《計算機組成原理》教案(48學時)

PAGEPAGE10附件1：教案首頁教案2013～2014學年第2學期課程編號：(2013-2014-2)-ZX1080013-08040-1授課專業(yè)：計算機科學與技術（軟件方向）授課班級：12計本（網絡）任課教師：梁海英二級學院：計算機科學與信息工程學院教研室：物聯網工程附件2：教案封二課程基本信息課程名稱計算機組成原理課程類型必修課公共課（）專業(yè)課（√）選修課限選課（√）任選課（）授課方式理論課講授（√）實驗（踐）課（）考核方式考試（√）考查（）課程教學

總學時數48學時學分數3學分學時分配理論講授：48學時實驗（踐）：學時上機：學時基本教材與主要參考資料：《計算機組成原理》（第五版）白中英主編，科學出版社，2013.03?！队嬎銠C組成與結構》（第五版）王愛英主編，清華大學出版社2013.01。課程目標：本課程旨在讓學生熟悉運算器、存儲器、控制器等部件的構成原理、功能和作用，以便更好地開發(fā)和利用硬件資源，提高計算機的利用效率。課程的目的：1、熟悉計算機組成結構、原理、功能、作用。2、理解計算機硬件與軟件之間的關系。3、為計算機系統的學習和應用打下良好的基礎。教學重點及難點：教學重點：運算器、存儲器、控制器等部件的構成原理、功能和作用，及各部件之間協調工作。難點：運算器和控制器的功能、組成及工作原理注：表中（）選項請打“√”。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次1課次1課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱第1章計算機系統概論教學目的及要求：目的：掌握計算機硬件系統和軟件系統的組成與功能了解計算機系統的五級層次結構要求：從不同的角度理解并掌握計算機硬件系統結構教學重點與難點：重點：計算機硬件系統結構難點：計算機系統層次結構教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：一、計算機硬件系統如圖1.1和圖1.2所示圖1.1計算機系統圖1.2計算機各硬件之間的通路二、計算機軟件系統如圖1.1和圖1.3所示圖1.3計算機語言三、計算機系統層次結構級別說明第5級高級語言級第4級匯編語言級第3級操作系統級第2級機器語言級第1級微程序級（硬件級）討論、練習、作業(yè)：無教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。

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名稱2.1數據的表示教學目的及要求：目的：掌握數制及數制之間的轉換方法掌握帶符號數的四種編碼表示方法及其相互轉換要求：熟練進行數制轉換、編碼轉換教學重點與難點：重點：原碼、反碼、補碼、移碼之間的相互轉換難點：帶符號定點數的四種編碼與真值之間的轉換教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：一、數制及其轉換方法（一）數制數制基本數碼位系數Ki基數位權位值權展開式十進制0～91010iKi*10i二進制0、122iKi*2i八進制0～788iKi*8i十六進制0～9、A～F1616iKi*16i（二）數制之間的轉換（等值、相互）1.十進制與N進制之間的轉換（N為2、8、16）1）十進制<－N進制（按權相加法）即將N進制數的權展開式寫出來，然后用十進制的運算規(guī)則進行運算，最后相加得到的和，即為該N進制數轉換到的等值十進制數。2）十進制－>N進制（1）整數部分（除基逆取余，商為零止）用該十進制的整數部分，除以要轉換到的進制的基數，除到商為零時停止，然后按逆序取每次得到的余數，即為該十進制數轉換到的等值N進制數。（2）小數部分（乘基順取余，達精度止）用該十進制的小數部分，乘以要轉換到的進制的基數，乘到滿足精度要求為止，然后按順序取每次得到的整數，即為該十進制數轉換到的等值N進制數。2.二進制與2m進制之間的轉換（m為3、4）1）二進制<－2m進制（m位變1位）對二進制數以小數點為界，向左右兩側進行分組，每m位為1組，1組轉換成1位2m進制的數。2）二進制－>2m進制（1位變m位）用除基逆取余法，將1位2m進制的數轉換成m位二進制數。二、帶符號定點數的編碼表示及其相互轉換（一）定點數的概念（小數點位置固定的數，表示時可省略小數點）1.定點整數：小數點位置固定在數值位的末尾2.定點小數：小數點位置固定在數值位的前面3.定點數表示方法類別符號位數值位說明定點整數XnXn-1Xn-2……X1X0N位定點整數定點小數X0X-1X-2……X-(m-1)X-mM位定點小數（二）帶符號定點數的編碼表示（適用于定點整數和定點小數）1.帶符號數的機器碼1）真值：帶“＋、－”號的數2）符號數值化：即用0和1表示“＋、－”號3）用二進制數表示4）有四種編碼方式：原碼、反碼、補碼、移碼2.原碼（符號位連接絕對值的數值位|X|）[X]原=0|X|，X>0[X]原=1|X|，X<0定點字節(jié)整數原碼表示數的范圍如表2.2所示，范圍為：－（28-1-1）～＋（28-1-1），則n位定點整數原碼表示數的范圍為：－（2n-1-1）～＋（2n-1-1），其中＋0和－0的原碼是不相同的。二進制數原碼范圍反碼范圍補碼范圍個數00000000＋0＋0＋0128個正數……01111111＋127＋127＋12710000000－0－127－128128個負數……11111111－127－0－13.反碼（負數的反碼為其原碼數值位按位取反，符號位不變）[X]反=0|X|，X>0[X]反=1，X<0定點字節(jié)整數反碼表示數的范圍如表2.2所示，范圍為：－（28-1-1）～＋（28-1-1），則n位定點整數反碼表示數的范圍為：－（2n-1-1）～＋（2n-1-1），其中＋0和－0的反碼是不相同的。4.補碼（負數的補碼為其反碼數值位末位加1，符號位不變）[X]補=0|X|，X>0[X]補=1(+1)，X<0定點字節(jié)整數補碼表示數的范圍如表2.2所示，范圍為：－28-1～＋（28-1-1），則n位定點整數補碼表示數的范圍為：－2n-1～＋（2n-1-1），其中＋0和－0的補碼是相同的。5.移碼（也叫增碼，移碼為其補碼符號位取反，數值位不變）[X]移=1|X|，X>0[X]移=0(+1)，X<0移碼只用來表示浮點數階碼，只進行加減運算。（三）帶符號定點數的編碼之間的轉換1.正數的原碼、反碼和補碼是一樣的，符號位固定為02.負數的原碼、反碼和補碼關系為：1）符號位固定為12）負數的反碼為其原碼數值位按位取反，符號位不變3）負數的補碼為其反碼數值位末位加1，符號位不變4）負數的原碼為其補碼數值位末位減1再變反，或者補碼數值位變反末位加1，符號位不變3.移碼和補碼的關系為：移碼為補碼符號位取反，數值位不變討論、練習、作業(yè)：62頁第1、2題教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次2課次3課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱2.2定點加法、減法運算教學目的及要求：目的：熟練掌握用補碼定點加法、補碼定點減法運算的方法要求：熟練進行定點加法運算、定點減法運算教學重點與難點：重點：定點加法、減法運算難點：定點加法、減法運算方法教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：一、定點加法運算（一）補碼加法1.