《计算机组成原理》教案48学时Word格式.docx
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本课程旨在让学生熟悉运算器、存储器、控制器等部件的构成原理、功能和作用，以便更好地开发和利用硬件资源，提高计算机的利用效率。
课程的目的：
1、熟悉计算机组成结构、原理、功能、作用。
2、理解计算机硬件与软件之间的关系。
3、为计算机系统的学习和应用打下良好的基础。
教学重点及难点：
教学重点：
运算器、存储器、控制器等部件的构成原理、功能和作用，及各部件之间协调工作。
难点：
运算器和控制器的功能、组成及工作原理
注：
表中（）选项请打“√”。
附件3：
章节或分次（课时）教案
计算机组成原理 课程授课教案
周次
1
课次
课时
2
课型
√理论课□讨论课□实验课□习题课□其他
章节
名称
第1章计算机系统概论
教学目的及要求：
目的：
掌握计算机硬件系统和软件系统的组成与功能
了解计算机系统的五级层次结构
要求：
从不同的角度理解并掌握计算机硬件系统结构
教学重点与难点：
重点：
计算机硬件系统结构
计算机系统层次结构
教学方式方法、手段：
讲授法、归纳法
辅助手段：
图表法
教学过程：
一、计算机硬件系统
如图1.1和图1.2所示
图1.1计算机系统
图1.2计算机各硬件之间的通路
二、计算机软件系统
如图1.1和图1.3所示
图1.3计算机语言
三、计算机系统层次结构
级别
说明
第5级
高级语言级
第4级
汇编语言级
第3级
操作系统级
第2级
机器语言级
第1级
微程序级（硬件级）
讨论、练习、作业：
无
教学反思：
能够清晰地讲解课程的重点、难点，内容讲解透彻、层次清晰、逻辑性强、信息量大，时间分配合理，师生互动效果良好，板书工整。
参考书目资料：
《计算机组成与结构》（第五版）王爱英著，清华大学出版社2013.01
填表说明：
1.每项页面大小可自行添减，一次课（二或三节）写一份上述格式教案。
重复班只填写一份。
2.课次为授课次序，填1、2、3……等。
2.1数据的表示
掌握数制及数制之间的转换方法
掌握带符号数的四种编码表示方法及其相互转换
熟练进行数制转换、编码转换
原码、反码、补码、移码之间的相互转换
带符号定点数的四种编码与真值之间的转换
一、数制及其转换方法
（一）数制
数制
基本数码
位系数Ki
基数
位权
位值
权展开式
十进制
0～9
10
10i
Ki*10i
二进制
0、1
2i
Ki*2i
八进制
0～7
8
8i
Ki*8i
十六进制
0～9、A～F
16
16i
Ki*16i
（二）数制之间的转换（等值、相互）
1.十进制与N进制之间的转换（N为2、8、16）
1）十进制<
－N进制（按权相加法）
即将N进制数的权展开式写出来，然后用十进制的运算规则进行运算，最后相加得到的和，即为该N进制数转换到的等值十进制数。
2）十进制－>
N进制
（1）整数部分（除基逆取余，商为零止）
用该十进制的整数部分，除以要转换到的进制的基数，除到商为零时停止，然后按逆序取每次得到的余数，即为该十进制数转换到的等值N进制数。
（2）小数部分（乘基顺取余，达精度止）
用该十进制的小数部分，乘以要转换到的进制的基数，乘到满足精度要求为止，然后按顺序取每次得到的整数，即为该十进制数转换到的等值N进制数。
2.二进制与2m进制之间的转换（m为3、4）
1）二进制<
－2m进制（m位变1位）
对二进制数以小数点为界，向左右两侧进行分组，每m位为1组，1组转换成1位2m进制的数。
2）二进制－>
2m进制（1位变m位）
用除基逆取余法，将1位2m进制的数转换成m位二进制数。
二、带符号定点数的编码表示及其相互转换
（一）定点数的概念（小数点位置固定的数，表示时可省略小数点）
1.定点整数：
小数点位置固定在数值位的末尾
2.定点小数：
小数点位置固定在数值位的前面
3.定点数表示方法
类别
符号位
数值位
定点整数
Xn
Xn-1Xn-2……X1X0
N位定点整数
