《計(jì)算機(jī)組成原理》教學(xué)大綱.doc

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計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)大綱本門課程的教學(xué)目標(biāo)和要求：計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成、計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示方法、計(jì)算機(jī)各硬件部件的功能和工作原理等，為學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)課打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。要求學(xué)生：1. 從總體上了解計(jì)算機(jī)硬件、軟件、計(jì)算機(jī)主要部件的基本概念；2. 掌握計(jì)算機(jī)中各種數(shù)據(jù)的表示方法；3. 掌握運(yùn)算器的功能、組成和工作原理；4. 掌握廣泛使用的各類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的工作原理和特性、主存儲(chǔ)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、多級(jí)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)；5. 掌握CPU的組成、CPU各個(gè)部件在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中的作用、如何實(shí)現(xiàn)各條指令的功能；6. 掌握指令的格式、常見的尋址方式和指令的主要類型；7. 掌握總線的概念、特性和幾種常用的總線標(biāo)準(zhǔn)；8. 掌握幾種基本的信息交換方式和常用的外圍設(shè)備的工作原理。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：本課程重點(diǎn)是：運(yùn)算方法和運(yùn)算器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、中央處理器。本課程難點(diǎn)是：存儲(chǔ)系統(tǒng)和中央處理器。教學(xué)對(duì)象：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科大學(xué)生。教學(xué)方式：采用多媒體教學(xué)。教學(xué)時(shí)數(shù)：60學(xué)時(shí)。教學(xué)具體內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配：第一章 概論（2學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)和要求：通過學(xué)習(xí)本章，使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)硬件、軟件的概念和計(jì)算機(jī)的基本組成，從總體上認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)。要求學(xué)生：1. 了解計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域；2. 了解計(jì)算機(jī)硬件的概念和基本組成；3. 了解計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：本章重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)硬件、軟件的概念和計(jì)算機(jī)的基本組成。無難點(diǎn)。教學(xué)方式：課堂講授2學(xué)時(shí)。第一節(jié) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介（0.5學(xué)時(shí)）一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)軟件、硬件概念。二、計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)將計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)。第二節(jié) 計(jì)算機(jī)的基本組成（1學(xué)時(shí)）一、數(shù)字計(jì)算機(jī)的硬件組成介紹數(shù)字計(jì)算機(jī)的基本組成。二、計(jì)算機(jī)的工作步驟介紹數(shù)字計(jì)算機(jī)的工作步驟。第三節(jié) 計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)（0.5學(xué)時(shí)）計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)。復(fù)習(xí)與思考題：1. 數(shù)字計(jì)算機(jī)如何分類？2. 數(shù)字計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用有哪些？3. 數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要組成部分有哪些？4. 