公式：[X]補＋[Y]補=[X＋Y]補（mod2n+1）2.例題：27頁例11和例12題（二）補碼加法溢出檢測方法1.溢出的概念：超出所能表示數的范圍2.溢出檢測方法（1）雙符號位法：也稱變形補碼法兩個加數X和Y分別用雙符號位補碼進行運算，00表示正數，11表示負數，若相加結果兩符號位相同，則沒有溢出，否則有溢出，10表示負溢，01表示正溢。溢出標志V＝Sf1⊕Sf2例題：29頁例17和例18（2）單符號法兩個加數X和Y分別用單符號位補碼進行加法運算，0表示正數，1表示負數，若相加結果最高數值位進位標志C0和符號位進位標志Cf不一致，則有溢出，否則無溢出。溢出標志V＝Cf⊕C0（四）基本的二進制加法/減法器1.一位全加器2.n位串行（行波）進位加法器二、定點減法運算1.公式：[X－Y]補=[X]補＋[－Y]補2.[－Y]補的求法：將[Y]補所有位（包括符號位）變反，末位加1。此過程叫做求補運算，不是求補碼。3.例題：28頁例13和例14題討論、練習、作業(yè)：62頁第5、6題教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次3課次4課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱2.3定點乘法（上）教學目的及要求：目的：熟練掌握用原碼乘法運算的方法要求：熟練進行定點乘法運算教學重點與難點：重點：定點乘法運算難點：定點陣列乘法運算方法教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：定點原碼并行乘法運算1.不帶符號的陣列乘法器已知：被乘數[X]原=XfXm-1……X1X0，乘數[Y]原=YfYn-1……Y1Y0則：乘積[Z]原=（Xf⊕Yf）（Xm-1……X1X0）*（Yn-1……Y1Y0）=ZfZm+n-1……Z1Z0其中：Xf和Yf分別為被乘數與乘數的符號位；乘積數值位被乘數與乘數的數值位之和，即m+n位。運算規(guī)則：1）乘積的符號位為兩數的符號位異或，即Zf=Xf⊕Yf2）乘積的數值部分則是兩個正數相乘之積即Zm+n-1……Z1Z0=（Xm-1……X1X0）*（Yn-1……Y1Y0）數值相乘的過程與手工乘法類似：Xm-1Xm-2……X1X0X）Yn-1……Y1Y0Xm-1Y0Xm-2Y0……X1Y0X0Y0Xm-1Y1Xm-2Y1……X1Y1X0Y1……………＋）Xm-1Yn-1Xm-2Yn-1……X1Yn-1X0Yn-1Zm+n-1……Z1Z0上述過程說明了與門電路產生被加數的過程及mXn乘法陣列實現被加數求和過程，實現電路如下圖所示：例題：34頁例19題討論、練習、作業(yè)：62頁第7題教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次3課次5課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱2.3定點乘法（下）教學目的及要求：目的：熟練掌握用原碼乘法運算的方法要求：熟練進行定點乘法運算教學重點與難點：重點：定點乘法運算難點：定點陣列乘法運算方法教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：定點原碼并行乘法運算2.帶符號的陣列乘法器已知：被乘數X=XmXm-1……X1X0，乘數Y=YnYn-1……Y1Y0則：乘積Z=（Xn⊕Yn）（Xm-1……X1X0）*（Yn-1……Y1Y0）=Zm+nZm+n-1……Z1Z0其中：Xm和Yn分別為被乘數與乘數的符號位，Zm+n為乘積的符號位；乘積數值位是被乘數與乘數的數值位之和，即m+n位。運算規(guī)則：1）算前求補：將兩個操作數X和Y先變成正整數2）不帶符號的乘法陣列：對兩個正整數相乘3）算后求補：當兩個輸入操作數的符號不一致時，把運算結果變換成帶符號的數帶符號的陣列乘法器（也稱符號求補的陣列乘法器，或者稱帶求補級的陣列乘法器）如下圖所示：帶求補級的陣列乘法器既適用于原碼乘法，也適用于間接的補碼乘法。在原碼乘法中，算前求補和算后求補都不需要，因為輸入數據都是立即可用的。在間接的補碼陣列乘法卻需要使用三個求補器，算前求補器將輸入的兩個乘數補碼求出對應的絕對值，送入不帶符號乘法陣列器中運算；算后求補器，將不帶符號乘法陣列運算得到的值，轉換為乘積的補碼。例題：35頁例20、21題討論、練習、作業(yè)：62頁第7題教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次4課次6課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱2.4定點除法運算教學目的及要求：目的：熟練掌握定點除法運算的方法要求：熟練進行定點除法運算教學重點與難點：重點：定點除法運算難點：定點陣列除法運算方法教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：一、定點除法運算（一）原碼除法算法原理運算規(guī)則：兩個原碼表示的數相除時，商的符號由兩數的符號按位相加求得，商的數值部分由兩數的數值部分相除求得。設有n位定點小數(定點整數也同樣適用)：被除數[X]原=Xf.Xn-1……X1X0，除數[Y]原=Yf.Yn-1……Y1Y0則：商[Q]原=（Xf⊕Yf）（0.Xn-1……X1X0）/（0.Yn-1……Y1Y0）=Qf.Qn-1……Q1Q0其中：Xf和Yf分別為被除數與除數的符號位，商的符號Qf=Xf⊕Yf原碼除法手算的過程：例：設被除數x=0.1001，除數y=0.1011，手算求x÷y。0.1101?商q0.10110.10010x(r0)被除數小于除數，商0-0.010112-1y除數右移1位，減除數，商10.001110r1得余數r1-0.0010112-2y除數右移1位，減除數，商10.00001100r2得余數r2-0.000010112-4y除數右移1位，減除數，商10.00000001r4得余數r4得x÷y的商q=0.1101，余數為r=0.00000001在計算機中，小數點是固定的，不能簡單地采用手算的辦法。為便于機器操作，使“除數右移”和“右移上商”的操作統一起來。機器除法運算的特點：先減，后判斷。（二）定點原碼并行除法器1.可控加法/減法（CAS）單元有四個輸出端和四上輸出端。當輸入線P=0是，CAS做加法運算；當P=1時，CAS做減法運算。Bi除數右移。2.不恢復余數的陣列除法器（也稱加減交替法陣列除法器）不恢復余數法的除法陣列由一組可控加法/減法(CAS)單元的陣列來構成。在不恢復余數的除法陣列中，每一行所執(zhí)行的操作究竟是加法還是減法，取決于前一行輸出的符號與被除數的符號是否一致。當出現不夠減時，部分余數相對于被除數來說要改變符號。這時產生一個商位“0”，除數首先沿對角線右移，然后加到下一行的部分余數上。當部分余數不改變它的符號時，即產生一個商位“1”，下一行的操作應該是減法。