計算機組成原理 譚志虎 微課版（第1、2章）教案 計算機系統(tǒng)概述、數據信息的表示

計算機系統(tǒng)概述參考學時2學時。教學目標（能力要求）系統(tǒng)梳理計算機軟硬件系統(tǒng)的發(fā)展歷程，激發(fā)學生專業(yè)熱情，結合我國計算機發(fā)展面臨的卡脖子現狀，鼓勵學生積極投身信息成業(yè)自主可控；學生能簡單描述計算機軟硬件系統(tǒng)的發(fā)展歷程及代表性特征；學生能列舉馮諾依曼計算機基本構成，解釋其工作原理與主要特征，并能利用相關原理辨別非馮諾依曼結構；學生可簡單對軟件進行基本分類，能解釋高級語言程序執(zhí)行成二值邏輯的一般流程；學生可闡述計算機系統(tǒng)層次結構及其好處；學生可辨析常用的計算機性能指標以及評價方法，能進行CPI、MIPS、CPU執(zhí)行時間等性能指標的簡單運算，能使用常見測試工具對計算機基本性能指標進行測試。教學重點和難點教學重點：“存儲程序”與“程序控制”、計算機系統(tǒng)層次結構、CPI與MIPS的計算教學難點：單一指標評價計算機性能的潛在問題，如何科學評價計算機系統(tǒng)性能。教學主要內容計算機發(fā)展歷程（45分鐘）原始計算工具到電子計算機發(fā)展史電子計算機發(fā)展歷史與規(guī)律我國計算機技術的發(fā)展概況計算機系統(tǒng)的組成（20分鐘）計算機硬件系統(tǒng)（馮諾依曼計算機組成及工作原理）計算機軟件系統(tǒng)（軟件分類以及高級語言程序執(zhí)行過程）計算機系統(tǒng)的層次結構（5分鐘）系統(tǒng)層次結構、各層次之間的關系軟件和硬件的邏輯功能等價性計算機性能指標（20分鐘）非時間指標：機器字長、主存容量、總線位寬時間指標：吞吐量、響應時間、CPU時鐘周期、主頻、CPI、IPC、CPU執(zhí)行時間;MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS。性能測試方法（如何綜合評價計算機性能）教學過程與方法計算機發(fā)展歷程（45分鐘）原始計算工具到電子計算機發(fā)展史這一部分作為整個課程的導入，根據四個階段的標志性事件講解計算機發(fā)展歷史，穿插一些有趣的傳奇故事，激發(fā)學生對課程的學習興趣。具體包括PASCAL加法機發(fā)明的目的，萊布尼茲乘法機與加法機的關系，巴貝奇“揭榜掛帥”建造差分機的傳奇，第一個程序媛Ada的故事，編程與編織花布的故事，科學家圖靈破譯德軍“謎”電碼，哈佛mark系列計算機與第一個計算機Bug，ABC計算機與ENIAC的淵源與糾葛，華人電腦英雄王安的傳奇，硅谷八叛逆與仙童公司的前世今生。PPT課件中提供了較為詳實的內容，教師可以根據自己的需要控制時間進行講述，以上這些故事素材可以在網上百度了解。結合前述計算機發(fā)展歷史引出現代計算機理論基礎:布爾代數、計算機開關電路、圖林機、阿塔納索夫三原則、維納現代計算機五原則、馮諾依曼計算機原理。簡單介紹圖靈機基本原理，也可以結合最新的chatgpt講講圖靈測試?？偨Y100年計算機技術發(fā)展的歷史變革和三類計算機的標志性部件與原理。電子計算機發(fā)展歷史與規(guī)律用表格形式介紹電子計算機發(fā)展的四個階段、代表性特征、整體發(fā)展規(guī)律。介紹一些計算機領域經典的發(fā)展規(guī)律，進一步引出摩爾定律。引導學生仔細觀察頻率曲線和晶體管數目曲線的差異，2000年左右頻率達到極限，處理器芯片向結構優(yōu)化多核方向發(fā)展。以103機為例介紹我國計算機發(fā)展的歷史。介紹我國CPU設計領域現狀以及面臨的困境，激勵學生投身信息產業(yè)自主可控國家戰(zhàn)略。