学学期课程教案计算机组成陈立伟

1、个人资料整理 仅限学习使用运算机科学与技术学院课 程 教 案学 期 20222022学年 第 2 学期课程名称 运算机组成原理授课对象 运算机 2022级学 时 数 64 学时教案大纲运算机组成原理教案大纲）教材名称 2022 参考教材运算机组成原理,唐朔飞,高等出版社,1）运算机组成原理,罗克露,单立平,刘辉,俸志刚,电子工业出版社,2022 2）王闵编著,运算机组成原理 .电子工业出 版社.2022.1主讲老师 陈立伟西南科技高校运算机科学与技术学院 个人资料整理 仅限学习使用目录1、课程教案总体设计 3 ）2、授课方案表 . . 5 ）3、课程教案 8 ）4、课程教案总结 25 ）个人资

2、料整理 仅限学习使用1、运算机组成原理课程教案总体设计一、课程性质和任务本课程是运算机专业一门重要的主干课程；课程的任务是使同学把握运算机组成部件的工作原理、规律实现、设计方法及将各部件连接成整机的方法,强调建立 CPU 级和硬件 系统级的整机概念,培育同学对运算机硬件系统的分析、开发与设计的才能；该课程是计 算机硬件系列课程的重要先修基础；二、教案内容1）概论 信息的数字化表示、储备程序与冯诺依曼体制；运算机系统的层次结构；运算机硬件系统组织；把握：关系到运算机工作原理的几个重要概念,如信息数字化、储备程序等；明白：运算机系统的层次结构和硬件系统组织；2） 信息的表示 数据信息的表示：数制、

3、码制、定点数和浮点数的表示；指令信息的表示：指令格式、寻址方式、指令的功能和类型；把握：数制转换和码制转换的方法,简化地址结构的方法,常用寻址方式；明白：常见指令格式和常见指令类型,定点数和浮点数的表示范畴；,CPU 的工作机制 指令执行流程与有关的把握：有关概念 组合规律掌握与微程序掌握、同步掌握与异步掌握等）,几种四就 运算方法 补码加减法、原码乘法、补码乘法、原码除法和补码除法）,组合规律掌握器与 微程序掌握器设计的基本方法；明白：浮点四就运算流程,微指令设计方法；自学：提高CPU 性能的一些措施和典型CPU 简介；4） 储备子系统 概述：储备系统的层次结构,储备原理简述,存取方式；半导

4、体储备单元与储备芯 片；主储备器组织：半导体储备器规律设计,动态储备器刷新,主存与 CPU 的连接,主存 校验；磁表面储备原理,光记录原理；储备系统组织：并行主存系统,高速缓存,虚拟存 储器；娴熟把握：半导体储备器的规律设计方法；把握：静态储备器和动态储备器储备信息的原理,动态刷新原理,存取方式；明白：储备系统的组成,常用磁记录方式原理；自学：高速缓存原理,虚拟储备原理等；5） 输入 /输出系统个人资料整理 仅限学习使用概述：直接程序传送方式及接口；程序中断方式及接口；DMA 方式及接口；系统总线；娴熟把握：中断、DMA 等 I/O 传送掌握机制,中断接口的基本设计方法；把握： I/O 接口的

5、基本组成和功能,总线组成及其基本操作过程；6）输入 /输出 I/O 设备及 I/O 接口 概述 :键盘及接口；显示设备及接口；打印设备及接口；磁盘储备器及接口；光盘储备 器及接口；要求通过对常用 I/O 设备原理的介绍 娴熟把握：显示缓冲储备器与屏幕显示的对应关系；把握：键盘扫描工作原理,磁盘信息分布、磁盘寻址信息和指标体系,磁盘接口及磁 盘调用过程；明白： CRT 显示器的工作原理,打印机的基本结构与工作过程；自学：光盘储备器及接口,有关设备接口的组成及工作原理；三、教案支持服务1教案服务 在每学期开课前,准时向同学供应该课程使用的教案媒体类型,课程教案支配与进 度,网上辅导、集中辅导时间及