定点小数
X0
X-1X-2……X-（m-1）X-m
M位定点小数
（二）带符号定点数的编码表示（适用于定点整数和定点小数）
1.带符号数的机器码
1）真值：
带“＋、－”号的数
2）符号数值化：
即用0和1表示“＋、－”号
3）用二进制数表示
4）有四种编码方式：
原码、反码、补码、移码
2.原码（符号位连接绝对值的数值位|X|）
[X]原=0|X|，X>
[X]原=1|X|，X<
定点字节整数原码表示数的范围如表2.2所示，范围为：
－（28-1-1）～＋（28-1-1），则n位定点整数原码表示数的范围为：
－（2n-1-1）～＋（2n-1-1），其中＋0和－0的原码是不相同的。
二进制数
原码范围
反码范围
补码范围
个数
00000000
＋0
128个
正数
……
01111111
＋127
10000000
－0
－127
－128
负数
11111111
－1
3.反码（负数的反码为其原码数值位按位取反，符号位不变）
[X]反=0|X|，X>
[X]反=1
，X<
定点字节整数反码表示数的范围如表2.2所示，范围为：
－（28-1-1）～＋（28-1-1），则n位定点整数反码表示数的范围为：
－（2n-1-1）～＋（2n-1-1），其中＋0和－0的反码是不相同的。
4.补码（负数的补码为其反码数值位末位加1，符号位不变）
[X]补=0|X|，X>
[X]补=1（
+1），X<
定点字节整数补码表示数的范围如表2.2所示，范围为：
－28-1～＋（28-1-1），则n位定点整数补码表示数的范围为：
－2n-1～＋（2n-1-1），其中＋0和－0的补码是相同的。
5.移码（也叫增码，移码为其补码符号位取反，数值位不变）
[X]移=1|X|，X>
[X]移=0（
移码只用来表示浮点数阶码，只进行加减运算。
（三）带符号定点数的编码之间的转换
1.正数的原码、反码和补码是一样的，符号位固定为0
2.负数的原码、反码和补码关系为：
1）符号位固定为1
2）负数的反码为其原码数值位按位取反，符号位不变
3）负数的补码为其反码数值位末位加1，符号位不变
4）负数的原码为其补码数值位末位减1再变反，或者补码数值位变反末位加1，符号位不变
3.移码和补码的关系为：
移码为补码符号位取反，数值位不变
62页第1、2题
3
2.2定点加法、减法运算
熟练掌握用补码定点加法、补码定点减法运算的方法
熟练进行定点加法运算、定点减法运算
定点加法、减法运算
定点加法、减法运算方法
一、定点加法运算
（一）补码加法
1.公式：
[X]补＋[Y]补=[X＋Y]补（mod2n+1）
2.例题：
27页例11和例12题
（二）补码加法溢出检测方法
1.溢出的概念：
超出所能表示数的范围
2.溢出检测方法
（1）双符号位法：
也称变形补码法
两个加数X和Y分别用双符号位补码进行运算，00表示正数，11表示负数，若相加结果两符号位相同，则没有溢出，否则有溢出，10表示负溢，01表示正溢。
溢出标志V＝Sf1⊕Sf2
例题：
29页例17和例18
（2）单符号法
两个加数X和Y分别用单符号位补码进行加法运算，0表示正数，1表示负数，若相加结果最高数值位进位标志C0和符号位进位标志Cf不一致，则有溢出，否则无溢出。
溢出标志V＝Cf⊕C0
（四）基本的二进制加法/减法器
1.一位全加器
2.n位串行（行波）进位加法器
二、定点减法运算
[X－Y]补=[X]补＋[－Y]补
2.[－Y]补的求法：
将[Y]补所有位（包括符号位）变反，末位加1。
此过程叫做求补运算，不是求补码。
3.例题：
28页例13和例14题
62页第5、6题
4
2.3定点乘法（上）
熟练掌握用原码乘法运算的方法
熟练进行定点乘法运算
定点乘法运算
定点阵列乘法运算方法
定点原码并行乘法运算
1.不带符号的阵列乘法器
已知：
被乘数[X]原=XfXm-1……X1X0，乘数[Y]原=YfYn-1……Y1Y0
则：
乘积[Z]原=（Xf⊕Yf）（Xm-1……X1X0）*（Yn-1……Y1Y0）
