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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(wú)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(wú)符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù) （1學(xué)時(shí)） 一、無(wú)符號(hào)數(shù) 介紹無(wú)符號(hào)數(shù)表示法 二、有符號(hào)數(shù) 介紹無(wú)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(yè)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(wú)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?，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(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(yǔ)言表示指令周期 介紹如何用方框圖語(yǔ)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,1996 2. 俸遠(yuǎn)禎,《計(jì)算機(jī)組成原理》,修訂本,電子工業(yè)出版社,1997 3. 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,2004 12