计算机组成原理教案.docx
《计算机组成原理教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理教案.docx（80页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
计算机组成原理教案
《计算机组成原理》本科课程教案
计算机科学学院
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
王爱英.《计算机组成与结构》第五版.清华大学出版社
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、WilliamStallings《计算机组织与结构--性能设计（第五版）》.高等教育大学出版社，
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、JohnL.HennessyandDavidA.Patterson,"Computerorganizationanddesign,thehardware/softwareinterface",MorganKaufmann,SecondEdition,1998
12、JohnL.HennessyandDavidA.Patterson,“Computerarchitecture:
aquantitativeapproach”,MorganKaufmann,SecondEdition,1996
13、PattersonandHennessy,"ComputerOrganization&Design:
theHardware/SoftwareInterface（2ndedition）",MorganKaufmannPublishers.
五、教学手段：
ppt+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
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（ENIAG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）
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：
1.1计算机的诞生和发展
1.2计算机的硬件
1.3计算机的软件
1.4计算机网络基础
1.1计算机的诞生和发展计算机分类：
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-Compute）、大型机（Mainframe）、中型机（Medium-sizeComputer）、小型机（minicomputer）、微型机（microcomputer）、单片机（Single-ChipComputer）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（Computerizedtomography）
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）米用存储程序方式
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（ProgramCounter）,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I，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。
由于多数情况下程序是顺序执行的，所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除了个别即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区户的不同区域。
（3）由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置等五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。
上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，并开创了程序设计的新时代。
到目前为止，绝大多数计算机仍沿用这一体制，称为诺依曼机体制。
学习计算机工作原理也就从诺依曼概念入门。
传统的诺依曼机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列；而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理：
因此，近年来人们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。