計算機系統(tǒng)的組成（20分鐘）計算機硬件系統(tǒng)（馮諾依曼計算機組成及工作原理）簡要介紹馮諾依曼計算機的硬件組成，重點講解存儲程序，程序控制的基本原理。計算機軟件系統(tǒng)（軟件分類以及高級語言程序執(zhí)行過程）簡單介紹軟件系統(tǒng)分類、重點強調高級語言程序執(zhí)行的完整流程。計算機系統(tǒng)的層次結構（5分鐘）系統(tǒng)層次結構、各層次之間的關系利用上圖講解計算機層次結構，重點強調抽象分層的主要益處。軟件和硬件的邏輯功能等價性硬件和軟件在功能上的分配關系隨著技術的發(fā)展而變化。部分功能既可以由硬件實現，也可以由軟件實現，從用戶的角度來看它們在功能上是等價的。計算機性能指標（20分鐘）非時間指標：機器字長、主存容量、總線位寬時間指標：吞吐量、響應時間、CPU時鐘周期、主頻、CPI、IPC、CPU執(zhí)行時間;MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS。CPI(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s11)CPI(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s12)CPI指標定義以及計算方法，以X86手冊中不同指令的時鐘周期數說明CPI概念。T(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s13)T(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s14)CPU執(zhí)行時間定義以及計算方法。MIPS(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s15)MIPS(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s16)M(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s17)MIPS、MFLOPS指標定義以及計算方法。結合具體實例幫助學生掌握CPI、MIPS、CPU執(zhí)行時間等性能指標的簡單運算。性能測試方法（如何綜合評價計算機性能）以兩款CPU性能比較引出性能測試和評價，介紹常見CPU性能測試方法與指標。以性能測試實例：超級計算機500強榜單激發(fā)學生民族自信，借禁運事件，中美貿易戰(zhàn)事件引導學生積極投身國產IT生態(tài)的建設。數據信息的表示參考學時8學時。教學目標（能力要求）理解計算機數據表示的基本需求：能闡述二進制適合計算機數據表示的原因；可熟練進行不同進制間數據的轉換；能解釋數據表示范圍、表示精度、溢出等基本概念。掌握機器碼基本概念和表示方法：能描述不同機器碼的定義；能區(qū)分原碼、反碼、補碼、移碼的差異與優(yōu)缺點；可熟練進行不同編碼的相互轉換；能利用補碼的進行手工加減法運算。理解定點數的基本原理：能描述計算機中定點數的基本原理，能給出定點數的表示范圍和最小精度；能夠分析定點數相對于浮點數的優(yōu)勢和局限性，包括計算效率、存儲需求、精度等方面的比較。掌握浮點數基本概念和IEEE754標準：能描述浮點數的表示需求、發(fā)展歷史和在計算機科學中的重要作用；能解釋浮點數表示方法，能區(qū)分單精度和雙精度浮點數表示差異，能根據使用需求選擇合適的浮點數表示；能依據浮點數格式熟練進行IEEE754編碼與真值的互相轉換；能區(qū)分規(guī)格化數和非規(guī)格化數的表示范圍；能夠識別和解決在IEEE754浮點數表示和計算中常見的問題和異常，如舍入誤差、溢出、下溢、精確性異常、結合律異常、NaN非數、無窮大、除零錯誤等。