計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件包括哪幾類？第二章 總線系統(tǒng) （2學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)和要求：通過學(xué)習(xí)本章，使學(xué)生掌握總線的概念和基本技術(shù)，掌握當(dāng)前流行的PCI總線的結(jié)構(gòu)。要求學(xué)生：1. 掌握總線的特性和性能指標(biāo)；2. 掌握單機(jī)系統(tǒng)中總線結(jié)構(gòu)的基本類型；3. 掌握總線傳送信息的方式；教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：本章重點(diǎn)：1. 總線的特性和性能指標(biāo)；2. 總線的仲裁方式和定時(shí)方式；本章難點(diǎn)：總線的仲裁方式和定時(shí)方式。教學(xué)方式：課堂講授2學(xué)時(shí)。第一節(jié) 總線的概念 （1學(xué)時(shí)）一、總線的基本概念介紹總線的特性和總線帶寬。二、總線的連接方式介紹單機(jī)系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)的三種類型。三、總線結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響介紹總線結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)的最大存儲(chǔ)容量、指令系統(tǒng)和吞吐量的影響。第二節(jié) 總線分類 （1學(xué)時(shí)）介紹片內(nèi)總線、系統(tǒng)總線、通信總線。復(fù)習(xí)與思考題：1. 總線的特性有哪些？如何計(jì)算總線帶寬？2. 片內(nèi)總線、系統(tǒng)總線、通信總線區(qū)別。第三章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器（16學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)和要求：通過學(xué)習(xí)本章，使學(xué)生掌握各種數(shù)據(jù)、字符在計(jì)算機(jī)中的表示方法，掌握運(yùn)算器的功能、組成和工作原理。要求學(xué)生：1. 掌握定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符和漢字的表示方法，數(shù)的機(jī)器碼表示；2. 掌握定點(diǎn)加、減法運(yùn)算、定點(diǎn)乘除法運(yùn)算、浮點(diǎn)加、減法運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)方法；3. 掌握定點(diǎn)運(yùn)算器、浮點(diǎn)運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：本章重點(diǎn)：1. 定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)的表示方法、數(shù)的機(jī)器碼表示；2. 定點(diǎn)加減法運(yùn)算、定點(diǎn)乘除法運(yùn)算、浮點(diǎn)加減法運(yùn)算；3. 定點(diǎn)運(yùn)算器。本章難點(diǎn)：定點(diǎn)乘除法運(yùn)算、浮點(diǎn)加減法運(yùn)算。教學(xué)方式：課堂講授14學(xué)時(shí)，習(xí)題課2學(xué)時(shí)。第一節(jié) 無符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù) （1學(xué)時(shí)）一、無符號(hào)數(shù)介紹無符號(hào)數(shù)表示法二、有符號(hào)數(shù)介紹無符號(hào)數(shù)表示法第二節(jié) 數(shù)的定點(diǎn)表示和浮點(diǎn)表示 （2學(xué)時(shí)）一、數(shù)的定點(diǎn)表示介紹數(shù)的定點(diǎn)表示。二、數(shù)的浮點(diǎn)表示介紹數(shù)的浮點(diǎn)表示。第三節(jié) 定點(diǎn)運(yùn)算 （8學(xué)時(shí)）一、補(bǔ)碼加法介紹補(bǔ)碼加法公式。二、補(bǔ)碼減法介紹補(bǔ)碼減法公式。三、溢出概念與檢測(cè)方法介紹溢出的概念、溢出的兩種檢測(cè)方法：雙符號(hào)位法和單符號(hào)位法。四、基本的二進(jìn)制加法/減法器介紹行波進(jìn)位的補(bǔ)碼加法/減法器。五、原碼乘法介紹原碼乘法運(yùn)算過程。六、原碼除法介紹原碼除法運(yùn)算過程。第四節(jié) 浮點(diǎn)四則運(yùn)算 （2學(xué)時(shí)）一、浮點(diǎn)加法、減法運(yùn)算介紹浮點(diǎn)加、減法運(yùn)算的操作過程。二、浮點(diǎn)乘法、除法運(yùn)算介紹浮點(diǎn)乘法、除法運(yùn)算規(guī)則和浮點(diǎn)乘、除法運(yùn)算步驟。第五節(jié) 算術(shù)邏輯單元 （1學(xué)時(shí)）一、邏輯運(yùn)算介紹邏輯非運(yùn)算、邏輯加運(yùn)算、邏輯乘運(yùn)算和邏輯異或運(yùn)算。二、多功能算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元介紹多功能算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元ALU的基本思想、邏輯表達(dá)式，還介紹了ALU芯片74181和先行進(jìn)位發(fā)生器74182的邏輯電路。