计算机体系结构(计算机组成原理)教案

计算机体系结构（计算机组成原理）教案何永玲2010年2月第

一

章计算机

系统概论（2.5学时）主要内容：计算机系统中软件和硬件的基本概念、计算机系统的层次结构、冯诺依曼计算机的特点、计算机硬件的基本组成、计算机的工作过程、计算机系统的性能指标。

难点：计算机系统的层次结构

重点：冯诺依曼计算机的特点、计算机硬件的基本组成第

二

章计算机的发展及应用（0.5学时）主要内容：计算机的产生和发展过程、计算机的应用领域第

三

章系统总线（5学时）主要内容：总线的基本概念、总线的分类、总线的组成及性能指标、总线结构、总线判优控制和总线通信控制。难点：总线通信控制

重点：总线的组成及性能指标第

四

章存储器（7学时）主要内容：存储器的分类、存储器的分层结构、半导体随机存取存储器的组织、只读存储器、主存储器与CPU的连接、主存储器的校验、多体交叉编址存储器、高速缓冲存储器Cache的基本原理、Cache和主存之间的地址映射、替换算法、磁表面存储器的主要技术指标、磁表面存储器的基本原理和磁记录方式、磁盘存储器、磁带存储器、循环冗余校验码、光盘存储器

难点：半导体随机存取存储器的组织、主存储器与CPU的连接、Cache和主存之间的地址映射、磁表面存储器的基本原理和磁记录方式、循环冗余校验码

重点：存储器的分层结构、高速缓冲存储器Cache的基本原理、磁表面存储器的主要技术指标第

五

章输入输出

系统（10学时）主要内容：输入输出系统的组成、外部设备（计算机基础中已介绍过，本课程不作要求）、I/O接口的职能和分类、I/O设备和主机的联系方式、程序查询方式、程序中断方式、DMA方式

难点：I/O端口的编址方式、中断方式的接口电路、DMA接口电路、DMA过程

重点：I/O接口的职能、I/O端口的编址方式、中断过程、DMA过程第

六

章计算机的

运算方法（9学时）主要内容：真值和机器数、无符号数的表示和作用、定点数的表示（计算机基础中已介绍过，包括原码表示、补码表示和反码表示）、浮点数的表示(包括浮点数的形式、浮点数的规格化、浮点数的表示范围、IEEE754标准)、定点数运算（包括移位运算、加减运算、乘法运算、除法运算）、浮点数运算、算术逻辑单元ALU和快速加法器

难点：浮点数的规格化、浮点数的表示范围、定点数的乘法运算、定点数的除法运算、浮点数的运算、算术逻辑单元ALU的设计和快速进位链重点：无符号数的表示、定点数的补码表示、IEEE754浮点数标准、定点数的移位运算和加减运算、浮点数的加减运算、ALU的功能第

七

章指令系统（6学时）主要内容：指令的格式、操作数类型、数据在存储器中的存放方式、寻址方式、操作类型、CISC和RISC技术的比较、指令系统举例和分析设计

重点：数据在存储器中的存放方式、寻址方式、扩展操作码编码技术第

八

章CPU的结构和功能（6学时）主要内容：CPU的主要功能、CPU的内部结构、CPU中寄存器的组织、指令的执行过程、指令流水线、中断系统（包括中断的作用、中断源的种类、中断判优机制、中断过程、中断屏蔽和多重中断）

难点：指令流水线、中断判优、中断屏蔽和多重中断

重点：CPU的主要功能、指令的执行过程、中断过程第

九

章控制单元（4学时）重要内容：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命令）、控制单元的外特性、多级时序系统、控制方式和控制信号实例分析。重点：理解控制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。难点：CPU的控制方式，微操作命令的分析及多级时序系统。第