对所谓非诺依曼化的探讨仍在争议中，一般认为它表现在以下三个方面的努力。
在诺依曼体制范畴内，对传统诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。
这些方向已比较成熟，成为标准结构。
用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。
这方面的研究目前比
较活跃。
从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。
例如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行池执行。
这是真正非诺依曼化的计算机，它为并行处理开辟了新的前景，但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中。
1.2.2计算机系统结构的过去和未来
发展：
电子管-晶体管一集成电路一大规模、超大规模集成电路
趋势：
由于计算机网络和分布式计算机系统能为信息处理提供廉价的服务，因此计算机系统的进一步发展，“三网合一”，将进入以通信为中心的体系结构。
计算机智能化将进一步发展，各种知识库及人工智能技术将进一步普及，人们将用自然语言和机器对话。
计算机从数值计算为主过渡到知识推理为主，从而使计算机进入知识处理阶段。
随着大规模集成电路的发展，不仅用多处理机技术来实现大型机系统功能，而且会出现计算机的动态结构，即所谓模块化计算机系统结构。
多媒体技术将有重大突破和发展，并在微处理机、计算机网络与通信等方面引起一次巨大变革。
1.3计算机的软件
计算机硬件是载体，软件是灵魂。
1.3.1软件的组成与分类
分类：
系统程序、应用程序
1.3.2软件的发展演变
手编程序（目的程序）—汇编程序—算法语言（高级语言）
高级语言与机器语言的转换：
编译系统、解释系统
操作系统、数据库
计算机系统的层次结构
多级组成的计算机系统
五个级别：
第一级微程序设计级、第二级是一般机器级、第三级是操作系统级、第四级是汇编语言级、第五级是咼级语言级。
补充：
计算机的性能指标
基本字长
基本字长是指参与运算的数的基本位数，它标志着计算精度。
位数越多，精度越高，但硬件成本也越高，因为它决定着寄存器、运算部件、数据总线等的位数。
主存容量
主存储器是CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就放在主存之中。
主存容量大则可以运行比较复杂的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的软件支撑环境。
所以，计算机处理能力的大小在很大程度上取决于主存容量的大小。
外存容量
外存容量一般是指计算机系统中联机运行的外存储器容量。
由于操作系统、编译程序及众多的软件资源往往存放在外存之中，需用时再调入主存运行。
在批处理、多道程序方式中，也常将各用户待执行的程序、数据以作业形式先放在外存中，再陆续调入主存运行。
所以，联机外存容量也是一项重要指标，一般以字节数表示。
运算速度
同一台计算机，执行不同的运算所需时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同方法。
常用的有CPU时钟频率、每秒平均执行指令数（ips）、单独注明时间等。
所配置的外围设备及其性能指标
外围设备配置也是影响整个系统性能的重要因素，所以在系统技术说明中常给出允许配置情况与实际配置情况。
系统软件配置情况作为一种硬件系统，允许配置的系统软件原则上是可以不断扩充的，但实际购买的某个系统究竟已配置哪些软件，则表明它的当前功能。
作业:
1.31.41.71.9第二章计算机的逻辑部件主要内容和数字逻辑课程相似，所以这章简单介绍或不讲第三章运算方法和运算部件
主要内容：
1、定点数加减法运算及电路实现
2、定点数乘除运算和电路实现
原码、补码，布斯算法，原码恢复余数、不恢复余数
3、快速乘除法运算技术和电路实现
布斯高基乘法，进位保存加法及其构成的乘法器，阵列乘法器，阵列除法器
4、浮点数四则运算以及实现
加减乘除
基本要求：
通过本章内容的学习，要求掌握计算机算法。
加减乘除运算方法和运算器的构成，能按步骤进行原码和补码的加减乘除四则运算，能够按步骤进行浮点数的四则运算。
教学重点：
1、定点数加减法运算及电路实现
2、定点数乘除运算和电路实现
3、快速乘除法运算技术和电路实现
教学难点：
原码、补码，布斯算法，原码恢复余数、不恢复余数布斯高基乘法
3．1数据的表示方法和转换
3．2带符号的二进制数据的表示方法及加、减法运算
3．3定点乘法运算
3．4定点除法运算
3．5浮点数运算方法
3．6运算部件
3．7数据校验码
3.1数据的表示方法和转换
3.1.1数值型数据的表示和转换在选择计算机的数的表示方式时，应当全面考虑以下几个因素：