在不恢復余數的除法陣列中，完成定點數除法數值運算過程如下：（1）初始操作是被除數X減除數Y，即[X]補＋[－Y]補（2）若余數為負，則商上0，除數右移一位，下一步做加法；（3）若余數為正，則商上1，除數右移一位，下一步做減法；（4）循環(huán)n+1次例題：已知x=0.101001，y=0.111，求x÷y解：[|y|]補＝0.111[-|y|]補＝1.001[|x|]補＝0.1010010.101001+[-|y|]補1.0011.110001r0<0，商0+[|y|]補0.01110.001101r1>0，商1+[-|y|]補1.110011.111111r2<0，商0+[|y|]補0.0001110.000110r3>0，商1QS=XS⊕YS=0⊕0=0RS=XS=0所以，商q=0.101，余數r=0.000110討論、練習、作業(yè)：63頁第8題教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次5課次7課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱2.5定點運算器的組成教學目的及要求：目的：了解定點運算器的組成要求：了解定點運算器的組成教學重點與難點：重點：了解定點運算器的組成難點：了解定點運算器的組成教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：基本組成包括：1）算術邏輯運算單元ALU：核心部件2）暫存器：用來存放參與計算的數據及運算結果，它只對硬件設計者可見，即只被控制器硬件邏輯控制或微程序所訪問。3）通用寄存器堆：用于存放程序中用到的數據，它可以被軟件設計者訪問。4）內部總線：用于連接各個部件的信息通道。（一）邏輯運算（沒有進位）所謂邏輯數，是指不帶符號的二進制數，是非數值型數據，表示的是計算機所要處理的一些狀態(tài)信息。利用邏輯運算可以進行兩個數的比較，或者從某個數中選取某幾位等操作。計算機中的邏輯運算，主要是指邏輯非、邏輯加、邏輯乘、邏輯異四種基本運算。（二）多功能算術/邏輯運算單元（ALU）本節(jié)我們介紹的多功能算術/邏輯運算單元(ALU)不僅具有多種算術運算和邏輯運算的功能，而且具有先行進位邏輯，從而能實現高速運算。它的邏輯功能圖如下圖所示：74181是一個四位的ALU，它有兩種工作方式。對正邏輯操作數來說，算術運算稱高電平操作，邏輯運算稱正邏輯操作(即高電平為“1”)。對于負邏輯操作數來說，正好相反。由于S0～S3有16種狀態(tài)組合，因此，ALU有16種算術運算和16種邏輯運算功能?？刂贫耍陀糜诳刂艫LU是進行算術運算還是邏輯運算。當Ｍ＝0時，進行算術運算。當Ｍ＝1時，進行邏輯運算。（三）內部總線總線是計算機內各部件之間傳送信息的公用的一組連線。根據總線所在位置，總線分為內部總線和外部總線兩類。內部總線是指CPU內各部件的連線，而外部總線是指系統總線，即CPU與存儲器、I/O系統之間的連線。按總線的邏輯結構來說，總線可分為單向傳送總線和雙向傳送總線。所謂單向總線，就是信息只能向一個方向傳送。所謂雙向總線，就是信息可以分兩個方向傳送，既可以發(fā)送數據，也可以接收數據。（四）定點運算器的基本結構運算器包括ALU、陣列乘/除法器、寄存器組、多路開關、三態(tài)緩沖器、數據總線等邏輯部件。運算器的設計，主要是圍繞ALU和寄存器組與數據總線之間如何傳送操作數和運算結果的。計算機的運算器有如下三種結構形式。1.單總線結構的定點運算器在單總線結構中，輸入數據和輸出操作結果需要三次串行的選通操作。控制電路比較簡單。2.雙總線結構的定點運算器在雙總線結構中，操作的控制要分兩步完成:（1）在ALU的兩個輸入端輸入操作數，形成結果并送入緩沖寄存器;（2）把結果送入目的寄存器。3.三總線結構的定點運算器在三總線結構中，ALU的兩個輸入端分別由兩條總線供給，而ALU的輸出則與第三條總線相連。這樣，算術邏輯操作就可以在一步的控制之內完成。另外，設置了一個總線旁路器。如果一個操作數不需要修改，而直接從總線2傳送到總線3，那么可以通過控制總線旁路器把數據傳出。操作時間快。討論、練習、作業(yè)：63頁第8題教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次5課次8課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱2.6浮點運算方法（上）教學目的及要求：目的：掌握浮點數的加減法運算要求：熟練浮點數的加減法運算教學重點與難點：重點：浮點數的加減法運算難點：浮點數的加減法運算教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：一、浮點數加法、減法運算設有兩個浮點數ｘ和ｙ，它們分別為ｘ＝2Eｘ·Mｘ和ｙ＝2Eｙ·Mｙ其中：Eｘ和Eｙ分別為數ｘ和ｙ的階碼Mｘ和Mｙ分別為數ｘ和ｙ的尾數。（一）運算規(guī)則1.當Ex=Ey=E時，x±y=2EX(Mx±My)2.當EX≠EY時，先對階，使X和Y的階碼相同，然后按照上式計算。（二）浮點數加、減法運算步驟1.對階(小階向大階看齊)先求階差△E=EX－EY①若△E=0，則不必對階②若△E＞0，則EX＞EY，階碼向EX看齊，MY右移△E位③若△E＜0，則EX＜EY，階碼向EY看齊，MX右移△E位2.尾數相加減[Mx±My]補=[Mx]補＋[±My]補3.結果規(guī)格化因為尾數用補碼表示，所以將尾數變?yōu)?.1…或1.0…的形式1）右規(guī)格化：尾數結果為10.…或01.…時進行處理方法：將尾數右移1位，并且階碼加1。2）左規(guī)格化：尾數結果為0.0…或1.1…時進行處理方法：尾數每左移1位，階碼減1，重復直到結果尾數為0.1…或1.0…為止。4.舍入處理（“0舍1入”法）如果右移時被丟掉數位的最高位為0則舍去，為1則將尾數的末位加“1”。5.判斷溢出浮點數的溢出通常是以其階碼的溢出表現出來的。在規(guī)格化和舍入時都可能發(fā)生溢出，若階碼正常，加/減運算正常結束。若階碼下溢，則置運算結果為機器零，若上溢，則置溢出標志。討論、練習、作業(yè)：63頁第9題教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次6課次9課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱2.6浮點運算方法（下）教學目的及要求：目的：掌握浮點數的乘除法運算要求：熟練浮點數的乘除法運算教學重點與難點：重點：浮點數的乘除法運算難點：浮點數的乘除法運算，移碼加減運算及溢出判斷教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：二、浮點數的乘、除法運算（一）運算規(guī)則設有兩個浮點數ｘ和ｙ：ｘ＝2Eｘ·Mｘ和ｙ＝2Eｙ·Mｙ浮點乘法運算的規(guī)則是：ｘ×ｙ＝2(Eｘ＋Eｙ)·(Mｘ×Mｙ)浮點除法運算的規(guī)則是：ｘ÷ｙ＝2(Eｘ－Eｙ)·(Mｘ÷Mｙ)（二）乘、除法運算步驟1.階碼加/減操作移碼加、減法運算的公式為： [ｘ＋ｙ]移＝[ｘ]移＋[＋ｙ]補雙符號位的階碼加法器：規(guī)定移碼的最高符號位恒用0參加加減運算。2.尾數乘/除操作3.結果規(guī)格化4.舍入處理5.判斷溢出溢出條件是階碼結果的最高符號位為1。