理解高級語言中不同數據類型的底層邏輯：能根據數據表示相關原理解釋分析C語言中整型、浮點型數據表示和運算中出現的各種“異?！?。掌握字符型數據在計算機內部的表示：能簡單區(qū)分不同字符集（ASCII、GB2312、Unicode、UTF-8）標準字符定義、占用空間的差異，可根據需求選擇合適的標準，可解釋解內存中字符串數據的特征。了解碼制的基本概念和特點：能解釋8421碼、余3碼、格雷碼的編碼特點和運算結果校正問題，能區(qū)分有權碼和無權碼。掌握校驗碼基本原理和應用：可描述校驗碼的基本原理和應用場合，理解碼距和編碼檢錯和糾錯能力之間的關系；掌握奇偶校驗碼、海明碼、CRC校驗碼的編碼規(guī)則，能生成校驗碼或對校驗編碼進行檢錯/糾錯；能區(qū)分不同校驗碼的檢錯和糾錯能力，分析他們的適用性和局限性；能根據實際需要設計和實現數據通信或存儲中的校驗碼方案，以確保數據的可靠傳輸和存儲。教學重點和難點教學重點：補碼表示與計算機中的數據類型教學難點：IEEE754標準，浮點數特性，海明編碼設計，循環(huán)冗余校驗碼編解碼教學主要內容數值表示的作用（15分鐘）計算機數據表示需求進位計數制及其相互轉換數值數據的表示（180分鐘）數的機器碼表示（60分鐘）真值與機器碼的區(qū)分四種機器碼定義與區(qū)別定點數表示（無符號、有符號）（30分鐘）浮點數表示（IEEE754標準）（70分鐘）十進制數（5分鐘）計算機中的數據類型（15分鐘）非數值數據的表示（25分鐘）字符表示(字符串)漢字編碼數據信息的校驗（160分鐘）碼距與校驗（20分鐘）奇偶校驗（15分鐘）海明校驗（45分鐘）循環(huán)冗余校驗（80分鐘）教學過程與方法數值表示的作用（15分鐘）計算機數據表示需求簡單介紹計算機中數據表示的基本需求以及二進制在計算機數據表示中的優(yōu)勢。進位計數制及其相互轉換介紹二進制與其他進制之間的基本轉換方法以及簡便方法。注意磁存儲以及通訊領域中使用的SI因子不是二進制，提醒后續(xù)學生在存儲容量和傳輸速率方面進行計算時要使用10進制作為單位。數值數據的表示（180分鐘）數的機器碼表示（60分鐘）真值與機器碼的區(qū)分簡要介紹真值和機器碼的區(qū)別，以內存、寄存器中的數據是什么編碼為問題引出機器碼問題。四種機器碼定義與區(qū)別原碼主要思想是增加符號位（符號位在定點小數中權值為1，在定點整數中為2n），可以只接在黑板上推導出原碼的公式，1+|x|或2n+|x|，幫助學生理解原碼公式，公式不要求記憶，但應該可以推導。給出實例，演示原碼求解過程，引出原碼兩個零的問題以及原碼表示范圍，最終總結原碼表示的優(yōu)缺點。介紹反碼定義，演示反碼求解過程，引出兩個零問題，根據反碼和真值數值為相反的原理，利用|真值|+反碼=111…11(各位均為1的數)可以推導反碼公式。介紹反碼表示范圍，反碼表示優(yōu)缺點。以鐘表動畫演示為例引出補碼概念，重點強調模數的概念（時間超過12點歸零，運算超出模數要舍棄），根據模數概念引出補碼公式，比較補碼公式和前述反碼公示的差異，引出負數補碼逐位取反末位加一的求解方法。介紹補碼快速手工求解的方法掃描法，通過實例求解，解釋補碼表示只有一個機器零，區(qū)分補碼與原碼、反碼表示范圍的差異，強調補碼表示區(qū)間的非對稱性。介紹雙符號位補碼，注意強調單符號和雙符號模數的差異以及雙符號的優(yōu)勢與劣勢。介紹補碼加減法特性，總結補碼優(yōu)勢與應用場景。介紹移碼的定義、求解方法以及應用場合。詳細比較不同機器碼在數軸上的差異，加深學生對機器碼的理解和區(qū)分。對比不同機器碼的公式差異。對比不同機器碼的數據表示范圍差異，最后總結不同機器碼的實際應用場合。