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《計算機組成原理》教學(xué)大綱 本門課程的教學(xué)目標(biāo)和要求： 《計算機組成原理》是計算機科學(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)生掌握計算機系統(tǒng)的基本組成、計算機中數(shù)據(jù)的表示方法、計算機各硬件部件的功能和工作原理等，為學(xué)生學(xué)習(xí)計算機專業(yè)課打下堅實的基礎(chǔ)。要求學(xué)生： 1. 從總體上了解計算機硬件、軟件、計算機主要部件的基本概念； 2. 掌握計算機中各種數(shù)據(jù)的表示方法； 3. 掌握運算器的功能、組成和工作原理； 4. 掌握廣泛使用的各類半導(dǎo)體存儲器的工作原理和特性、主存儲器系統(tǒng)的設(shè)計、多級存儲器層次結(jié)構(gòu)； 5. 掌握CPU的組成、CPU各個部件在計算機運行過程中的作用、如何實現(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)重點和難點： 本課程重點是：運算方法和運算器、存儲系統(tǒng)、中央處理器。 本課程難點是：存儲系統(tǒng)和中央處理器。 教學(xué)對象：計算機科學(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)時數(shù)：60學(xué)時。 教學(xué)具體內(nèi)容及學(xué)時分配： 第一章 概論（2學(xué)時） 教學(xué)目標(biāo)和要求： 通過學(xué)習(xí)本章，使學(xué)生了解計算機硬件、軟件的概念和計算機的基本組成，從總體上認識計算機。要求學(xué)生： 1. 了解計算機的分類和應(yīng)用領(lǐng)域； 2. 了解計算機硬件的概念和基本組成； 3. 了解計算機層次結(jié)構(gòu)。 教學(xué)重點和難點： 本章重點：計算機硬件、軟件的概念和計算機的基本組成。 無難點。 教學(xué)方式：課堂講授2學(xué)時。 第一節(jié) 計算機系統(tǒng)簡介（0.5學(xué)時） 一、計算機系統(tǒng)簡介 計算機軟件、硬件概念。 二、計算機層次結(jié)構(gòu) 將計算機的層次結(jié)構(gòu)。 第二節(jié) 計算機的基本組成（1學(xué)時） 一、數(shù)字計算機的硬件組成 介紹數(shù)字計算機的基本組成。 二、計算機的工作步驟 介紹數(shù)字計算機的工作步驟。 第三節(jié) 計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)（0.5學(xué)時） 計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)。 復(fù)習(xí)與思考題： 1. 數(shù)字計算機如何分類？ 2. 數(shù)字計算機主要應(yīng)用有哪些？ 3. 數(shù)字計算機的主要組成部分有哪些？ 4. 計算機的系統(tǒng)軟件包括哪幾類？ 第二章 總線系統(tǒng) （2學(xué)時） 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)重點和難點： 本章重點： 1. 總線的特性和性能指標(biāo)； 2. 總線的仲裁方式和定時方式； 本章難點：總線的仲裁方式和定時方式。 教學(xué)方式：課堂講授2學(xué)時。 第一節(jié) 總線的概念 （1學(xué)時） 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 介紹單機系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)的三種類型。 三、總線結(jié)構(gòu)對計算機系統(tǒng)性能的影響 介紹總線結(jié)構(gòu)對計算機的最大存儲容量、指令系統(tǒng)和吞吐量的影響。 第二節(jié) 總線分類 （1學(xué)時） 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 運算方法和運算器（16學(xué)時） 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)、字符在計算機中的表示方法，掌握運算器的功能、組成和工作原理。要求學(xué)生： 1. 掌握定點數(shù)、浮點數(shù)、字符和漢字的表示方法，數(shù)的機器碼表示； 2. 掌握定點加、減法運算、定點乘除法運算、浮點加、減法運算的實現(xiàn)方法； 3. 掌握定點運算器、浮點運算器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。 教學(xué)重點和難點： 本章重點： 1. 定點數(shù)、浮點數(shù)的表示方法、數(shù)的機器碼表示； 2. 定點加減法運算、定點乘除法運算、浮點加減法運算； 3. 定點運算器。 本章難點：定點乘除法運算、浮點加減法運算。 教學(xué)方式：課堂講授14學(xué)時，習(xí)題課2學(xué)時。 第一節(jié) 無符號數(shù)和有符號數(shù) （1學(xué)時） 一、無符號數(shù) 介紹無符號數(shù)表示法 二、有符號數(shù) 介紹無符號數(shù)表示法 第二節(jié) 數(shù)的定點表示和浮點表示 （2學(xué)時） 一、數(shù)的定點表示 介紹數(shù)的定點表示。 二、數(shù)的浮點表示 介紹數(shù)的浮點表示。 第三節(jié) 定點運算 （8學(xué)時） 一、補碼加法 介紹補碼加法公式。 二、補碼減法 介紹補碼減法公式。 三、溢出概念與檢測方法 介紹溢出的概念、溢出的兩種檢測方法：雙符號位法和單符號位法。 四、基本的二進制加法/減法器 介紹行波進位的補碼加法/減法器。 五、原碼乘法 介紹原碼乘法運算過程。 六、原碼除法 介紹原碼除法運算過程。 第四節(jié) 浮點四則運算 （2學(xué)時） 一、浮點加法、減法運算 介紹浮點加、減法運算的操作過程。 二、浮點乘法、除法運算 介紹浮點乘法、除法運算規(guī)則和浮點乘、除法運算步驟。 第五節(jié) 算術(shù)邏輯單元 （1學(xué)時） 一、邏輯運算 介紹邏輯非運算、邏輯加運算、邏輯乘運算和邏輯異或運算。 二、多功能算術(shù)/邏輯運算單元 介紹多功能算術(shù)/邏輯運算單元ALU的基本思想、邏輯表達式，還介紹了ALU芯片74181和先行進位發(fā)生器74182的邏輯電路。 