就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、直接映像與組相聯(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

41、4、 段頁式虛擬存儲器第七章節(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. 常用設備的功能與基本工作原理簡介;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;6. DMA的基本概念及傳送過程；7. 總線的功能、組成,總線仲裁與數(shù)據傳送控制;8. 總線標準簡介9. Pentium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/輸出設備的功能與基本工作原理,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、具有的功能與類型;3 .了解接口電路的兩種端口編址

42、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)別幾種輸入/輸出方式的不同特點；6 .理解與中斷與DM目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與結論8 .掌握DMA空制器的功能、組成、數(shù)據傳送方法與過程；9 .理解與總線相關的一些重要的基本概念；10 .掌握總線仲裁與數(shù)據傳送控制等基本的工作原理；11 .了解幾種常用的總線標準與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/輸出設備輸油、/輸出設備、出設1、輸輸入/輸出接口程序查詢方式 程序中斷方式 DMA方式 通道控制方式 外圍處理機方式輸入/輸出設備分類工作特點幾種常

43、用的輸入/輸5依據1目息流向的不同，輸入/輸出設備可以分成輸入設住線的j輸湖（成稀b與輸入1接口的拿本組成_總線仲裁與數(shù)據傳送控制總線技術常用輸入/輸出方式系統(tǒng)總線標準舉例按與件肆柳剜翔秘的用寸象不同pentium計算機的總線系統(tǒng)輸入/輸出設備還可以分成人機交互設備、數(shù)據存儲設備、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：就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與相應的鍵盤控制器組成。從按鍵的數(shù)量上瞧，有83鍵至109鍵等多種；從按鍵的開關的結構瞧，可分為接觸式與非接觸式兩種。從鍵盤提供給主機的電信號類型瞧，鍵盤又可分為編碼鍵盤

44、與非編碼鍵盤兩種。計算機組成原理教案鼠標器:按鼠標的結構不同主要有機械式鼠標與光電鼠標。掃描儀:就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,就是一種功能極強的輸入設備。掃描儀就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、光電轉換部分與機械傳動部分組成。目前主要有光電耦合器件（CCD）,接觸式圖像傳感器（LIDE）與光電倍增管（PMT）為光電轉換元件的3種掃描方式。顯示器:就是以可見光形式、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

45、DP）與場致發(fā)光顯示器。打印機:就是計算機系統(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、熱敏打印機與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與非擊打式兩大類。二、輸入/輸出接口1 、接口的基本組成、功能與類型按通用性分類: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®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、端口的編址與尋址計算機組成原理教案常用的編址方式主要有兩種,一種就是I/O端口與主存儲

46、器統(tǒng)一的編址方式,另一種就是I/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CO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:就是一種用于控制主機與外設間進行數(shù)據傳送的最簡單方式,它直接通過程序來控制主機與外部設備之間的數(shù)據傳送,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:內中斷與外中斷、硬件中斷與軟件中斷、可屏蔽中斷與不可屏蔽中斷。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、中斷處理與中斷返回四個階段組成。3、 直接存儲器訪問（DMA）方式DM防式的基本概念：DMA送過程:一次DMA送過程由傳送前的預處理、