此時，當低位符號位為0時，表明結果上溢，為1時，表明結果下溢。當最高符號位為0時，表明沒有溢出。此時，當低位符號位為1，表明結果為正；為0時，表明結果為負。討論、練習、作業(yè)：63頁第9、10題教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次7課次10課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱3.1存儲器概述教學目的及要求：目的：掌握存儲器的分類、分級、技術指標要求：掌握存儲器的分類、分級、技術指標教學重點與難點：重點：存儲器的分類、分級、技術指標難點：掌握存儲器的分類、分級、技術指標教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：一、存儲器分類 存儲器中最小的存儲單位可存儲一個二進制代碼。由若干個存儲元組成一個存儲單元，再由許多存儲單元組成一個存儲器。1.按存儲介質分半導體存儲器：用半導體器件組成的存儲器。磁表面存儲器：用磁性材料做成的存儲器。2.按存儲方式分隨機存儲器：任何存儲單元的內容都能被隨機存取，且存取時間和存儲單元的物理位置無關。順序存儲器：只能按某種順序來存取，存取時間和存儲單元的物理位置有關。3.按存儲器的讀寫功能分只讀存儲器(ROM)：存儲的內容是固定不變的，只能讀出而不能寫入的半導體存儲器。隨機讀寫存儲器(RAM)：既能讀出又能寫入的半導體存儲器。4.按信息的可保存性分非永久記憶的存儲器：斷電后信息即消失的存儲器。永久記憶性存儲器：斷電后仍能保存信息的存儲器。5.按在計算機系統中的作用分根據存儲器在計算機系統中所起的作用，可分為主存儲器、輔助存儲器、高速緩沖存儲器、控制存儲器等。二、存儲器的分級結構為了解決對存儲器要求容量大，速度快，成本低三者之間的矛盾，目前通常采用多級存儲器體系結構，即使用高速緩沖存儲器、主存儲器和外（輔助）存儲器構成的多級（三級）存儲體系結構。CPU能夠直接訪問的存儲器稱為內存儲器（內存）。CPU不能直接訪問外存儲器，外存儲器上的信息必須調入內存后才能由CPU處理。高速緩沖存儲器（Cache）：是CPU與主存儲器間的一個高速小容量的半導體存儲器。通過Cache可以使CPU高速存取主存儲器中的指令和數據。特點：存取速度快，但存儲容量小。主存儲器（主存）：存放計算機運行期間的大量程序和數據。特點：存取速度較快，存儲容量不大。外存儲器（輔助存儲器）：外存存放系統程序和大型數據文件及數據庫。特點：存儲容量大，成本低，速度慢。在多級存儲器管理系統中，各級存儲器承擔不同的職能：Cache提速；外存提供大容量；主存提供運行程序和數據的存儲。三、存儲器基本概念及技術指標1.基本概念記憶元件（存儲介質）：組成存儲器的物理器件位：一位二進制存儲單元：若干存儲位構成的存儲單元字節(jié)單元：8位二進制構成的存儲單元字（存儲）單元：存放一個字的存儲單元存儲體：許多存儲單元構成的集合地址：存儲單元的編號，用于識別不同單元字節(jié)地址：每個單元存放一個字節(jié)時，則相應地址為字節(jié)地址字地址：每個單元存放一個機器字時，則相應地址為字地址2.技術指標存儲容量：存儲器具有的存儲單元總的數量。一般可通過地址的位數反映出單元數的多少，與每個單元存取信息量的二進制位數的乘積，它反應了存儲器存儲信息的能力。其單位通常為：KB，MB，GB，TB。 1K＝210＝1024 1M＝220 1G＝2301K單元有10位地址，1Ｍ單元有20位地址,1G單元有30位地址。存取時間：啟動到完成一次存儲器操作所經歷的時間。分為讀出時間和寫入時間。存儲周期：連續(xù)啟動兩次讀（寫）操作所需間隔的最小時間。通常存儲周期略大于存取時間。存儲器帶寬：單位時間里存儲器所存取的信息量，(單位為MB/s,每秒多少兆字節(jié))，反應了存儲器的整體速度。討論、練習、作業(yè)：111頁第1、2、4（1）題教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次7課次11課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱3.2SRAM存儲器教學目的及要求：目的：掌握存儲器的分類、分級、技術指標、RAM的種類及擴展要求：熟練進行RAM容量擴展教學重點與難點：重點：存儲器的分類、分級、技術指標、RAM的種類及擴展難點：進行RAM容量擴展教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：目前廣泛采用的半導體存儲器是ＭＯＳ半導體存儲器。根據存儲信息的原理不同，分為靜態(tài)ＭＯＳ存儲器（ＳＲＡＭ）和動態(tài)ＭＯＳ存儲器（ＤＲＡＭ）。一、基本的靜態(tài)存儲元陣列所有的SRAM是用一個鎖存器(觸發(fā)器)作為存儲位元。SRAM包含三組信號：地址線：選擇單元，確定容量(單元數)數據線：單元的位數控制線：讀寫控制二、基本SRAM存儲器邏輯結構由存儲體(陣列)、地址譯碼器、IO電路和控制電路組成1.地址譯碼器：將用二進制代碼表示的地址轉換成輸出端的高電位，用來驅動相應的讀寫電路，以便選擇所要訪問的存儲單元。地址譯碼有兩種方式：1）單譯碼（單方向譯碼）：只有一個譯碼器，譯碼輸出選擇一個存儲字。N位地址，譯碼輸出2N個狀態(tài)，對應2N個單元2）雙譯碼：采用X、Y兩個方向譯碼器進行譯碼。采用雙向譯碼方式可以減少譯碼輸出選擇線的條數。2.存儲體：存儲單元的集合存儲陣列由256行*128列*8位的三維結構。行和列的交叉位置為一個存儲單元。通常用X選擇線(行線)和Y選擇線(列線)的交叉來選擇所需要的單元。3.I/O電路：處于數據總線和被選用的單元之間，控制被選中的單元讀出或寫入，放大信息。4.片選:在地址選擇時，首先要選片,只有當片選信號有效時，此片所連的地址線才有效。三、讀/寫周期讀周期時間：從地址有效開始到從數據線讀出數據的時間。寫周期時間：從地址有效到數據寫入存儲器的時間。存取周期：將讀周期和寫周期取為相同，并稱之為存取周期。討論、練習、作業(yè)：111頁第1、2、4（1）題教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次8課次12課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱3.3DRAM存儲器教學目的及要求：目的：掌握存儲器的分類、分級、技術指標、RAM的種類及擴展要求：熟練進行RAM容量擴展教學重點與難點：重點：存儲器的分類、分級、技術指標、RAM的種類及擴展難點：進行RAM容量擴展教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：一、DRAM存儲位元的記憶原理動態(tài)MOS隨機讀寫存儲器DRAM的存儲容量很大，通常用作計算機的主存儲器。DRAM存儲器的存儲元是由一個MOS晶體管和電容組成的記憶電路。其中的MOS管作為開關使用，而存儲的信息是由電容器上的電荷來體現：充滿電荷看作1，放完電荷看作0。二、DRAM芯片的邏輯結構DRAM與SRAM的不同點：地址線采用了重用，地址分為行地址和列地址，分時輸入。RAS為行地址選通，CAS為列地址選通。減少芯片地址的引線。增加了刷新計數器和刷新控制電路。