要表示的数的类型（小数、整数、实数和复数）：
决定表示方式
可能遇到的数值范围：
确定存储、处理能力数值精确度：
处理能力相关
数据存储和处理所需要的硬件代价：
造价高低
两种常用格式：
定点格式：
定点格式容许的数值范围有限，但要求的处理硬件比较简单；浮点格式：
容许的数值范围很大，但要求的处理硬件比较复杂。
1）定点数表示法
定点指小数点的位置固定，为了处理方便，一般分为定点纯整数和纯小数。
2）浮点数表示法
由于所需表示的数值取值范围相差十分悬殊，给存储和计算带来诸多不便，因此出现了浮点运算法。
浮点表示法，即小数点的位置是浮动的。
其思想来源于科学计数法。
IEEE754的浮点数（比较特殊）
浮点数的规格化：
主要解决同一浮点数表示形式的不唯一性问题。
规定，否则尾数要
进行左移或右移。
机器零的概念：
尾数为0或是阶码值小于所能表示的最小数。
3）十进制数串的表示方法
由于人们对十进制比较熟悉，因此在计算机中要增加对十进制运算的支持。
两种方式：
将十进制数变为二进制数运算，输出时再由二进制变为十进制。
直接的十进制运算
直接运算的表示方法：
字符串形式：
用于非数值计算领域
压缩的十进制数串：
分为定长和不定长两种。
需要相应的十进制运算器和指令支持。
4）自定义数据表示
标志符数据表示、描述符数据表示
区别：
标志符与每个数据相连，二者合起来存放在一个存储单元，而描述符要和
数据分开存放；
描述符表示中，先访问描述符，后访问数据，至少增加一次访存；
描述符是程序的一部分，而不是数据的一部分。
数的机器码表示
真值（书写用）、机器码（机器内部使用）的概念
1）原码：
比较自然的表示法，最高位表示符号，0为正，1为负。
优点：
简单易懂。
缺点：
加减法运算复杂。
2）补码：
加减法运算方便，减法可以转换为加法。
定点小数的补码，公式
定点整数的补码，公式
3）反码：
为计算补码方便而引入计算公式，小数公式，整数公式由反码求补码：
符号位置1，各位取反，末位加1。
4）移码：
用于阶码的表示，两个移码容易比较大小，便于对阶。
定义。
即将数值向X轴正方向平移2n3．1．2十进制数的编码与运算
十进制加法／减法器
3．2带符号的二进制数据的表示方法及加、减法运算
3．2．1原码、反码、补码加减法运算加、减法公式
3．2．2加减法运算的溢出处理溢出概念：
上溢、下溢检测方法：
双符号位、单符号位3．2．3定点数和浮点数定点数表示法浮点数表示法基本的二进制加法／减法器进位处理方式：
串行进位（行波进位）、并行进位二进制加法／减法器，3．3二进制乘法运算
3．3．1定点数一位乘法二进制乘法公式：
公式人工乘法过程与二进制乘法乘法器分类：
串行、并行。
由于串行乘法速度太慢，已被淘汰。
不带符号的阵列乘法器
不带符号的阵列乘法器执行时间分析带符号的阵列乘法器原理：
首先取补T不带符号乘法T结果取补
取补器电路图，
方法：
从右向左找到第一个“1”，这个“1”向右，包括本身保持不变，向左都取反取补器电路执行时间分析
3．3．2定点数二位乘法补码与真值的转换公式，公式推导过程。
一般化的加法器：
有负权输入的，即可以做减法的。
直接补码阵列除法器：
节省了取补时间，大大的加快了乘法的速度。
结构图见。
3．3．2阵列乘法器
乘法阵列
3．4二进制除法运算
3．4．1定点数除法运算二进制除法公式：
公式余数处理的两种方法：
恢复余数法：
运算步骤不确定，控制复杂，不适合计算机运算。
加减交替法：
不恢复余数，运算步骤确定，适合计算机操作。
3.4.2提高除法运算速度的方法举例
3.5浮点数的运算方法
3.5.1浮点数的加减法运算
浮点加减法的规则，
运算步骤：
0操作数检查一对阶一尾数加/减一规格化、舍入
注意：
对阶时，小阶向大阶看齐，否则会丢失高有效位。
规格化时，左规、右规是指尾数移动方向。
舍入处理的方法
3.5.2浮点乘、除法运算
浮点乘、除法规则，
运算步骤：
0操作数检查一阶码加/减一尾数乘/除一规格化、舍入
移码的加减运算规律，
3.6运算部件
并行进位，行波进位加/减法器存在的两个问题：
运算时间长
行波进位加/减法器只能完成加法和减法，而不能完成逻辑操作
说明：
控制端M用来控制作算术运算还是逻辑运算，两种运算的区别在于是否对进位进行处理。
M二0时，对进位无影响，为算术运算；M二1时，进位被封锁，为逻辑运算。
正逻辑中，“1”用高电平表示，“0”用低电平表示，而负逻辑刚好相反。
正逻辑与负逻辑的关系为，正逻辑的“与”到负逻辑中变为“或”，即+?
互换。
的正负逻辑之间的转换可用上述规则实现。
先行进位的实现：
公式
3.7数据校验码
常用方法：
奇偶校验码；
海明校验与纠错码；
循环冗余校验码
数据校验码原理
1、码字：
由若干位代码组成，满足某种编码规律的一个代码字。
例：
编码规则“代码中1的个数为奇数”则
“01001001”合法“11001001”不合法
2、码距：
码距指任何一种编码的任两组二进制代码中，其对应位置的代码最少有几个二进制位不相同。