=ZfZm+n-1……Z1Z0
其中：
Xf和Yf分别为被乘数与乘数的符号位；
乘积数值位被乘数与乘数的数值位之和，即m+n位。
运算规则：
1）乘积的符号位为两数的符号位异或，即Zf=Xf⊕Yf
2）乘积的数值部分则是两个正数相乘之积
即Zm+n-1……Z1Z0=（Xm-1……X1X0）*（Yn-1……Y1Y0）
数值相乘的过程与手工乘法类似：
Xm-1Xm-2……X1X0
X）Yn-1……Y1Y0
Xm-1Y0Xm-2Y0……X1Y0X0Y0
Xm-1Y1Xm-2Y1……X1Y1X0Y1
……………
＋）Xm-1Yn-1Xm-2Yn-1……X1Yn-1X0Yn-1
Zm+n-1……Z1Z0
上述过程说明了与门电路产生被加数的过程及mXn乘法阵列实现被加数求和过程，实现电路如下图所示：
34页例19题
62页第7题
5
2.3定点乘法（下）
定点原码并行乘法运算
2.带符号的阵列乘法器
被乘数X=XmXm-1……X1X0，乘数Y=YnYn-1……Y1Y0
乘积Z=（Xn⊕Yn）（Xm-1……X1X0）*（Yn-1……Y1Y0）
=Zm+nZm+n-1……Z1Z0
Xm和Yn分别为被乘数与乘数的符号位，Zm+n为乘积的符号位；
乘积数值位是被乘数与乘数的数值位之和，即m+n位。
1）算前求补：
将两个操作数X和Y先变成正整数
2）不带符号的乘法阵列：
对两个正整数相乘
3）算后求补：
当两个输入操作数的符号不一致时，把运算结果变换成带符号的数
带符号的阵列乘法器（也称符号求补的阵列乘法器，或者称带求补级的阵列乘法器）如下图所示：
带求补级的阵列乘法器既适用于原码乘法，也适用于间接的补码乘法。
在原码乘法中，算前求补和算后求补都不需要，因为输入数据都是立即可用的。
在间接的补码阵列乘法却需要使用三个求补器，算前求补器将输入的两个乘数补码求出对应的绝对值，送入不带符号乘法阵列器中运算；
算后求补器，将不带符号乘法阵列运算得到的值，转换为乘积的补码。
35页例20、21题
6
2.4定点除法运算
熟练掌握定点除法运算的方法
熟练进行定点除法运算
定点除法运算
定点阵列除法运算方法
一、定点除法运算
（一）原码除法算法原理
两个原码表示的数相除时，商的符号由两数的符号按位相加求得，商的数值部分由两数的数值部分相除求得。
设有n位定点小数（定点整数也同样适用）：
被除数[X]原=Xf.Xn-1……X1X0，除数[Y]原=Yf.Yn-1……Y1Y0
则：
商[Q]原=（Xf⊕Yf）（0.Xn-1……X1X0）/（0.Yn-1……Y1Y0）
=Qf.Qn-1……Q1Q0
其中：
Xf和Yf分别为被除数与除数的符号位，商的符号Qf=Xf⊕Yf
原码除法手算的过程：
例：
设被除数x=0.1001，除数y=0.1011，手算求x÷
y。
0.1101商q
0.10110.10010x（r0）被除数小于除数，商0
-0.010112-1y除数右移1位，减除数，商1
0.001110r1得余数r1
-0.0010112-2y除数右移1位，减除数，商1
0.00001100r2得余数r2
-0.000010112-4y除数右移1位，减除数，商1
0.00000001r4得余数r4
得x÷
y的商q=0.1101，余数为r=0.00000001
在计算机中，小数点是固定的，不能简单地采用手算的办法。
为便于机器操作，使“除数右移”和“右移上商”的操作统一起来。
机器除法运算的特点：
先减，后判断。
（二）定点原码并行除法器
1.可控加法/减法（CAS）单元
有四个输出端和四上输出端。
当输入线P=0是，CAS做加法运算；
当P=1时，CAS做减法运算。
Bi除数右移。
2.不恢复余数的阵列除法器（也称加减交替法阵列除法器）
不恢复余数法的除法阵列由一组可控加法/减法（CAS）单元的阵列来构成。
在不恢复余数的除法阵列中，每一行所执行的操作究竟是加法还是减法，取决于前一行输出的符号与被除数的符号是否一致。
当出现不够减时，部分余数相对于被除数来说要改变符号。