6、内容,期末复习支配等2辅导的交互,面授辅导 1）挑选同学便利的时间支配同学到校集中讲解、答疑；要求在集中面授辅导之前,学 生已经通过自主学习或小组争论解决了一些疑难问题2）开设电子信箱,供信息沟通、收发作业、解题答疑等四、教案环节与教案方式本课程主要的教案环节与教案方式包括：课堂教案、网络辅导、答疑、BBS 争论、课 程实践、形成性考核、复习、考试等；采纳案例教案并结合演示让同学懂得和把握各种算 法设计方法,通过课堂争论、课后作业和试验训练,加强同学对各种算法设计方法的把握五、平常作业本课程强调对同学实际应用才能的培育、训练,强调对教案过程的监控；规定每门课 程的作业要占肯定的成果六、考核考

7、核 以 闭 卷 考 试 方 式 进 行 , 成 绩 由 学 生 的 出 勤 及 作 业 情 况 10% ） 、 实 验 成 绩20%）、期末考试 70%）构成；个人资料整理 仅限学习使用2022 /2022 学年第 2 学期授课计划课程名称： 运算机组成原理课程代码： 143140150授课对象： 运算机 2022级学 时 数：64 学时 其中讲课： 48 学时 实 验：16 学时 执行的教案大纲 名称、制定日期）：运算机组成原理教案大纲 2022）教材 名称、编著者、出版日期）：运算机组成原理,唐朔飞,高等出版社,2022 主要参考书目：1、1）运算机组成原理,罗克露,单立平,刘辉,俸志刚,

8、电子工业出版社, 20222、王闵编著,运算机组成原理.电子工业出版社 .2022.1主讲老师： 陈立伟、张克非、贾小林 辅导老师：课程组组长 签字） : 2022 年 1 月 20 日 订个人资料整理 仅限学习使用学期授课方案周授课授课章节及内容摘要需要作业作业估别次序时间数量计时间11第一章运算机系统概论2 6 1.5 运算机软硬件概念运算机系统的层次结构运算机的基本组成冯.诺依曼运算机的1 1 0.2 运算机硬件的主要技术指标；其次章运算机的进展及应用运算机的产生3 5 1 进展及在各个不同领域的应用；22第三章系统总线6 8 2 总线的基本概念总线的分类33总线特性及性能指标总线结构和

9、总线的判优掌握及通信掌握第四章储备器44储备器分类和储备器的层次结构；6 6 1.5 主储备器构成储备器与 CPU的连接、储备器的校验、提高访存速度的措施高速缓冲储备器55帮助储备器的特点及主要技术指标磁记录原理和记录方式66磁盘储备器的结构6 5 1.5 第五章输入输出系统输入输出系统的进展简况及组成I/O 与主机的编址方式、传送方式、设备寻址77I/O 接口的功能及基本组成6 8 2 程序查询方式的工作原理及程序查询接口电路88程序中断方式的工作原理及中断服务流程3 5 1 DMA方式的特点、功能、组成及DMA 的工作过程；第六章运算机的运算方法99运算机中有符号数和无符号数的表示6 6

10、1.5 运算机中数的定点表示和浮点表示1010定点运算及相应的硬件配置浮点四就运算和算术规律单元及进位链1111第七章指令系统个人资料整理 仅限学习使用机器指令的一般格式 操作数类型和操作类型 指令的地址格式和寻址方式1212指令格式举例和RISC技术6 7 2 第八章 CPU的结构和功能1313CPU的功能及结构框图指令周期指令流水1414中断系统3 第九章掌握单元微操作命令的分析工作周期1515掌握单元的外特性多级时序系统掌握方式和掌握信号实例分析；第十章掌握单元的设计16 16组合规律掌握单元框图微操作节拍支配 组合规律设计举例 微程序掌握单元框图及工作原理 微指令的编码方式 微指令地址