動態(tài)存儲器的存儲元需要定期刷新（充電），否則信息會隨電容漏電而丟失。DRAM的刷新是通過按行讀方式進行的。三、DRAM的讀/寫周期和刷新周期注意動態(tài)存儲器的讀寫過程中地址是分為行地址和列地址兩次輸入的。刷新：定期對動態(tài)RAM的所有單元進行充電的過程。動態(tài)存儲器是通過讀行的方式進行刷新的。刷新周期：從上一次對整個存儲器刷新結束到下一次對整個存儲器全部刷新一遍為止的時間間隔稱為刷新周期。刷新周期通常為8ms到16ms。刷新操作可采用集中式刷新或分散式刷新兩種方式：1.集中式刷新：在一個刷新間隔內安排集中的一段時間對存儲器進行刷新。死時間：在集中刷新的一段時間內不能對存儲器進行存取操作，這段時間稱為死時間2.分散式刷新：將每一行的刷新插入到正常的讀寫周期之中。四、存儲器容量的擴充1.字長位數的擴展當芯片字長的位數比實際要求的存儲器字長位數較短時，需要用多片芯片擴展字長位數。連接時，芯片的地址線和控制線公用，而數據線分開對應連接。2.字存儲容量擴展當給定的芯片的存儲容量比實際要求的存儲器單元數少時（字數少），需要用多片芯片來擴展字數（單元數）。連接時，芯片的數據線和地址線公用，地址總線的高位段通過譯碼產生的譯碼信號來選通芯片的使能端，從而選擇相應的芯片。討論、練習、作業(yè)：111頁第1、2、4（1）題教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次9課次13課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱3.4只讀存儲器和閃速存儲器教學目的及要求：目的：了解只讀存儲器和閃速存儲器要求：了解只讀存儲器和閃速存儲器教學重點與難點：重點：只讀存儲器和閃速存儲器難點：只讀存儲器和閃速存儲器教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：一、只讀存儲器ROM掩膜式只讀存儲器：數據在芯片制造過程中寫入。PROM：一次可編程只讀存儲器。EPROM：光擦除可編程ROM，通過紫外線擦除。EEPROM：電擦除編程ROM，可通過電擦除。二、閃速存儲器(FlashMemory)1.閃速存儲器及其特點閃速存儲器是一種高密度、非易失性的讀/寫半導體存儲器。由于其體積小、速度快，廣泛用于各種數碼設備中(數碼相機、MP3、U盤、手提電腦等)。閃速存儲器的特點：固有的非易失性：斷電后信息不會丟失。廉價的高密度：相同容量的閃速存儲器和DRAM相比，其位成本相近?？蓤?zhí)行性：閃速存儲器可以直接與CPU相連，大大提高程序和文件的訪問速度。固態(tài)性：閃速存儲器是一種低功耗、高密度且無機電裝置的半導體器件，特別適合便攜式系統應用。2、閃速存儲器的基本操作 編程操作：編程操作就是對閃存的寫操作。讀取操作：從閃存讀出數據。擦除操作：將閃存全部變?yōu)?。討論、練習、作業(yè)：無教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次9課次14課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱3.5并行存儲器教學目的及要求：目的：了解并行存儲器、cache存儲器要求：了解并行存儲器、cache存儲器教學重點與難點：重點：只讀并行存儲器、cache存儲器難點：并行存儲器和cache存儲器教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：存儲器訪問速度成為限制計算機高速處理的主要問題。除了主存可以采用更高速技術縮短讀出時間或加長存儲器的字長。還可以采用并行操作的雙端口存儲器和多體交叉存儲器。一、雙端口存儲器雙端口存儲器是指同一個存儲器具有兩組相互獨立的讀寫控制線路，可以并行的進行讀寫操作，是一種高速工作的存儲器。由于采用了兩個相互獨立的端口，分別具有各自的地址線、數據線和控制線，因而可以對存儲器中任何位置上的數據進行獨立的存取操作。二、多模塊交叉存儲器1.存儲器的模塊化組織一個由若干個模塊組成的主存儲器是線性編址的。這些地址在各模塊有兩種安排方式：1）順序方式：在多模塊的存儲器中，訪問地址按順序分配給一個模塊后，接著又按順序分配給下一個模塊。連續(xù)地址是分配在一個模塊內的。此時當某個模塊進行存取時，其他模塊不工作，某一模塊出現故障時，其他模塊可以照常工作，通過增添模塊來擴充存儲器容量比較方便。但各模塊串行工作，存儲器的帶寬受到了限制。2）交叉方式：地址碼的低位字段經過譯碼選擇不同的模塊,而高位字段指向相應模塊內的存儲字。連續(xù)地址分布在相鄰的不同模塊內，同一個模塊內的地址都是不連續(xù)的。采用交叉方式編址時，對連續(xù)字的成塊傳送可實現多模塊流水式并行存取，大大提高存儲器的帶寬。2.多模塊交叉存儲器的基本結構如88頁圖3.27為四模塊交叉存儲器結構框圖。主存被分成四個相互獨立、大小相等的模塊。每個模塊都有自己的讀寫控制電路、地址寄存器和數據寄存器，各個以等同的方式與CPU交換信息。當進行連續(xù)數據訪問時，CPU同時訪問四個模塊，由存儲器控制部件控制它們分時使用數據總線進行信息傳遞。這是一種流水線并行存儲器結構。討論、練習、作業(yè)：無教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次10課次15課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱4.1指令系統與性能要求教學目的及要求：目的：了解指令系統的發(fā)展與性能要求、指令格式要求：了解指令系統的發(fā)展與性能要求、指令格式教學重點與難點：重點：指令系統的發(fā)展與性能要求、指令格式難點：指令格式教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：計算機的操作和控制是由計算機的指令完成的。在計算機中有兩種信息流，一種是數據流，它是處理的對象；一種是控制流，由它來對控制對數據信息的處理。一、指令系統1.指令計算機的程序是由一系列的指令組成的，指令就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。2.指令分類從計算機組成的層次結構來說，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。1）微指令：微程序級的命令，它屬于硬件；2）宏指令：由若干條機器指令組成的軟件指令，它屬于軟件；3）機器指令：介于微指令與宏指令之間，每條指令可完成一個獨立的算術運算或邏輯運算。是CPU唯一能接收的命令。指令系統：一臺計算機中所有機器指令的集合，它是表征一臺計算機性能的重要因素，其格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結構，也直接影響到系統軟件，影響到機器的適用范圍。二、指令系統的性能要求指令系統的性能決定了計算機的基本功能，它的設計直接關系到計算機的硬件結構和用戶的需要。一個完善的指令系統應滿足如下要求：1.完備性用匯編語言編寫各種程序時，指令系統直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來實現。完備性要求指令系統豐富、功能齊全、使用方便。