这时产生一个商位“0”，除数首先沿对角线右移，然后加到下一行的部分余数上。
当部分余数不改变它的符号时，即产生一个商位“1”，下一行的操作应该是减法。
在不恢复余数的除法阵列中，完成定点数除法数值运算过程如下：
（1）初始操作是被除数X减除数Y，即[X]补＋[－Y]补
（2）若余数为负，则商上0，除数右移一位，下一步做加法；
（3）若余数为正，则商上1，除数右移一位，下一步做减法；
（4）循环n+1次
已知x=0.101001，y=0.111，求x÷
y
解：
[|y|]补＝0.111[-|y|]补＝1.001[|x|]补＝0.101001
0.101001
+[-|y|]补1.001
1.110001r0<
0，商0
+[|y|]补0.0111
0.001101r1>
0，商1
+[-|y|]补1.11001
1.111111r2<
0，商0
+[|y|]补0.000111
0.000110r3>
QS=XS⊕YS=0⊕0=0RS=XS=0
所以，商q=0.101，余数r=0.000110
63页第8题
7
2.5定点运算器的组成
了解定点运算器的组成
基本组成包括：
1）算术逻辑运算单元ALU：
核心部件
2）暂存器：
用来存放参与计算的数据及运算结果，它只对硬件设计者可见，即只被控制器硬件逻辑控制或微程序所访问。
3）通用寄存器堆：
用于存放程序中用到的数据，它可以被软件设计者访问。
4）内部总线：
用于连接各个部件的信息通道。
（一）逻辑运算（没有进位）
所谓逻辑数，是指不带符号的二进制数，是非数值型数据，表示的是计算机所要处理的一些状态信息。
利用逻辑运算可以进行两个数的比较，或者从某个数中选取某几位等操作。
计算机中的逻辑运算，主要是指逻辑非、逻辑加、逻辑乘、逻辑异四种基本运算。
（二）多功能算术/逻辑运算单元（ALU）
本节我们介绍的多功能算术/逻辑运算单元（ALU）不仅具有多种算术运算和逻辑运算的功能，而且具有先行进位逻辑，从而能实现高速运算。
它的逻辑功能图如下图所示：
74181是一个四位的ALU，它有两种工作方式。
对正逻辑操作数来说，算术运算称高电平操作，逻辑运算称正逻辑操作（即高电平为“1”）。
对于负逻辑操作数来说，正好相反。
由于S0～S3有16种状态组合，因此，ALU有16种算术运算和16种逻辑运算功能。
控制端Ｍ用于控制ALU是进行算术运算还是逻辑运算。
当Ｍ＝0时，进行算术运算。
当Ｍ＝1时，进行逻辑运算。
（三）内部总线
总线是计算机内各部件之间传送信息的公用的一组连线。
根据总线所在位置，总线分为内部总线和外部总线两类。
内部总线是指CPU内各部件的连线，而外部总线是指系统总线，即CPU与存储器、I/O系统之间的连线。
按总线的逻辑结构来说，总线可分为单向传送总线和双向传送总线。
所谓单向总线，就是信息只能向一个方向传送。
所谓双向总线，就是信息可以分两个方向传送，既可以发送数据，也可以接收数据。
（四）定点运算器的基本结构
运算器包括ALU、阵列乘/除法器、寄存器组、多路开关、三态缓冲器、数据总线等逻辑部件。
运算器的设计，主要是围绕ALU和寄存器组与数据总线之间如何传送操作数和运算结果的。
计算机的运算器有如下三种结构形式。
1.单总线结构的定点运算器
在单总线结构中，输入数据和输出操作结果需要三次串行的选通操作。
控制电路比较简单。
2.双总线结构的定点运算器
在双总线结构中，操作的控制要分两步完成:
（1）在ALU的两个输入端输入操作数，形成结果并送入缓冲寄存器;
（2）把结果送入目的寄存器。
3.三总线结构的定点运算器
在三总线结构中，ALU的两个输入端分别由两条总线供给，而ALU的输出则与第三条总线相连。
这样，算术逻辑操作就可以在一步的控制之内完成。
另外，设置了一个总线旁路器。
如果一个操作数不需要修改，而直接从总线2传送到总线3，那么可以通过控制总线旁路器把数据传出。
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