11、的形成方式 微指令格式 微程序设计举例 课程归纳总结及答疑说 明试验支配序号试验名称试验类别试验学时试验周次是否新增试验1 运算器试验验证性2 2 I/O 试验验证性2 3 储备器部件试验验证性2 4 指令组成试验2 验证性5 微程序设计试验设计性4 6 微掌握器读 /写时序试验设计性4 注：“ 试验类别” 一栏填写“ 验证性” 、“ 综合性” 、“ 设计性”个人资料整理 仅限学习使用运算机科学与技术学院课 程 教 案学 期 20222022学年 第 2 学期课程名称 运算机组成原理授课对象 运算机 2022级学 时 数 64 学时教案大纲运算机组成原理教案大纲 2022）教材名称 运算机组成

12、原理,唐朔飞,高等出版社,2022参考教材1）运算机组成原理,罗克露,单立平,刘辉,俸志刚,电子工业出版社,2022 2）王闵编著,运算机组成原理 .电子工业出 版社.2022.1主讲老师 陈立伟西南科技高校运算机科学与技术学院 个人资料整理 仅限学习使用运算机科学与技术学院课程教案章节基 本 内 容教 学 目 标重点 难 点作 业第一章运算机系统概论第 1 讲其次章运算机的进展及应用运算机软硬件概念、运算机系统的层次结构、运算机的基本组成、冯.诺依曼运算机的特点、运算机的硬件框图及工作过程、运算机硬件的主要技术指标；运算机的产生、进展及在各个不同领域的应用；本章概念、名词较多,这些只是为进一

13、步深化学习打下基础,只要建立运算机组成的 框架即可；冯.诺依曼运算机的特点及基本原理,运算机硬件的主要技术指标；1、3、5、6、7、8、11 教 学 组 织教案情形记录突出运算机组成的概貌和框架,使同学简洁明白地明白运算机内部的工作过程实际上是指令流和数据流在此框架内由I/O 储备器 CPU储备器 I/O 的过程,是通过逐条取指令、分析指令和执行指令来运行程序的；同时要让同学明白到当今运算机尽管进展到千变万化的程度,但其最根本的组成原理仍是基于冯 .诺依曼的结构；使同学明白到从 1946 年 ENIAC 产生到二十世纪五、六十岁月,由于构成运算机的元器件进展变化 由电子管晶体管集成电路）,使运

14、算机的性能有了很大提高,每隔 6 至 7 年,运算机便更新换代一次,运算速度约提高一个数量级；而到了二十世纪七十岁月,自从 Intel 公司生产了第一个微处理器芯片后,随着集成度成倍的提高,以每隔18 个月芯片上的晶体管数就翻一番的速度使运算机得到极为广泛的应用,以至整个社会从制造 时代进入到信息时代,显现了学问大爆炸,从而要激发同学学习本课程的 积极性和主动性；运算机科学与技术学院课程教案章节第三章系统总线第 2 讲个人资料整理 仅限学习使用基 本 总线的基本概念、总线的分类、总线特性及性能指标、总线结构和总线的判优掌握及 内 容 通信掌握；教 学 为明白决总线上各模块争夺总线的使用权,解决

15、通信双方如何获知传输开头和终止,目 标 以及通信双方如何和谐协作,总线的通信掌握是至关重要的；重点 通信双方如何和谐协作,总线的通信掌握 难 点作 业 2、5、6、7、14、15 教 学 组 织 教案情形记录要求同学明白随着运算机的进展,应用领域的不断扩大,I/O 设备的 种类和数量也越来越多；为了更好地解决I/O设备与主机之间连接的敏捷性,运算机的结构从分散连接进展成总线连接；由于各个子系统都通过总线交换信息,这就产 生了总线的瓶颈问题,影响了运算机的速度；为了克服总线瓶颈又产生了多总线结构,进一步为了设计简化,便于 保护,有利于批量生产,又提出了各种总线标准；特殊是为明白决众多部 件争用总

16、线,必需对总线进行判优掌握和通信掌握；总线分时、共享通常作法：发送部件通过 息,由打入脉冲将信息送入指定接收部件；总线实体是一组传送线与相应掌握规律；OC组件或三态门分时发送信运算机科学与技术学院课程教案章节第四章储备器 上）第 3 讲储备器分类和储备器的层次结构；主储备器包括半导体储备芯片简介、静态随机存基 本取储备器和动态随机存取储备器、只读储备器、储备器与CPU 的连接、储备器的校内 容验、提高访存速度的措施）；教 学个人资料整理仅限学习使用CPU要求同学运用以前学过的电路学问和本章所学的半导体储备芯片,设计储备器和目 标 的连接电路；重点 合理选用芯片,以及 CPU和储备器芯片之间的地