十

章执行单元（4学时）重要内容：组合逻辑设计（包括组合逻辑控制单元框图、微操作节拍安排、组合逻辑设计举例）；微程序设计（包括微程序控制单元框图及工作原理、微指令的编码方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序设计举例）。重点：要求初步掌握控制单元的两种设计方法，从而进一步理解组合逻辑控制器和微程序控制器在设计思想、硬件组成及其工作原理方面的不同。结合时序系统的概念，学会按不同指令要求，写出其相应的微操作命令及节拍安排。难点：微程序控制是一种更规范的控制方法，学会如何确定微指令格式，编出微指令的码点是本章的难点。一、学时分配与详细内容：第一章计算机系统概论（2.5学时）知识点：计算机软硬件概念、计算机系统的层次结构、计算机的基本组成、冯•诺依曼计算机的特点、计算机的硬件框图及工作过程、计算机硬件的主要技术指标和本书结构及学习指南。重点：本章重点突出计算机组成的概貌和框架，如下图1所示。由此使学生简洁明了地了解计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→存储器→CPU→存储器→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。同时要让学生了解到当今计算机尽管发展到千变万化的程度，但其最根本的组成原理还是基于冯•诺依曼的结构。难点：本章概念、名词较多，这些只是为进一步深化学习打下基础，因此严格讲本章没什么难点，只要建立计算机组成的框架即可。对指令和数据都以0或1代码存于存储器中，计算机如何区分它们这一问题，应特别注意重点理解。CPUCPU内部互连ALUCU寄存器中央处理器寄存器和解码器控制单元排队逻辑控制存储器I/O系统总线存储器CPU计算机图1教材内容组织框图第二章计算机的发展及应用（0.5学时）知识点：计算机的产生、发展及在各个不同领域的应用。重点：使学生了解到从1946年ENIAC诞生到二十世纪五、六十年代，由于构成计算机的元器件发展变化（由电子管→晶体管→集成电路），使计算机的性能有了很大提高，每隔6至7年，计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年代，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计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，出现了知识大爆炸，从而要激发学生学习本课程的积极性和主动性。第三章系统总线（5学时）知识点：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控制及通信控制。重点：要求学生了解随着计算机的发展，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灵活性，计算机的结构从分散连接发展成总线连接。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，影响了计算机的速度。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，便于维护，有利于批量生产，又提出了各种总线标准。特别是为了解决众多部件争用总线，必须对总线进行判优控制和通信控制。难点：为了解决总线上各模块争夺总线的使用权，解决通信双方如何获知传输开始和结束，以及通信双方如何协调配合，总线的通信控制是至关重要的。第四章存储器（7学时）知识点：存储器分类和存储器的层次结构；主存储器（包括半导体存储芯片简介、静态随机存取存储器和动态随机存取存储器、只读存储器、存储器与CPU的连接、存储器的校验、提高访存速度的措施）；高速缓冲存储器（包括Cache的基本结构及工作原理、Cache--主存地址映像、替换算法）；辅助存储器（包括辅助存储器的特点及主要技术指标、磁记录原理和记录方式、磁盘存储器的结构、光盘存储器的存取原理）。重点：存储器如同人的大脑具有记忆功能一样，是计算机组成的一个重要部件，它直接影响到计算机存储信息的容量和计算机的运行速度。围绕着计算机速度的提高，容量的扩大，促使存储器从基本组成元件到整体结构都在不断的发展和完善。当今计算机大多以半导体存储器作为主存储器，以硬盘或光盘作为辅助存储器。为了更好解决存储器的速度、容量和价格/位之间的矛盾，采用Cache-主存和主存-辅存的存储器结构，使存储器的总体性能得到很大的提高。学生必须掌握各类存储器的工作原理，以及各类存储器在存储器的存储层次结构中各自起的作用。难点：要求学生运用以前学过的电路知识和本章所学的半导体存储芯片，设计存储器和CPU的连接电路。注意要合理选用芯片，以及CPU和存储器芯片之间的地址线、数据线和控制线的连接，特别是存储芯片片选逻辑的确定。本章另一个难点是掌握不同的Cache-主存地址映象直接影响主存地址字段的分配及替换策略和命中率。第五章输入输出系统（10学时）知识点：输入输出系统的发展概况及组成、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；程序查询方式的工作原理及程序查询接口电路；程序中断方式的工作原理及程序中断接口电路、中断服务流程；DMA方式的特点、DMA接口电路的功能、组成、类型及DMA的工作过程。