计算机组成原理教案

《计算机组成原理》课程教案

计算机科学系

本课程是计算机专业本科生的核心课程，是主干必修课。课程以阐述原理为主，讲述计算机系统及其各功能部件的工作原理以及逻辑实现，计算机系统及其各功能部件的设计原理以及并行处理技术。设置这一课程的目的是使学生掌握计算机的基本工作原理，掌握计算机各主要部件的硬件结构、相互联系和作用，掌握计算机系统的设计原理以及软硬件的界面，从而对整个计算机系统有完整的了解，为计算机专业的后继课程的学习打下基础。

一、本课程得主要内容

1、计算机系统概论

2、逻辑电路设计基础（复习及提高）

3、信息编码和数据表示

4、计算机算法和算法逻辑实现

5、存储器

6、计算机指令构成和寻址方式

7、处理机设计

8、流水线处理机

9、存储系统

10、输入输出设备

11、输入输出系统

二、本课程教学重点与难点

重点：信息编码和数据表示

控制器

存储系统

输入输出系统

三、教材选用

William Stallings《计算机组织与结构--性能设计（第五版）》.高等教育大学出版社，

四、参考教材：

主要参考书：

1、李亚明.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社.2001

2、王爱英.《计算机组成与结构》.清华大学出版社.1998

3、江义鹏.《计算机组成原理》.人民邮电出版社.1998

4、胡越明.《计算机组成和系统结构》.上海科学技术文献出版社.1999

5、俸远祯.《计算机组成原理》.电子工业出版社

6、李亚民.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社 2000年

7、袁开榜.《计算机组成原理》高等教育出版社

8、白中英、韩兆轩编.《计算机组成原理》.科学出版社

9、唐朔飞.《电子数字计算机原理》.哈尔滨工业大学出版社参考书：

10、邹海明.《计算机组织与结构》.电子工业出版社..１９９３年.版.

11、 John L. Hennessy and David A. Patterson, "Computer organization and design, the hardware/software interface", Morgan Kaufmann, Second Edition, 1998

12、John L. Hennessy and David A. Patterson, “Computer architecture:

a quantitative approach”, Morgan Kaufmann, Second Edition, 1996

13、Patterson and Hennessy, "Computer Organization & Design: the Hardware/Software Interface (2nd edition)",Morgan Kaufmann Publishers.

五、教学手段：投影片+版书

六、课程内容和学时分配

（整体安排按信息表示、信息处理、信息输出思路。）

第一章计算机系统概论

教学内容：

1、计算机系统的基本构成

2、计算机系统的层次结构

3、计算机系统结构、组成及其实现

4、计算机的性能评价

5、计算机发展简史

6、计算机的应用

基本要求：

通过本章的学习，要求了解整个计算机系统由硬件和软件两部分构成，其中硬件部分包括运算器、控制器、存储器、输入输出设备等五大功能部件构成。通过总线相互连成一个完整的硬件系统；软件部分包括系统软件、应用软件两大部分。通过对计算机层次结构的了解，明确计算机组成原理课程的任务和目的。了解计算机中的一些基本概念，包括性能指标、计算机发展简史以及计算机的应用。

教学重点：

1、计算机系统的基本构成

2、计算机系统的层次结构

3、计算机系统结构、组成及其实现

教学难点：计算机系统的层次结构、系统结构、组成及其实现的关系。明确计算机组成原理课程的任务和目的。

其它：

4、计算机的性能评价（字长、容量、速度、时间、MIPS）

5、计算机发展简史（ENIAC、冯氏计算机、其它自学）

6、计算机的应用（科学计算与数据处理的区别）

1．1 计算机的分类和应用

1．2 计算机的硬件

1．3 计算机的软件

1．4 计算机系统的层次结构

作业：

1．1 计算机的分类和应用

1．1．1 计算机的分类

计算机分类：

模拟：处理在时间和数值上连续的量

数字：处理离散的量

数字计算机分类：

专用计算机：如工控机、DSP、IOP等

通用计算机：GPP

通用机分类：

巨型机（Super-Computer）、大型机（Mainframe）、中型机（Medium-size Computer）、小型机（minicomputer）、微型机（microcomputer）、单片机（Single-Chip Computer）1．1．2 计算机的应用

科学计算

传统方式：工作量大、人工处理慢

自动控制：数控机床、流水线控制

测量和测试：提高精度、在恶劣条件下的测量

信息处理：

教育、卫生：计算机辅助教学（CAI）、多媒体教室、CT（Computerized tomography）

家电

人工智能

1．2 计算机的硬件

1．2．1 数字计算机的硬件组成

五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入／输出设备。

概念：存储单元、地址、存储容量、外存储器、内存储器、指令、程序、指令的组成、存储程序、程序控制、指令系统、指令周期、执行周期、CPU、主机、数据字、指令字、数据流、指令流、适配器。

冯•诺依曼体系结构：

(1) 采用二进制形式表示数据和指令

数据和指令在代码的外形上并无区别．都是由0和1组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。采用二进制、使信息数字化容易实现，可以用二值逻辑工具进行处理。程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。

(2) 采用存储程序方式

这是诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。

诺依曼机的这种工作方式，可称为控制流(指令流)驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令；根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。因此在执行程序的过程中，始终以控制信息流为驱动工作的因素，而数据信息流则是被动地被调用处理。为了控制指令序列的执行顺序，我们设置一个程序(指令)计数器PC(Program Counter)，让它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序现在是顺序执行的，每取出一条指令后PC内容加l，指示下一条指令该从何处取得。如果程序将转移到某处，就将转移后的地址送入PC，以便按新地址读取后继指令。所以，PC就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，也就是指示控制流的形成。虽然程序与数据都采用二进制代码，仍可按照PC的内容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情