復(fù)習(xí)與思考題：1. 已知一個(gè)數(shù)的原碼，如何求它的補(bǔ)碼？2. 試說明乘法器原理。3. 試說明不恢復(fù)余數(shù)陣列除法器的工作原理。4. 試說明多功能算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元的基本思想。5. 試說明浮點(diǎn)加、減法運(yùn)算的操作過程。第四章 存儲(chǔ)系統(tǒng) （10學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)和要求：通過學(xué)習(xí)本章，使學(xué)生掌握各類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的工作原理和特性、主存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充方法、多級(jí)存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)。要求學(xué)生：1. 掌握主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)；2. 掌握靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器、SRAM的結(jié)構(gòu)和工作原理；3. 掌握動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器，EPROM的工作原理；4. 掌握SRAM、EPROM與CPU連接的方法；5. 掌握Cache的工作原理、主存與Cache的地址映射方式；教學(xué)重點(diǎn)遇難點(diǎn)：本章重點(diǎn)：1. 各類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的工作原理；2. 主存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充方法；3. 虛擬存儲(chǔ)器；4. 多級(jí)存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)。本章難點(diǎn)：1. 主存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充方法；2. 虛擬存儲(chǔ)器。教學(xué)方式：課堂講授8學(xué)時(shí)，習(xí)題課2學(xué)時(shí)。第一節(jié) 存儲(chǔ)器概述（1學(xué)時(shí)）一、存儲(chǔ)器分類介紹存儲(chǔ)器的作用和存儲(chǔ)器的五種分類方法。二、存儲(chǔ)器的分級(jí)結(jié)構(gòu)介紹多級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和每級(jí)存儲(chǔ)器的職能。三、主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)介紹主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)。第二節(jié) 主存儲(chǔ)器 （4學(xué)時(shí)）一、SRAM存儲(chǔ)器主要介紹SRAM存儲(chǔ)器的原理、SRAM存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)、SRAM存儲(chǔ)器芯片與CPU的連接方式。二、DRAM存儲(chǔ)器介紹DRAM存儲(chǔ)元的工作原理、DRAM存儲(chǔ)器芯片和DRAM的刷新。三、主存儲(chǔ)器與CPU的連接第三節(jié) Cache存儲(chǔ)器 （2學(xué)時(shí)）一、Cache基本原理介紹Cache的功能、工作原理、Cache的命中率。二、主存與Cache的地址映射介紹三種映射方式：全相聯(lián)映射、直接映射和組相聯(lián)映射。三、替換策略介紹常用的三種替換算法。四、Cache的寫操作策略介紹三種寫操作策略。五、奔騰PC機(jī)的Cache奔騰PC機(jī)采用兩極Cache結(jié)構(gòu)，集成在CPU內(nèi)的是一級(jí)Cache，安裝在主板上的是二級(jí)Cache。第四節(jié) 輔助存儲(chǔ)器 （1學(xué)時(shí)）一、硬盤的原理介紹硬盤的儲(chǔ)存原理。復(fù)習(xí)與思考題：1. 在設(shè)計(jì)主存儲(chǔ)器時(shí)，如何將存儲(chǔ)器芯片與CPU連接？2. 在三級(jí)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)中，各級(jí)存儲(chǔ)器的職能是什么？3. 主存與Cache的地址映射方式有那三種？4. 試說明段頁式虛擬存儲(chǔ)器地址變換過程。第五章 指令系統(tǒng) （7學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)和要求：通過學(xué)習(xí)本章，使學(xué)生掌握指令的格式、地址碼的結(jié)構(gòu)、指令和數(shù)據(jù)的尋址方式、指令的類型，為下一章分析CPU的組織打下基礎(chǔ)。要求學(xué)生：1. 掌握指令的格式和地址碼的結(jié)構(gòu)；2. 掌握指令和數(shù)據(jù)的尋址方式；3. 掌握堆棧的概念和兩種堆棧的結(jié)構(gòu)；4. 掌握指令的分類；5. 