例：
若用4位二进制数表示16种状态，16种状态都用，则码距L=1。
若用4位二进制数表示8种状态，而把另外8种状态作为非法编码，此时的码距L=2。
3、最小码距：
指一种编码的任意两个码字中间，对应位置代码变化的最少个数。
8421BCD
码01111001L=3而01000101L=1
4、数据校验的实现原理：
数据校验码是在合法的数据编码之间，加进一些不允许出现的（非法的）编码，使合法的数据编码出现错误时成为非法编码。
这样就可以通过检测编码的合法性达到发现错误的目的。
3.7.1奇偶校验码
原理：
在k位数据码之外增加1位校验位，使k+1位码字中取值为1的位数保持为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。
定义：
设X=（X0X1…Xn-1）是一个n位字，则奇校验位C定义为
C=X0®X1Xn-1
式中①代表按位加,只有当X中包含有奇数个1时,C=0。
同理，偶校验位C定义为
C=X0®X1①…①Xn-1
即x中包含偶数个1时，才使C=0。
特点：
奇偶校验可提供单（奇数）个错误检测，但无法检测多（偶数）个错误，更无法识别错误信息的位置及纠正错误。
奇偶校验码常用于存储器读写检查，或ASCII字符传送过程中的检查。
3.7.2海明校验码
1.原理
海明校验码的实现原理是：
在数据位中加入几个校验位，将数据代码的码距均匀地拉大，并把数据的每个二进制位分配在几个奇偶校验组中。
当某一位出错后，就会引起有关的几个校验位的值发生变化，这不但可以发现错误，还能指出是哪一位出错，为进一步自动纠错提供了依据。
2.编码规则
若海明码的最高位号为m，最低位号为1，即HmHm-1…H2H1，则海明码的编码规则是：
（1）校验位与数据位之和为m，每个校验位Pi在海明码中被分在位号2i-1的位置上，其余各位为数据位，并按从低向高逐位依次排列的关系分配各数据位。
（2）海明码的每一位位码Hi（包括数据位和校验位）由多个校验位校验，其关系是被校验的每一位位号要等于校验它的各校验位的位号之和。
3.增添校验位
假设欲检测的有效信息为k位，需增加的校验位为r位，则校验码的长度为k+r位。
校验位的状态组合，应当具有指出k+r位中任一位有错或无错的能力，即需要区别出k+叶1种状态。
应满足以下关系式：
2r>k+叶1
这个关系式称为海明不等式，若信息位长度k确定后，由此可得到校验位r的最短长度。
确定校验位后，就可以与信息位组成海明校验位。
假设数据位是7位二进制编码，据上所述，校验位的位数r为4,故海明码的总位数为11。
它们的排列关系可表示为：
海明码位号：
H11H10H9H8H7H6H5H4H3H2H1
海明码：
D7D6D5P4D4D3D2P3D1P2P1
可知:
每个校验位由其本身校验；每个数据位由若干校验位校验。
4.校验位校验任务的分配
根据海明码的编码规则，每一位海明码都有多个校验位校验，且被校验的每一位的位号
等于参与校验它的几个校验位的位号之和。
占据各权位上的校验位按权组成的8421码，正好等于海明码的位号，即海明码的位号Hi正好等于要校验它的校验位所占权位权值之和。
例如：
Hii=P4X23+P2X21+PiX20
这说明了H11位将由
P4、P2、P1进行校验。
校验位P1可以校验：
H1、出、H5、
H7、
H9、
H11、H13、H15
校验位P2可以校验：
H2、H3、H6、
H7、
H10、
H11、H14、H15
校验位P3可以校验：
H4、H5AH6A
H7、
H12、
H13、H14、H15
校验位P4可以校验：
H8、H9、H10、
H11、
H12、
H13、H14、H15
根据校验时偶校验，可以写出相应的校验方程。
5.检错与纠错
方法：
将错了的码字重新代入校验方程校验一次即可。
假设上面例子中的海明码
01100000100传送后，若H6位发生了错误，变成了01100100100,这时把它们代入上面的偶校验校验方程，如下：
H1二H3二H5二H7二H9二H11=0二1二0二0二1二0=0=E1
H2：
HH3：
.；!
H6：
.；!
H7：
HH10：
.；!
H11=0二1二1二0二1二0=1=E2
H4；.旧5：
.厂H6：
.；!
H7=0二0二1二0=1=E
H8二H9二H10二H11=0二1二1二0=0=E4
可以把E4E3E2E1=0110看成一个“错误字”，因为其二进制码为0110,说明H6出了错，是H6错成了1,所以要纠错，纠错时将H6位取反值，即让它恢复到正确值0。
这样纠错后即可得到正确的海明码01100000100=
3.7.3循环冗余校验码
CRC的编码方法
循环冗余校验码（CRC）的基本原理是：
在K位信息码后再拼接R位的校验码，整个编码长度为N位，因此，这种编码又叫（N,K）码。
对于一个给定的（N,K）码，可以证明存在一个最高次幕为N-K=R的多项式G（x）。
根据G（x）可以生成K位信息的校
升级会员 