17、址线、数据线和掌握线的连接,特殊 难 点 是储备芯片片选规律的确定；作 业 1、4、5、6、7教 学 组 织 教案情形记录储备器犹如人的大脑具有记忆功能一样,是运算机组成的一个重要部 件,它直接影响到运算机储备信息的容量和运算机的运行速度；环围着运算机速度的提高,容量的扩大,促使储备器从基本组成元件 到整体结构都在不断的进展和完善；存取时间与物理地址无关随机拜访）；存取时间与物理地址有关串行拜访）；存取时间：储备器的拜访时间,读出时间,写入时间；存取周期：连续两次独立的储备器操作,间,读周期,写周期；储备器的带宽：位 / 秒；高速缓存及命中率的基本概念；读或写）所需的最小间隔时运算机科学与技术

18、学院课程教案章节基 本 内 容教 学 目 标第四章储备器 下）第 4 讲高速缓冲储备器包括 Cache 的基本结构及工作原理、Cache- 主存地址映像、替换算法）；帮助储备器包括帮助储备器的特点及主要技术指标、磁记录原理和记录方式、磁盘储备器的结构、光盘储备器的存取原理）；把握不同的Cache- 主存地址映象直接影响主存地址字段的安排及替换策略和命中率；重点 难 点个人资料整理仅限学习使用帮助储备器的特点及主要技术指标,磁盘储备器的结构；作 业9、11、12、21、25、29、38 教案情形记录教 学 组 织当今运算机大多以半导体储备器作为主储备器,以硬盘或光盘作为辅助储备器；为了更好解决储

19、备器的速度、容量和价格/ 位之间的冲突,采纳Cache- 主存和主存 - 辅存的储备器结构,使储备器的总体性能得到很大的提 高；把握各类储备器的工作原理,以及各类储备器在储备器的储备层次结 构中各自起的作用 动态 RAM 刷新,刷新与行地址有关, 集中刷新 存取周期为 0.5 1 s）, 分散刷新与集中刷新相结合；将 s） ,分散刷新 存取周期为 刷新支配在指令译码阶段,不会显现“ 死区” ；储备器的扩展：字扩展,位扩展,自位扩展；编码的最小距离：任意两组合法代码之间 二进制位数的最少差异；编码的纠错、检错才能与编码的最小距离有关；海明校验的基本概念及原理；运算机科学与技术学院课程教案章节基

20、本 内 容教 学 目 标重点 难 点第五章输入输出系统 上）第 5 讲输入输出系统的进展简况及组成、I/O与主机的编址方式、传送方式、联络方式以及设备寻址；外部设备分类及简介、I/O 接口的功能及基本组成；要对处理中断的各类软、硬件技术运用自如；要认清周期窃取的含义；要分清CPU响应中断和答应周期挪用的时间；I/O 与主机的编址方式,周期窃取的含义；作 业1、4、10、13、17 个人资料整理仅限学习使用教 学 组 织 教案情形记录输入输出系统是人机对话和人机交互的纽带和桥梁；由于输入输出设 备工作速度与运算机主机的工作速度极不匹配,为此,既要考虑到输入输 出设备工作的精确牢靠,又要充分挖掘主

21、机的工作效率,因此要求同学掌握主机与I/O 交换的三种掌握方式,即程序查询、程序中断和DMA,以及它们各自所需的硬件及软件支持；主机用输出指令或传送指令将详细设备的掌握命令按商定的代码格 式, 作为输出数据送往接口中的掌握寄存器,向外设发出命令；外设的状态信息也以某种格式放在接口的状态寄存器中,主机用输入 指令或传送指令从状态寄存器中取出有关信息进行查询、分析；如何设置掌握 / 状态寄存器是接口设计的关键；单重 中断：不答应中断现行的中断服务程序；中断服务程序；多重 中断：答应级别更高的中断源中断现行的运算机科学与技术学院课程教案章节第五章输入输出系统 组织在中断向量表中；CPU响应时由硬件直