重点：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计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准确可靠，又要充分挖掘主机的工作效率，因此要求学生掌握主机与I/O交换的三种控制方式，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。难点：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响应中断和允许周期挪用的时间。第六章计算机的运算方法（9学时）知识点：计算机中有符号数（原码、补码、反码、移码）和无符号数的表示；计算机中数的定点表示和浮点表示；定点运算（算术移位和逻辑移位、补码加减、原码补码乘法、原码补码除法）及相应的硬件配置；浮点四则运算和算术逻辑单元及进位链。重点：要使学生认识到计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。要求学生掌握计算机中有符号数、无符号数、定点数和浮点数的各种表示，以及移位、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。了解不同的运算方法对运算器结构的影响，以及提高运算速度采取的各种措施，包括快速进位链的设计方法。难点：溢出判断是各种运算方法的一个难点，而定点运算和浮点运算判断溢出的方法是不同的。对于浮点运算，应特别注意区分浮点数和用补码表示的浮点规格化形式这两个概念，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约定，两者表示的数的范围是不同的。本章的另一个难点是掌握原码和补码运算的最根本的区别在于对符号位的处理。原码乘除法结果的符号均和数值部分的运算分开进行，而补码乘除法结果的符号是在数值部分的运算过程中自动形成的。值得注意的是机器内只设加法器，故全部减法运算实质是通过加法操作实现的，这就有一个对减数求“补”的问题。原码除法中减去除数的绝对值，一律用加上除数绝对值的补码实现。应特别注意[-x]补和[-x*]补的区别，其中x*是真值x的绝对值。本章的第三个难点是，若浮点数的阶码采用移码运算时，其运算规则和溢出判断规则与补码运算是不同的。第七章指令系统（6学时）知识点：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、指令格式举例和RISC技术。重点：要求学生了解机器的指令系统决定了一台计算机的功能，而一旦计算机的指令系统确定以后，计算机的硬件必须给予支持。指令系统主要体现在它的操作类型、数据类型、地址格式和寻址方法等方面。要求学生掌握不同的寻址方式对操作数寻址范围以及对编程的影响，掌握不同的寻址方式所要求的硬件和信息的加工过程。还应了解RISC的主要特点及其与CISC的区别。难点：要求掌握设计指令格式的方法，学会根据指令系统的要求，确定指令字中各字段的位数及其含义。特别是在实际机器中，指令字长不一定等于存储字长，因此应格外注意各种寻址方法和地址格式的运用。第八章CPU的结构和功能（6学时）知识点：CPU的功能及结构框图、指令周期、指令流水和中断系统（包括引起中断的各种因素，中断系统所需解决的共性问题，如中断请求标记、中断判优、中断响应、中断服务、中断返回、多重中断等）。重点：要认识到机器的核心是CPU，通过对CPU的功能和内部结构的了解，掌握机器完成一条指令的全过程是在CPU的统一指挥下进行的，而且CPU在不同的工作周期内访存的性质是不同的。此外还应掌握中断技术在提高整机效能方面所起的作用，以及为了进一步提高数据的处理能力，开发系统的并行性，在现代计算机中大量采用流水技术。难点：中断技术在现代计算机中起着重要作用。为了更好地吃透这一内容，建议结合第五章学习，便于建立整机概念。第九章控制单元（4学时）知识点：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命令）、控制单元的外特性、多级时序系统、控制方式和控制信号实例分析。重点：理解控制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。难点：CPU的控制方式，微操作命令的分析及多级时序系统。第十章控制单元的设计（4学时）知识点：组合逻辑设计（包括组合逻辑控制单元框图、微操作节拍安排、组合逻辑设计举例）；微程序设计（包括微程序控制单元框图及工作原理、微指令的编码方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序设计举例）。重点：要求初步掌握控制单元的两种设计方法，从而进一步理解组合逻辑控制器和微程序控制器在设计思想、硬件组成及其工作原理方面的不同。结合时序系统的概念，学会按不同指令要求，写出其相应的微操作命令及节拍安排。难点：微程序控制是一种更规范的控制方法，学会如何确定微指令格式，编出微指令的码点是本章的难点。二、讲授中应注意的方法本课程要求学生树立计算机的整机工作原理，及对计算机各子系统的功能及设计或选取方法有初步的认识和掌握，因此讲好本课程要做到：

1.教师本身必须对本课程的基本内容非常熟悉，并能融会贯通，也即要求本身基础非常扎实。2.讲授本课程必须从宏观到微观，必须自上而下地给学生讲述计算机的整机概貌，让学生首先摆脱“电脑”神秘化的枷锁，用通俗易懂的方法，使学生学会用辩证唯物主义的思维方法去认识、了解并掌握计算机的组成及其工作原理。

3.在宏观认识整机概貌的基础上，带领学生逐级剖析计算机的基本组成，如系统总线、存储器、输入输出系统、中央处理器等等。而在逐级剖析过程中，既要使学生时刻不忘整机工作的需要，