2.有效性利用該指令系統所編寫的程序能夠高效率的運行。高效率主要表現在程序占據存儲空間小、執(zhí)行速度快。一般來說，一個功能更強、更完善的指令系統，必定有更好的有效性。3.規(guī)整性規(guī)整性包括指令系統的對稱性、勻齊性、指令格式和數據格式的一致性。1）對稱性指在指令系統中所有的寄存器和存儲器單元都可同等對待，所有的指令都可使用各種尋址方式；2）勻齊性是指一種操作性質的指令可以支持各種數據類型；3）指令格式和數據格式的一致性是指指令長度和數據長度有一定的關系，以方便處理和存取。4.兼容性系列機各機種之間具有相同的基本結構和共同的基本指令集，因而指令系統是兼容的，即各機種上基本軟件可以通用。但由于不同機種推出的時間不同，在結構和性能上有差異，做到所有軟件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低檔機上運行的軟件可以在高檔機上運行。三、低級語言與硬件結構的關系計算機語言具有高級語言和低級語言之分。高級語言如C等，其語句和用法與具體機器的指令系統無關。低級語言分機器語言（二進制語言）和匯編語言（符號語言），這兩種語言都是面向機器的語言，和具體機器的指令系統密切相關。機器語言用指令代碼編寫程序，而符號語言用指令助記符來編寫程序。計算機能夠直接識別和執(zhí)行的唯一語言是二進制語言，但人們采用符號語言或高級語言編寫程序。為此，必須借助匯編程序或編譯程序，把符號語言或高級語言翻譯成二進制碼組成的機器語言。匯編語言依賴于計算機的硬件結構和指令系統。不同的機器有不同的指令，所以用匯編語言編寫的程序不能在其他類型的機器上運行。討論、練習、作業(yè)：137頁1、2教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次11課次16課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱4.2指令格式教學目的及要求：目的：了解指令格式要求：了解指令格式教學重點與難點：重點：指令指令格式難點：指令格式教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：機器指令是用機器字表示的。指令字（簡稱指令）：表示一條指令的機器字。指令格式：是指令字用二進制代碼表示的結構形式，由操作碼字段和地址碼字段組成。操作碼字段表征指令的操作特性與功能；地址碼字段通常指定參與操作的操作數的地址。一、操作碼指令系統的每一條指令都有一個操作碼，它表示該指令應進行什么性質的操作。不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，每一種編碼代表一種指令。組成操作碼字段的位數一般取決于計算機指令系統的規(guī)模。指令系統包含的指令越多，其操作碼的位數越多。1.定長指令指令系統的所有指令的操作碼和地址碼的長度固定不變。2.變長指令指令系統中不同指令可以有不同的長度，稱為變長指令系統。二、地址碼根據一條指令中有幾個操作數地址，可將該指令稱為幾操作數指令或幾地址指令。一般的操作數有被操作數、操作數及操作結果這三種數，因而就形成了三地址指令格式。在此基礎上，后來又發(fā)展成二地址格式、一地址格式和零地址格式。1.零地址指令零地址指令的指令字中只有操作碼，而沒有地址碼。2.一地址指令一地址指令常稱為單操作數指令。通常這種指令以運算器中累加寄存器AC中的數據為被操作數，指令字的地址碼字段所指明的數為操作數，操作結果又放回累加寄存器AC中。(AC)OP(A)->AC其中OP表示操作性質；（AC）表示累加寄存器AC中的數；（A）表示內存中地址為A的存儲單元中的數或運算器中地址為A的通用寄存器中的數；→表示把操作結果傳送到指定的地方。3.二地址指令二地址指令常稱為雙操作數指令，它的兩個地址碼字段分別指明參與操作的兩個數在內存中或運算器中通用寄存器的地址，A1作存放操作結果的地址。(A1)OP(A2)->A1二地址指令格式中，從操作數的物理位置來說，又可歸結為三種類型：1）存儲器-存儲器（SS）型指令操作時都是涉及內存單元，參與操作的數都放在內存里，從內存某單元中取操作數，操作結果存放至內存另一單元中，因此機器執(zhí)行這種指令需要多次訪問內存。2）寄存器-寄存器（RR）型指令需要多個通用寄存器或個別專用寄存器，從寄存器中取操作數，把操作結果放到另一寄存器。機器執(zhí)行寄存器-寄存器型指令的速度很快，因為執(zhí)行這類指令，不需要訪問內存。3）寄存器-存儲器（RS）型指令執(zhí)行此類指令時，既要訪問內存單元，又要訪問寄存器。4.三地址指令三地址指令字中有三個操作數地址。(A1)OP(A2)->A3A1為被操作數地址，也稱源操作數地址；A2為操作數地址，也稱終點操作數地址；A3為存放結果的地址。A1,A2,A3可以是內存中的單元地址，也可以是運算器中通用寄存器的地址。三、指令字長度指令字長度：一個指令字中包含二進制代碼的位數。機器字長：計算機能直接處理的二進制數據的位數，它決定了計算機的運算精度。單字長指令：指令字長等于機器字長度的指令。半字長指令：指令字長等于半個機器字長度的指令。雙字長指令：指令字長等于兩個機器字長度的指令。多字長指令：指令字長等于幾個機器字長度的指令。使用多字長指令，目的在于提供足夠的地址位來解決訪問內存任何單元的尋址問題。其主要缺點是必須兩次或多次訪問內存才能取出一整條指令，降低了CPU的運算速度，又占用了更多的存儲空間。等長指令字結構:各種指令字長度是相等的。這種指令字結構簡單，且指令字長度不變。變長指令字結構:各種指令字長度隨指令功能而異。結構靈活，能充分利用指令長度，但指令的控制較復雜。四、指令助記符由于硬件只能識別1和0，所以采用二進制操作碼是必要的，但是我們用二進制來書寫程序卻非常麻煩。為了便于書寫和閱讀程序，每條指令通常用3個或4個英文縮寫字母來表示。這種縮寫碼叫做指令助記符。由于指令助記符提示了每條指令的意義，因此比較容易記憶，書寫起來比較方便，閱讀程序容易理解。在不同的計算機中，指令助記符的規(guī)定是不一樣的。因此，指令助記符還必須轉換成與它們相對應的二進制碼。這種轉換借助匯編程序可以自動完成。討論、練習、作業(yè)：137頁1、2教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次11課次17課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱4.3操作數類型4.4指令和數據的尋址方式（上）教學目的及要求：目的：掌握操作數類型、指令和數據的尋址方式要求：熟練掌握操作數類型、指令和數據的尋址方式教學重點與難點：重點：操作數類型、指令和數據的尋址方式難點：指令和數據的尋址方式教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：第三節(jié) 操作數類型一、計算機內部處理的數據類型分為四類1.地址型數據：數據地址2.數值型數據：定點、浮點、十進制數等3.字符型數據：字符串4.邏輯型數據：位二、按所在位置，操作數分為四類1.立即數：在指令中的操作數2.寄存器操作數：在寄存中的操作數3.存儲器操作數：在內存單元中的操作數4.