掌握精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的特點(diǎn)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：本章重點(diǎn)：指令的格式、地址碼的結(jié)構(gòu)和尋址方式。本章無難點(diǎn)。教學(xué)方式：課堂講授6學(xué)時(shí)，習(xí)題課1學(xué)時(shí)。第一節(jié) 機(jī)器指令 （0.5學(xué)時(shí)）一、機(jī)器指令格式介紹機(jī)器指令格式。二、機(jī)器指令字長(zhǎng)介紹機(jī)器指令字長(zhǎng)。第二節(jié) 操作數(shù)類型和操作類型 （1.5學(xué)時(shí)）一、操作數(shù)類型二、操作類型第三節(jié) 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 （3學(xué)時(shí)）一、指令的尋址方式指令的尋址方式有兩種：一種是順序?qū)ぶ贩绞剑硪环N是跳躍尋址方式。二、操作數(shù)的尋址方式介紹了九種尋址方式。三、尋址方式舉例第四節(jié) RISC和CISC （1學(xué)時(shí)）一、RISC介紹介紹RISC概念。二、CISC介紹介紹CISC概念。復(fù)習(xí)與思考題：1. 試說明指令操作碼、地址碼的功能和地址碼的結(jié)構(gòu)。2. 試說明操作數(shù)的尋址方式有哪幾種。3. 試說明存儲(chǔ)器堆棧進(jìn)棧和出棧的操作過程。第六章 中央處理器 （23學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)和要求：通過學(xué)習(xí)本章，使學(xué)生掌握CPU的功能和邏輯組成，從指令流程和微操作命令序列這兩個(gè)層次上懂得計(jì)算機(jī)是如何工作的。要求學(xué)生：1. 掌握CPU的功能和基本組成；2. 掌握指令的執(zhí)行過程；3. 掌握微程序控制器的工作原理；4. 掌握機(jī)器指令與微指令的關(guān)系；5. 掌握微程序設(shè)計(jì)技術(shù)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：本章重點(diǎn)：CPU的功能和基本組成；微程序控制器的工作原理；微程序設(shè)計(jì)技術(shù)。本章難點(diǎn)：微程序設(shè)計(jì)技術(shù)。教學(xué)方式：課堂講授19學(xué)時(shí)，習(xí)題課4學(xué)時(shí)。第一節(jié) CPU的功能和結(jié)構(gòu)（2學(xué)時(shí)）一、CPU的功能介紹CPU四個(gè)方面的功能。二、CPU的基本組成介紹控制器、運(yùn)算器的組成和功能。三、CPU中的主要寄存器介紹CPU中六類寄存器的作用。四、操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器操作控制器有三種類型，其作用是在各寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路；時(shí)序產(chǎn)生器的作用是對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制。第二節(jié) 指令周期 （2學(xué)時(shí)）一、指令周期的基本概念介紹指令周期的概念和指令周期、CPU周期、時(shí)鐘周期三者之間的關(guān)系。二、CLA指令的指令周期CLA是一條非訪內(nèi)指令，分析這條指令的執(zhí)行過程。三、ADD指令的指令周期ADD是一條訪內(nèi)存指令，分析這條指令的執(zhí)行過程。四、STA指令的指令周期STA是一條訪問內(nèi)存的存數(shù)指令，分析這條指令的執(zhí)行過程。五、NOP指令和JMP指令的指令周期分析NOP指令和JMP指令的執(zhí)行過程。六、用方框圖語言表示指令周期介紹如何用方框圖語言來表示機(jī)器指令的周期。第三節(jié) 指令流水 （2學(xué)時(shí)）一、指令流水原理二、影響流水線性能因素第四節(jié) 中斷系統(tǒng) （2學(xué)時(shí)）中斷系統(tǒng)工作過程。第五節(jié) 控制單元的功能（4學(xué)時(shí)）一、微操作命令的分析介紹取指令周期、間址周期、執(zhí)行周期、中斷周期二、控制單元的功能介紹控制單元特性、控制方式。第六節(jié) 控制單元的設(shè)計(jì) （5學(xué)時(shí)）一、微程序設(shè)計(jì)思想二、微程序控制單元工作原理三、微指令的編碼方式四、微指令格式微指令格式大體上分為兩類：水平型微指令和垂直型微指令。介紹了每種微指令的格式。第七節(jié) 控制單元的設(shè)計(jì)舉例 （2學(xué)時(shí)）微程序設(shè)計(jì)舉例。復(fù)習(xí)與思考題：1. 試說明CPU的功能和基本組成。2. 試說明微命令、微操作、微指令和微程序的概念。3. 微程序控制器由哪三部分組成？每部分的作用是什么？4. 試說明機(jī)器指令與微指令的關(guān)系。5. 微命令編碼有哪幾種方法？參考文獻(xiàn)：1. 王愛英,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu),第二版,清華大學(xué)出版社,19962. 俸遠(yuǎn)禎,計(jì)算機(jī)組成原理,修訂本,電子工業(yè)出版社,19973. 王誠(chéng)等,計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì), 第二版,清華大學(xué)出版社,200412