22、接产生对应的向量地址,按地址查表,取得服务程序入口,转入相应服务程序；DMA方式直接依靠硬件实现主存与I/O间的数据传送,传送期间不需CPU程序干预；运算机科学与技术学院课程教案章节 第六章运算机的运算方法 上）第 7 讲基 本 运算机中有符号数 原码、补码、反码、移码）和无符号数的表示；运算机中数的定内 容 点表示和浮点表示；溢出判定是各种运算方法的一个难点,而定点运算和浮点运算判定溢出的方法是不同教 学 的；对于浮点运算,应特殊留意区分浮点数和用补码表示的浮点规格化形式这两个概目 标 念,前者指的是真值,后者指的是机器数,由于补码规格化数的特殊商定,两者表示的数的范畴是不同的；重点溢出判定

23、,补码规格化数的特殊商定教案情形记录难 点作 业18、20、21教 学 组 织个人资料整理 仅限学习使用要使同学熟悉到运算机内部的各种运算与人们习惯的运算是不同的,不仅运算方法有差异,就是数的表示也不同；要求同学把握运算机中有符号数、无符号数、定点数和浮点数的各种表示；要使同学把握移位、定点补码加减运算、定点原码一位乘和两位乘及补码Booth算法、定点原码和补码加减交替除法,以及浮点补码加减运算；明白不同的运算方法对运算器结构的影响,以及提高运算速度实行的各种措施,包括快速进位链的设计方法；尾数规格化：充分利用尾数的有效位数,使精度尽可能高；当 R=2时,规格化数的范畴为 1/2 |M| 1；

24、规格化方法：原码表示的正数和负数、补码的正数要使 M1=1；补码表示的负数要使 M1=0,但 1/2 除外；运算机科学与技术学院课程教案章节 第六章运算机的运算方法 下）第 8 讲基 本 定点运算 A 、B取双符号位,符号参与运算；2 C 取单符号位,符号参与移位,以打算最终是否修正；3 C 末位设置附加位Cn+1,初值为0,CnCn+1 组成判定位,打算运算操作；4 做 n+1 步操作 , 其中 n 步循环 , 最终一步不移位；运算机科学与技术学院课程教案章节第七章指令系统 上）第 9 讲基 本机器指令的一般格式、操作数类型和操作类型、指令的地址格式；内 容要求把握设计指令格式的方法,学会依

25、据指令系统的要求,确定指令字中各字段的位教 学 目 标重点 难 点作 业数及其含义；特殊是在实际机器中,指令字长不肯定等于储备字长,因此应特殊留意 各种寻址方法和地址格式的运用；设计指令格式的方法；1、2、3、4、6、8 教 学 组 织教案情形记录个人资料整理 仅限学习使用要求同学明白机器的指令系统打算了一台运算机的功能,而一旦运算 机的指令系统确定以后,运算机的硬件必需赐予支持；指令系统主要表达在它的操作类型、数据类型、地址格式和寻址方法 等方面；总线数据通路结构：为了使数据传送掌握简洁、集中,采纳以 ALU 为 CPU 与系 中心的总线结构；包括四个部分：ALU 部件、寄存器组、内总线、统

26、总线的连接；当用一些硬件资源代替指令字中的地址码字段：可扩大指令的寻址范 围,可缩短指令字长,可削减访存次数；指令格式：指令字长、操作码位数；寻址方式、是否采纳扩展操作 码；地址码位数、地址个数；运算机科学与技术学院课程教案章节第七章指令系统 下）RISC技术；第 10 讲基 本和寻址方式、指令格式举例和内 容要求把握设计指令格式的方法,学会依据指令系统的要求,确定指令字中各字段的位教 学 目 标重点 难 点作 业数及其含义；特殊是在实际机器中,指令字长不肯定等于储备字长,因此应特殊留意 各种寻址方法和地址格式的运用；寻址方法和地址格式的运用；9、10、12、13、16、21教 学 组 织教案

