郝王丽计算机组成原理教案.docx
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郝王丽计算机组成原理教案
山西农业大学
教案
2014~2015学年第一学期
学院名称软件学院
课程名称计算机组成原理
课程性质专业必修课
授课对象软件1301-1306
授课教师郝王丽
职称助教
使用教材《计算机组成原理》（第2版）高等教育出版社唐朔飞编著
授课时数64
2014年8月25日
教案
授课时间2014~2015学年第一学期教案编写时间2014年8月
课程名称
计算机组成原理
课程编号
总学时：
64
讲课：
64学时
实验：
0学时
实习：
0学时
学分数
4
课型
专业基础必修课
任课教师
郝王丽
职称
助教
授课对象
软件1301-1306
基本教材和主要参考资料
使用教材：
《计算机组成原理》（第2版），唐朔飞编著，高等教育出版社
参考资料：
[1]《计算机组成原理》，白中英编著，科学出版社，2000.1
[2]《计算机组成原理》，张新荣，李雪威，于瑞国著，机械工业出版社，2009.3
[3]《计算机组成原理》（第2版），罗克露，俸志刚编著，电子工业出版社，2010.2
[4]《电子计算机组成原理》,蒋本珊著，北京理工大学出版社，2004.8
[5]《计算机组成原理》（第2版），蒋本珊编著，清华大学出版社，2008.9
[6]JohnL.HennessyandDavidA.Patterson,"Computerorganizationanddesign,thehardware/softwareinterface",MorganKaufmann,SecondEdition,1998
[7]PattersonandHennessy,"ComputerOrganization&Design:
theHardware/SoftwareInterface（2ndedition）",MorganKaufmannPublishers.
教学目的和要求
《计算机组成原理》是软件工程专业本科教学中的一门重要专业基础课，是《计算机系统结构》、《操作系统》、《嵌入式系统原理及应用》等课程的先驱课程。
在计算机、网络工程和软件工程等专业的教学计划中占有重要地位和作用。
学习本课程旨在使学生掌握运算器、控制器、存储器的构成原理、指令流程、组合逻辑控制、微程序控制、I/O控制等内容；了解数据信息的表示、运算方法与各类半导体存储器、辅助存储器，为更深入地学习后继课程打下基础。
教学重点、难点
了解：
计算机的软硬件概念，计算机系统的层次结构，计算机的发展史，总线概念及分类，RISC技术，CPU的功能和内部结构，微操作命令的分析，微程序设计。
理解：
计算机的工作过程，总线特性及性能指标，静态和动态RAM、ROM、Cache，I/O设备与主机的联系方式和信息传送控制方式，组合逻辑设计。
掌握：
冯诺依曼计算机的特点，总线结构，存储器的分类和层次结构，I/O接口的功能和组成及类型，机器指令的一般格式及其在存储器中的存放方式，机器指令中的寻址方式。
熟练掌握：
计算机硬件的主要技术指标，总线的判优控制和通信控制，Cache-主存地址映射及替换策略，主机与I/O交换的三种控制方式，计算机的运算方法，指令周期，指令流水及多发技术，中断系统的处理过程，控制单元的功能。
教学方式
电子讲义为主：
概念和原理、程序及说明；教材为辅。
通过典型例题讲授基本概念和原理
教学进程
章序
讲课时数
实验时数
共计时数
第1章计算机系统概述
2
2
第2章计算机的发展及应用
2
2
第3章系统总线
6
6
第4章存储器
6
6
第5章输入输出系统
8
8
第6章计算机的运算方法
10
10
第7章指令系统
8
8
第8章CPU的结构和功能
10
10
第9章控制单元的功能
6
6
第10章控制单元的设计
6
6
总计
64
0
64
备注：
该课程在讲授期间，结合实例进行分析，所以对应的课时安排中需要灵活安排，具体放在哪次课中，根据学生的实际接受情况而定。
教案1
第1次课2学时
课目、课题
第一章计算机系统概论
教学目的
和要求
教学目的：
使学生对计算机的基本组成有个大概的认知，为以后各个部分具体的知识讲解奠定基础。
教学要求：
要求学生掌握计算机软硬件的概念，计算机系统的层次结构，了解计算机组成和计算机体系结构，掌握冯.诺依曼计算机的特点，熟悉计算机的硬件框图，了解计算机的工作步骤。
掌握计算机硬件主要技术指标的原理及运算方法。
重点
难点
重点：
计算机软硬件的概念
计算机系统的层次结构
冯.诺依曼计算机的特点
计算机硬件的主要技术指标
难点：
计算机系统的层次结构
计算机硬件主要技术指标的运算方法
教学进程
教学内容
辅助手段
教学方法
时间分配
计算机软硬件的概念
多媒体
讲授法
5min
计算机系统的层次结构
多媒体
讲授法
举例法
15min
计算机组成和体系结构
多媒体
讲授法
举例法
10min
冯.诺依曼计算机特点
多媒体
讲授法
举例法
15min
计算机的硬件框图
多媒体
讲授法
举例法