外設操作數：通過外設端口輸入輸出的操作數第四節(jié) 指令和數據的尋址方式（上）計算機中的指令和數據都是存放在存儲器中的，對指令和數據的訪問都是通過存儲單元的地址編碼進行的。尋址方式：形成指令或數據地址的方式稱為尋址方式。尋址方式分為兩類，既指令尋址方式和數據尋址方式。一、指令尋址方式1.指令的順序尋址計算機中程序是由指令序列構成的，大多數指令是順序存放在存儲器中的。當執(zhí)行一段程序時，通常是一條指令接一條指令的順序執(zhí)行。這種程序順序執(zhí)行的過程，我們稱為指令的順序尋址方式。為實現指令的順序尋址，計算機中使用程序計數器PC（又稱指令指針寄存器IP）來計數指令的順序號，并通過自動增量方式實現順序尋址。2.指令的跳躍尋址當程序轉移執(zhí)行時，指令的尋址就采取跳躍尋址方式。跳躍，是指下條指令的地址碼不是由程序計數器給出，而是由本條指令給出。程序跳躍后，按新的指令地址開始順序執(zhí)行。當程序中出現轉移、子程序調用、子程序返回、中斷等指令時，會產生跳躍。跳躍是通過直接對程序計數器的內容進行設置而實現的。3.相對尋址方式把程序計數器PC的內容加上指令格式中的形式地址D而形成操作數的有效地址。其中形式地址D通常稱為偏移量，其值可正可負，相對于當前指令地址進行浮動。由于程序計數器的內容就是當前指令的地址。“相對”尋址，就是相對于當前的指令地址而言。討論、練習、作業(yè)：137頁3～5、7、12教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次12課次18課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱4.4指令和數據的尋址方式（下）教學目的及要求：目的：掌握數據的尋址方式要求：熟練數據的尋址方式教學重點與難點：重點：數據的尋址方式難點：數據的尋址方式教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：第四節(jié) 指令和數據的尋址方式（下）二、操作數尋址方式形成操作數的有效地址的方法，稱為操作數的尋址方式。通常，在指令中操作數地址由X，R，D等字段組成。X表示尋址方式、R表示使用的寄存器號、D為形式地址。指令中操作數字段的地址碼是由形式地址和尋址方式特征位等組合形成。尋址過程就是把操作數的形式地址，變換為操作數的有效地址的過程。1.隱含尋址在指令中不明顯的給出而是隱含著操作數的地址。2.立即尋址指令的地址字段指出的不是操作數的地址，而是操作數本身。3.寄存器尋址方式當操作數不放在內存中，而是放在CPU的通用寄存器中時，可采用寄存器尋址方式。此時指令中給出的操作數地址不是內存的地址單元號，而是通用寄存器的編號。4.存儲器尋址操作數在內存中，根據操作數所在內存有效地址EA的計算方式不同，又將存儲器尋址分為：1）直接尋址在指令格式的地址字段中直接指出操作數在內存的地址，即EA=D。2）間接尋址間接尋址分為：（1）存儲器間接尋址：指令地址字段中的形式地址D是操作數地址的指示器，D單元的內容是操作數的有效地址EA。（2）寄存器間接尋址：指令地址字段中的寄存器是操作數地址的指示器，寄存器的內容是操作數的有效地址EA。根據作為地址寄存器的種類不同，又將寄存器間接尋址分為：①基址尋址：EA=基址寄存器的內容②變址尋址：EA=變址寄存器的內容3）相對基址尋址方式將CPU中基址寄存器的內容加上指令格式中的形式地址D而形成操作數所在內存單元的有效地址，即EA=基址寄存器的內容+D。4）相對變址尋址方式把CPU中某個變址寄存器的內容與偏移量D相加來形成操作數所在內存單元的有效地址，即EA=變址寄存器的內容+D。5）基址加變址尋址方式把CPU中基址寄存器的內容加上某個變址寄存器的內容形成操作數所在內存單元的有效地址，即EA=基址寄存器的內容+變址寄存器的內容。6）相對基址加變址尋址方式把CPU中基址寄存器的內容加上某個變址寄存器的內容，再加上偏移量D形成操作數所在內存單元的有效地址，即EA=基址寄存器的內容+變址寄存器的內容+D。5.塊尋址方式經常用在輸入輸出指令中，以實現外存儲器或外圍設備同內存之間的數據塊傳送。塊尋址方式在內存中還可用于數據塊搬家。塊尋址時，通常在指令中指出數據塊的起始地址（首地址）和數據塊的長度（字數或字節(jié)數）。6.段尋址方式微機中采用了段尋址方式，在尋址一個內存具體單元時，由一個基地址再加上某些寄存器提供的16位偏移量來形成實際的20位物理地址。這個基地址就是CPU中的段寄存器。討論、練習、作業(yè)：137頁3～5、7、12教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次13課次19課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱4.5典型指令及本章習題講解教學目的及要求：目的：掌握指令的分類及各指令的功能要求：熟練掌握指令的分類及各指令的功能教學重點與難點：重點：指令的分類難點：指令的功能教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：一、指令的分類一個完善的指令系統應該包括：數據傳送類指令、算術運算類指令、程序控制類指令、輸入輸出類指令、字符串類指令、系統控制類指令。1.數據傳送指令包括取數指令、存數指令、傳送指令、成組傳送指令、字節(jié)交換指令、清累加器指令、堆棧操作指令等。這類指令主要用來實現主存和寄存器之間，或寄存器和寄存器之間的數據傳送。2.算術運算指令包括二進制定點加、減、乘、除指令，浮點加、減、乘、除指令，求反、求補指令，算術移位指令，算術比較指令，十進制加、減運算指令等。這類指令主要用于定點或浮點的算術運算。3.邏輯運算及移位指令包括邏輯加、邏輯乘、按位加、邏輯移位等指令，主要用于無符號數的位操作、代碼的轉換、判斷及運算。移位指令用來對寄存器的內容實現左移、右移或循環(huán)移位。4.程序控制指令（也稱轉移指令）條件轉移指令、無條件轉移指令、轉子程序指令、返回主程序指令、中斷返回指令等。轉移指令的轉移地址一般采用直接尋址和相對尋址方式來確定。5.輸入輸出指令用來啟動外部設備，檢查測試外部設備的工作狀態(tài)，并實現外部設備和CPU之間之間的信息傳送。6.字符串處理指令是一種非數值處理指令，一般包括字符串傳送、字符串比較、字符串替換等。7.特權指令指具有特殊權限的指令。只用于操作系統或其他系統軟件，一般不直接提供給用戶使用。在多用戶、多任務的計算機系統中特權指令必不可少。它主要用于系統資源的分配和管理。8.其他指令除以上各類指令外，還有狀態(tài)寄存器置位、復位指令、測試指令、暫停指令，空操作指令，以及其他系統控制用的特殊指令。二、CISC和RISC1.復雜指令系統計算機(CISC)CISC的指令系統通常有二、三百條指令。為便于高級語言編程和復雜功能實現，在CISC的指令系統中通常還包含了一些功能非常復雜和強大的指令。但是通過對復雜指令系統計算機(CISC)的測試表明，最常使用的一些最簡單最基本的指令，只占指令總數的2%，并且這些指令在程序中出現的頻率達到80%以上。2.精簡指令系統計算機(RISC)由于復雜指令實現使計算機硬件實現更加復雜，而使用的機會又很少，因此，人們提出了精簡指令系統計算機(RISC)。精簡指令系統計算機(RISC)的最大特點是：1）選取使用頻率最高的一些簡單指令，減少指令系統的指令條數。(簡化，高效)2）指令長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少。(簡化指令分析)3）只有取數/存數指令訪問存儲器。其余的指令的操作都在寄存器間進行。(提高處理效率)4）使用很多內部寄存器。三、習題講解討論、練習、作業(yè)：無教學反思：能夠清晰地講解課程的重點、難點，內容講解透徹、層次清晰、邏輯性強、信息量大，時間分配合理，師生互動效果良好，板書工整。參考書目資料：《計算機組成與結構》（第五版）王愛英著，清華大學出版社2013.01填表說明：1.每項頁面大小可自行添減，一次課（二或三節(jié)）寫一份上述格式教案。重復班只填寫一份。2.課次為授課次序，填1、2、3……等。附件3：章節(jié)或分次(課時)教案計算機組成原理課程授課教案周次13課次20課時2課型√理論課□討論課□實驗課□習題課□其他章節(jié)