27、情形记录个人资料整理 仅限学习使用要求同学把握不同的寻址方式对操作数寻址范畴以及对编程的影响,把握不同的寻址方式所要求的硬件和信息的加工过程；时钟周期时间 1 微秒完成一步操作,包括：一次从 M 读出,并经数据通路传送的操作；或一次数据通路传送操作；或一次向 M写入的操作；明白 RISC的主要特点及其与 CISC的区分；寻址方式：确定 本条指令 的 操作数地址,下一条 欲执行 指令 的指令地址；寻址方式：寄存器寻址,寄存器间址,自减型寄存器间址,立刻 / 自增型寄存器间址,变址,跳步等；RISC 选用使用频率较高的一些简洁指令,复杂指令的功能由简洁指令来组合；流水技术一个时钟周期内完成一条指令

28、；运算机科学与技术学院课程教案章节基 本 内 容教 学 目 标重点 难 点作 业第八章 CPU的结构和功能第 11 讲CPU的功能及结构框图、指令周期、指令流水和中断系统 通用寄存器：存放操作数,可作某种寻址方式所需的专用寄存器；2 数据寄存器：存放操作数 存放双倍字长数据； 地址寄存器：存放地址,其位数应满意最大的地址范畴,用于特 殊的寻址方式：段基值、栈指针；4 条件寄存器：存放条件码,可作程序分支的依据；运算机科学与技术学院课程教案章节基 本 内 容教 学 目 标重点 难 点作 业第九章掌握单元 上）第 12 讲微操作命令的分析按取指周期、间址周期、执行周期和中断周期分析不同指令的微操作

29、命令）；懂得掌握单元为完成不同指令所发出的各种操作命令,以及指令周期、机器周期、时钟周期与操作命令的关系；CPU的掌握方式,微操作命令的分析及多级时序系统；取指周期、间址周期、执行周期和中断周期的功能特点；1、3、4、6 教 学 组 织教案情形记录个人资料整理 仅限学习使用懂得掌握单元为完成不同指令所发出的各种操作命令,以及指令周 期、机器周期、时钟周期与操作命令的关系；运算机能够有条不紊地自动执行程序,很重要的一个缘由就是它有一 个供应精确时间信号的时序系统；时序系统产生运算机所需要的各种时间 信息,如周期、节拍、工作脉冲等；这些信号的产生依据是一个频率稳固的振荡器,以及计数分频器或倍 频器

30、；一个机器周期内可完成如干个微操作；每个微操作需肯定的时间；将一个机器周期分成如干个时间相等的时间段 时钟周期掌握产生一个或几个微操作命令；节拍、状态、时钟周期）；用同步掌握方式：任一微操作均由统一基准时标的时序信号掌握；采纳 完全统一的机器周期和节拍,采纳不同节拍的机器周期,采纳中心掌握和 局部掌握相结合的方法；异步掌握方式：无基准时标信号；无固定的周期节拍和严格的时钟同 步；采纳 应答方式；运算机科学与技术学院课程教案章节基 本 内 容教 学 目 标重点 难 点作 业第九章掌握单元 下）第 13 讲掌握单元的外特性、多级时序系统、掌握方式和掌握信号实例分析；懂得掌握单元为完成不同指令所发出

31、的各种操作命令,以及指令周期、机器周期、时钟周期与操作命令的关系；CPU的掌握方式,微操作命令的分析及多级时序系统；CPU的掌握方式,微操作命令的分析；8、9、11 教 学 组 织教案情形记录个人资料整理 仅限学习使用CPU的掌握方式,微操作命令的分析及多级时序系统；运算机科学与技术学院课程教案章节基 本 内 容教 学 目 标重点 难 点作 业第十章掌握单元的设计 上）第 14 讲组合规律设计包括组合规律掌握单元框图、微操作节拍支配、组合规律设计举例）；初步把握掌握单元的两种设计方法,从而进一步懂得组合规律掌握器和微程序掌握器 在设计思想、硬件组成及其工作原理方面的不同；组合规律掌握器和微程序掌握器在设计思想