5min
计算机解决问题上机前的准确
多媒体
讲授法
举例法
5min
计算机解决问题上机运行
多媒体
讲授法
25min
计算机的硬件指标
多媒体
讲授法
15min
小结
多媒体
讲授法
5min
作业布置
1.3，1.4，1.5，1.7，1.11，1.12
主要
参考资料
《计算机系统概论》，YaleN.Patt,SanjayJ.Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社
PPT+
讲解+
实例
1.1计算机系统简介
1、计算机的软硬件概念
计算机系统由软件和硬件两大部分组成。
硬件指计算机的实体部分。
软件是具有各类特殊功能的程序。
软件分为系统软件和应用软件。
系统软件的作用是管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，高效运行。
应用软件是用户根据需要所编写的程序。
2.计算机系统的层次结构
微程序机器M0（微指令系统）
传统机器M1（机器语言机器）
操作系统M2
虚拟机器M3（汇编语言机器）
虚拟机器M4（高级语言机器）
3.计算机组成和计算机体系结构的区别
结构是程序员所能看到的计算机系统的属性，如指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O处理。
组成是如何实现这些属性。
1.2计算机的基本组成
1.冯.诺依曼计算机的特点
2.计算机的硬件框图
3.计算机的工作步骤
上机前准备
建立模型
确定计算方法
编写程序
上机运行
1.3计算机硬件指标
机器字长
CPU一次能处理的信息的位数，通常与CPU内寄存器的位数有关。
各种语言的例子
存储容量
主存容量=存储字长*存储单元个数
赋存容量
运算速度
1.4本书结构
本书分四篇：
第一篇：
计算机系统概论
第二篇：
计算机的组成，包括CPU，存储器，I/O以及连接它们的系统总线。
第三篇：
CPU
第四篇：
控制单元
自顶向下，由表及里的层次结构，向读者战士计算机的组成及其工作原理。
课后自我总结分析
教案3
第3次课2学时
课目、课题
第三章系统总线
教学目的
和要求
教学目的：
要求学生能对系统总线在计算机硬件结构中的地位和作用有所了解
教学要求：
要求学生掌握总线概念，总线作用，总线连接部件的方式（两种）；掌握总线的分类：
片内总线，系统总线，通信总线。
掌握总线的特性，性能指标，总线标准的概念，了解各个标准总线。
重点
难点
重点：
总线的作用，概念，连接各部件的方式
总线的分类：
片内总线，系统总线，通信总线
总线的特性及性能指标
难点：
总线中的系统总线
教学进程
教学内容
辅助手段
教学方法
时间分配
总线的作用及概念
多媒体
讲授法
10min
各部件之间的互联方式
多媒体
讲授法
举例法
25min
总线的分类：
片内总线
多媒体
讲授法
举例法
5min
总线的分类：
系统总线
多媒体
讲授法
举例法
15min
总线的分类：
通信总线
多媒体
讲授法
举例法
5min
总线的功能
多媒体
讲授法
举例法
20min
总线的性能指标
多媒体
讲授法
举例法
10min
总线标准
多媒体
讲授法
举例法
5min
小结
多媒体
讲授法
5min
作业布置
3.1,3.2,3.5,3.10,3.13,3.14
主要
参考资料
《计算机系统概论》，YaleN.Patt,SanjayJ.Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社
课后自我总结分析
上来直接分析这三种组合逻辑的电路图，让学生有些疑惑，下次应先介绍背景，再分析电路图，再写真值表。
教案8
第8次课2学时
课目、课题
第三章存储单元
教学目的
和要求
讲授计算机中N型和P-型MOS晶体管的基本原理以及由它们组成的逻辑门，逻辑结构。
通过本章的学习，使同学们理解N型和P-型MOS晶体管的基本原理，掌握由P型和N型MOS晶体管如何组成逻辑门，包括非门、或门、或非门、与门和与非门。
掌握两种逻辑结构，组合逻辑结构和存储单元。
掌握如何由组合逻辑与存储单元构成时序逻辑电路。
掌握有限状态机。
最后，使同学们会看电路图，以及根据真值表会画电路图。
重点
难点
重点：
R-S锁存器的三种状态，门控D锁存器，由门控D锁存器组成的寄存器及内存。
难点：
由门控D锁存器组成的内存的读写和存取。
教学进程
教学内容
辅助手段
教学方法
时间分配
R-S锁存器的简介
多媒体
讲授法
5min
R-S锁存器三种有效状态
多媒体
讲授法
举例法
5min
门控D锁存器的简介
多媒体
讲授法
举例法
20min
门控D锁存器的两种状态，写和读
多媒体
讲授法
举例法
5min
寄存器的简介
多媒体
讲授法
举例法
5min
寄存器的写
多媒体
讲授法
举例法
20min
寄存器的读取
多媒体
讲授法
举例法
5min
内存的简介
多媒体
讲授法
5min
内存的写与读取
多媒体
讲授法
25min
小结
多媒体
讲授法
5min
作业布置
23,27