名稱5.1CPU的功能和組成教學目的及要求：目的：掌握CPU的功能和組成要求：掌握CPU的功能和組成教學重點與難點：重點：CPU的功能和組成難點：CPU的功能和組成教學方式方法、手段：講授法、歸納法輔助手段：圖表法教學過程：一、CPU的功能當用計算機解決某個問題時，我們首先必須為它編寫程序。程序是一個指令序列，這個序列明確告訴計算機應該執(zhí)行什么操作，在什么地方找到用來操作的數據。一旦把程序裝入內存儲器，就可以由計算機來自動完成取出指令和執(zhí)行指令的任務。專門用來完成此項工作的計算機部件稱為中央處理器，通常簡稱CPU。CPU對整個計算機系統的核心，它具有如下四方面的基本功能：1.指令控制程序執(zhí)行順序的控制稱為指令控制。由于程序是一個指令序列，這些指令的相互順序不能任意顛倒，必須嚴格按程序規(guī)定的順序進行。2.操作控制一條指令的功能往往是由若干個操作信號的組合來實現的。因此，CPU管理并產生由內存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應的部件，從而控制這些部件按指令的要求進行動作。3.時間控制對各種操作實施時間上的定時稱為時間控制。在計算機中，各種指令的操作信號以及一條指令的整個執(zhí)行過程都受到時間的嚴格定時。4.數據加工對數據進行算術運算和邏輯運算處理。前三項功能是由控制器實現的，后一項功能由運算器實現。二、CPU的基本組成CPU的基本部分由運算器、cache和控制器三大部分組成。其主要部分由運算器和控制器組成。（一）控制器1.控制器的組成主要由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產生器和操作控制器組成，它是發(fā)布命令的“決策機構”，即完成協調和指揮整個計算機系統的操作。2.控制器的主要功能1)取指令從內存中取出一條指令，并指出下一條指令在內存中的位置；2)分析指令并執(zhí)行指令對指令進行譯碼或測試，并產生相應的操作控制信號，以便啟動規(guī)定的動作3)控制程序和數據的輸入/輸出指揮并控制CPU、內存和輸入/輸出設備之間數據流動的方向。（二）運算器1.運算器的組成由算術邏輯單元(ALU)、累加寄存器、數據緩沖寄存器和狀態(tài)條件寄存器組成，它是數據加工處理部件。相對控制器而言，運算器接受控制器的命令而進行動作，即運算器所進行的全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號來指揮的，所以它是執(zhí)行部件。2.運算器的功能1)執(zhí)行所有的算術運算；2)執(zhí)行所有的邏輯運算，并進行邏輯測試，如零值測試或兩個值的比較。三、CPU中的主要寄存器CPU中的寄存器用于暫存CPU各功能部件處理所需要的各種信息(指令、地址、數據、狀態(tài)等)。在CPU中至少要有六類寄存器：指令寄存器(IR)、程序計數器(PC)、地址寄存器(AR)、緩沖寄存器(DR)、累加寄存器(AC)、狀態(tài)條件寄存器(PSW)。1.數據緩沖寄存器（DR）用來暫時存放由內存儲器讀出的一條指令或一個數據字；反之，當向內存存入一條指令或一個數據字時，也暫時將它們存放在數據緩沖寄存器中。緩沖寄存器的作用是：1)作為CPU和內存、外部設備之間信息傳送的中轉站；2)補償CPU和內存、外圍設備之間在操作速度上的差別3)在單累加器結構的運算器中，數據緩沖寄存器還可兼作為操作數寄存器。2.指令寄存器（IR）用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。隨后由控制器對指令寄存器中的二進制指令代碼進行解釋，并產生相應的控制。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進制數字組成。為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試，以便識別所要求的操作。指令譯碼器就是做這項工作的。指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。操作碼一經譯碼后，即可向操作控制器發(fā)出具體操作的特定信號。3.程序計數器（PC）為了保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，CPU必須具有某些手段來確定下一條指令的地址。而程序計數器正是起到這種作用，所以通常又稱為指令指針(IP)。在程序開始執(zhí)行前，必須將它的起始地址，即程序的一條指令所在的內存單元地址送入PC，因此PC的內容即是從內存提取的第一條指令的地址。當執(zhí)行指令時，CPU將自動修改PC的內容，以便使其保持的總是將要執(zhí)行的下一條指令的地址。由于大多數指令都是按順序來執(zhí)行的，所以修改的過程通常只是簡單的對PC加1。但是，當遇到轉移指令如JMP指令時，那么后繼指令的地址（即PC的內容)必須從指令的地址段取得。在這種情況下，下一條從內存取出的指令將由轉移指令來規(guī)定。4.地址寄存器（AR）用來保存當前CPU所訪問的內存單元的地址。由于在內存和CPU之間存在速度上的差別，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內存的讀/寫操作完成為止。當CPU和內存進行信息交換，即CPU向內存存/取數據時，或者CPU從內存中讀出指令時，都要使用地址寄存器和數據緩沖寄存器。5.累加寄存器（AC，簡稱為累加器）它是一個通用寄存器，功能：當ALU執(zhí)行算術或邏輯運算時，為ALU提供一個工作區(qū)。累加寄存器暫時存放ALU運算的結果信息。顯然，運算器中至少要有一個累加寄存器。6.狀態(tài)條件寄存器（PSW）保存由算術指令和邏輯指令運行或測試的結果建立的各種條件碼內容，如運算結果進位標志(C)，運算結果溢出標志（V)，運算結果為零標志(Z)，運算結果為負標志(N)等等。這些標志位通常分別由1位觸發(fā)器保存。狀態(tài)條件寄存器是由各種狀態(tài)條件標志拼湊而成的寄存器。四、操作控制器與時序產生器1.數據通路許多寄存器(部件)之間傳送信息的通路。信息從什么地方開始，中間經過哪個寄存器或多路開關，最后傳送到哪個寄存器，都要加以控制，由操作控制器的部件來完成的。2.操作