定點數表示（無符號、有符號）（30分鐘）首先介紹最高有效位(MSB)以及最低有效位(LSB)的概念，然后開始引出定點整數，定點小數，區(qū)分對應數據表示范圍和溢出情況。通過一個簡單的程序引出計算機中的真實數據表示問題，C語言中的整型數據到底采用是什么機器碼？通過反匯編代碼進一步解釋C語言程序底層的數據表示邏輯。簡單總結C語言中的各種數據類型、表示方法以及數據表示區(qū)間。用實際程序運行再次強化C語言中整型數據的補碼數據表示。最后對C語言中的整型數據類型進行總結。浮點數表示（IEEE754標準）（70分鐘）以一個有違常理的奇怪程序引出浮點數表示問題。以直接用兩個定點數表示浮點數整數和小數為例說明浮點數表示存在的問題,由此引出科學計數法，解釋浮點數表示的規(guī)格化問題。采用階碼和尾碼兩個定點數形式表示浮點數N=2±e×(±m(xù))，分析浮點數表示范圍和溢出情況，分析階碼和尾碼長度與浮點數表示范圍和精度的關系，給出實例展示，同時引出浮點數在數軸上密度與分布問題。介紹浮點數現行標準IEEE754的由來，講解單精度浮點數和雙精度浮點數的表示規(guī)則。以單精度浮點數為例解釋IEEE754浮點數階碼和尾碼的具體協(xié)議規(guī)格。探討IEEE754浮點數規(guī)格化數和非規(guī)格化數表示范圍。以實際C語言程序分析整數和浮點數除零問題。以實際C語言程序分析浮點數運算中的非數問題。以實際C語言程序分析浮點數表示的兩個機器零問題。分析浮點數表示范圍與精度，重點探討浮點數在數軸上的分布密度問題，由此引出浮點數運算不滿足結合律的問題。介紹浮點數據與真值之間相互轉換的流程，結合具體實例進行演示，并布置相應作業(yè)給學生課后練習。引導學生利用已學浮點數表示原理解釋先前的程序運行問題。引導學生利用已學浮點數表示原理對以上表達式進行判斷，加深浮點數理解，并進一步對C語言中的浮點數表示進行總結。十進制數（5分鐘）簡單介紹BCD碼，十進制浮點數等問題。計算機中的數據類型（15分鐘）對比匯編語言和高級語言中的數據類型。介紹高級語言中的數據類型寬度，注意指針類型。以四位整型數據的循環(huán)框展示整型數據表示范圍，溢出方式。展示C語言中不同數據類型的表示范圍。介紹C語言中整型數據類型相互轉換的具體邏輯，引導學生課后閱讀教材以及課件上給出的程序例子，這部分內容408考研經常會有出現。非數值數據的表示（25分鐘）字符表示(字符串)介紹ASCII碼表示標準，注意最高有效位MSB=0。以全零的ASCII字符表示什么意思為問題引發(fā)學生思考，引出C語言中字符串表示問題。漢字編碼介紹GB2312標準，強調編碼與ASCII編碼的差異，解釋區(qū)位碼和機內碼的區(qū)別，要求學生利用實驗實現二者的轉換。進一步引出當前的漢字國家標準以及UTF標準，幫助學生理解常用漢字編碼標準之間的差異。數據信息的校驗（160分鐘）碼距與校驗（20分鐘）以身份證編碼最后一位的x問題引出校驗的基本原理與實際應用。闡述數據校驗的目的解決編碼在時間空間上的傳輸可靠行問題（具體對應存儲和網絡傳輸），介紹數據校驗的基本原理。介紹碼距的基本概念，在黑板上給出實例，以圖片解釋碼距與抗干擾能力的關系。解釋校驗碼實際應用的完整流程，幫助學生加深理解。奇偶校驗（15分鐘）介紹奇偶校驗規(guī)則，校驗位以及檢錯位邏輯表達式。介紹奇偶校驗基本流程，啟發(fā)學生思考檢錯碼為零是否表示數據正確？進一步用實際例子解釋奇偶校驗只能識別奇數錯的檢錯特性。介紹分組交叉奇偶校驗如何提升奇偶校驗檢錯能力，引導學生思考，進一步引出海明校驗，一種特殊的分組交叉奇偶校驗方法。海明校驗（45分鐘）介紹海明校驗碼編碼規(guī)則，檢錯機制（檢錯碼的值為1位錯位置）。根據海明編碼的規(guī)則，推導海明編碼中數據位和