復(fù)習(xí)與思考題： 1. 已知一個數(shù)的原碼，如何求它的補碼？ 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)/邏輯運算單元的基本思想。 5. 試說明浮點加、減法運算的操作過程。 第四章 存儲系統(tǒng) （10學(xué)時） 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)體存儲器的工作原理和特性、主存儲器容量的擴充方法、多級存儲器的層次結(jié)構(gòu)。要求學(xué)生： 1. 掌握主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)； 2. 掌握靜態(tài)MOS存儲器、SRAM的結(jié)構(gòu)和工作原理； 3. 掌握動態(tài)MOS存儲器，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)重點遇難點： 本章重點： 1. 各類半導(dǎo)體存儲器的工作原理； 2. 主存儲器容量的擴充方法； 3. 虛擬存儲器； 4. 多級存儲器的層次結(jié)構(gòu)。 本章難點： 1. 主存儲器容量的擴充方法； 2. 虛擬存儲器。 教學(xué)方式：課堂講授8學(xué)時，習(xí)題課2學(xué)時。 第一節(jié) 存儲器概述（1學(xué)時） 一、存儲器分類 介紹存儲器的作用和存儲器的五種分類方法。 二、存儲器的分級結(jié)構(gòu) 介紹多級存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和每級存儲器的職能。 三、主存儲器的技術(shù)指標(biāo) 介紹主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)。 第二節(jié) 主存儲器 （4學(xué)時） 一、SRAM存儲器 主要介紹SRAM存儲器的原理、SRAM存儲器的結(jié)構(gòu)、SRAM存儲器芯片與CPU的連接方式。 二、DRAM存儲器 介紹DRAM存儲元的工作原理、DRAM存儲器芯片和DRAM的刷新。 三、主存儲器與CPU的連接 第三節(jié) Cache存儲器 （2學(xué)時） 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機的Cache 奔騰PC機采用兩極Cache結(jié)構(gòu)，集成在CPU內(nèi)的是一級Cache，安裝在主板上的是二級Cache。 第四節(jié) 輔助存儲器 （1學(xué)時） 一、硬盤的原理 介紹硬盤的儲存原理。 復(fù)習(xí)與思考題： 1. 在設(shè)計主存儲器時，如何將存儲器芯片與CPU連接？ 2. 在三級存儲器體系結(jié)構(gòu)中，各級存儲器的職能是什么？ 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器地址變換過程。 第五章 指令系統(tǒng) （7學(xué)時） 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. 掌握精簡指令系統(tǒng)的特點。 教學(xué)重點和難點： 本章重點：指令的格式、地址碼的結(jié)構(gòu)和尋址方式。 本章無難點。 教學(xué)方式：課堂講授6學(xué)時，習(xí)題課1學(xué)時。 第一節(jié) 機器指令 （0.5學(xué)時） 一、機器指令格式 介紹機器指令格式。 二、機器指令字長 介紹機器指令字長。 第二節(jié) 操作數(shù)類型和操作類型 （1.5學(xué)時） 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） 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?，另一種是跳躍尋址方式。 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） 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. 試說明存儲器堆棧進棧和出棧的操作過程。 第六章 中央處理器 （23學(xué)時） 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層次上懂得計算機是如何工作的。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. 掌握機器指令與微指令的關(guān)系； 5. 掌握微程序設(shè)計技術(shù)。 教學(xué)重點和難點： 本章重點：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)計技術(shù)。 本章難點：微程序設(shè)計技術(shù)。 教學(xué)方式：課堂講授19學(xué)時，習(xí)題課4學(xué)時。 第一節(jié) CPU的功能和結(jié)構(gòu)（2學(xué)時） 一、CPU的功能 介紹CPU四個方面的功能。 二、CPU的基本組成 介紹控制器、運算器的組成和功能。 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；時序產(chǎn)生器的作用是對各種操作實施時間上的控制。 第二節(jié) 指令周期 （2學(xué)時） 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器指令的周期。 第三節(jié) 指令流水 （2學(xué)時） 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） 中斷系統(tǒng)工作過程。 第五節(jié) 控制單元的功能（4學(xué)時） 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 （5學(xué)時） 一、微程序設(shè)計思想 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)計舉例 （2學(xué)時） 微程序設(shè)計舉例。 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： 1. 王愛英,《計算機組成與結(jié)構(gòu)》,第二版,清華大學(xué)出版社,1996 2. 俸遠禎,《計算機組成原理》,修訂本,電子工業(yè)出版社,1997 3. 王誠等,《計算機組成與設(shè)計》, 第二版,清華大學(xué)出版社,2004 12