主要
参考资料
《计算机系统概论》，YaleN.Patt,SanjayJ.Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社
课后自我总结分析
只分析了R-S锁存器和门控D锁存器的电路图，没有介绍它们的区别，下次课复习的时候加上。
教案9
第9次课2学时
课目、课题
第三章时序逻辑电路
教学目的
和要求
讲授计算机中N型和P-型MOS晶体管的基本原理以及由它们组成的逻辑门，逻辑结构。
通过本章的学习，使同学们理解N型和P-型MOS晶体管的基本原理，掌握由P型和N型MOS晶体管如何组成逻辑门，包括非门、或门、或非门、与门和与非门。
掌握两种逻辑结构，组合逻辑结构和存储单元。
掌握如何由组合逻辑与存储单元构成时序逻辑电路。
掌握有限状态机。
最后，使同学们会看电路图，以及根据真值表会画电路图。
重点
难点
重点：
时序逻辑电路和组合逻辑电路的区别，组合锁，密码锁，有限状态机，状态图。
难点：
时序锁的状态图，交通灯的状态图。
教学进程
教学内容
辅助手段
教学方法
时间分配
时序逻辑电路的简介
多媒体
讲授法
5min
时序逻辑电路的组成
多媒体
讲授法
举例法
15min
时序逻辑电路和组合逻辑电路区别
多媒体
讲授法
举例法
10min
组合锁和密码锁
多媒体
讲授法
举例法
5min
有限状态机
多媒体
讲授法
举例法
15min
状态图
多媒体
讲授法
举例法
10min
时钟
多媒体
讲授法
举例法
5min
时序锁的状态图
多媒体
讲授法
5min
交通灯的状态图和电路图
多媒体
讲授法
25min
小结
多媒体
讲授法
5min
作业布置
28,30,31,34
主要
参考资料
《计算机系统概论》，YaleN.Patt,SanjayJ.Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社
课后自我总结分析
基本讲述清楚，下次在有限状态机的概念及表示上多用一些时间。
教案10
第10次课2学时
课目、课题
第四章冯.诺依曼模型
教学目的
和要求
讲授冯诺依曼模型的五个重要组成部分：
输入设备，内存，处理器，控制器和输出设备；LC-3相应的五个组成部分；计算机的执行单元指令，指令周期的六个节拍：
取指令，译码，地址计算，取操作数，执行，存储结果。
重点
难点
重点：
冯诺曼模型的五个组成部分，内存的两个接口（MAR,MDR），处理器和控制器的组成部分及控制器的工作原理，LC-3的五个组成部分，指令周期。
难点：
控制器的工作原理，指令周期。
教学进程
教学内容
辅助手段
教学方法
时间分配
复习上节课内容
多媒体
讲授法
5min
冯.诺依曼模型
多媒体
讲授法
举例法
15min
输入设备和输出设备
多媒体
讲授法
举例法
10min
内存的组成部分：
MAR,MDR,存储单元；内存的读写步骤，寻址空间、能力。
多媒体
讲授法
举例法
25min
处理器的组成部分：
逻辑功能单元和临时寄存器。
多媒体
讲授法
举例法
20min
控制单元的组成部分：
IR和PC，以及其工作原理。
多媒体
讲授法
举例法
15min
LC-3的五个组成部分
多媒体
讲授法
举例法
10min
指令的概念及注意事项
多媒体
讲授法
10min
作业布置
4.3,4.5,4.8
主要
参考资料
《计算机系统概论》，YaleN.Patt,SanjayJ.Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社
课后自我总结分析
该部分讲述比较清楚，下次让学生自己介绍内存单元的读写过程，增强他们的理解。
教案11
第11次课2学时
课目、课题
第四章冯.诺依曼模型
教学目的
和要求
讲授冯诺依曼模型的五个重要组成部分：
输入设备，内存，处理器，控制器和输出设备；LC-3相应的五个组成部分；计算机的执行单元指令，指令周期的六个节拍：
取指令，译码，地址计算，取操作数，执行，存储结果。
重点
难点
重点：
冯诺曼模型的五个组成部分，内存的两个接口（MAR,MDR），处理器和控制器的组成部分及控制器的工作原理，LC-3的五个组成部分，指令周期。
难点：
控制器的工作原理，指令周期。
教学进程
教学内容
辅助手段
教学方法
时间分配
复习上节课内容
多媒体
讲授法
5min
指令的基本概念
多媒体
讲授法
举例法
15min
指令周期之取指令
多媒体
讲授法
举例法
10min
指令周期之译码
多媒体
讲授法
举例法
25min
指令周期之地址计算
多媒体
讲授法
举例法
20min
指令周期之取操作数
多媒体
讲授法
举例法
15min
指令周期之执行及存储结果
多媒体
讲授法
举例法
10min
如何停机
多媒体
讲授法
10min
作业布置
4.11，4.13，4.15
主要
参考资料
《计算机系统概论》，YaleN.Patt,SanjayJ.Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社
课后自我总结分析
停机过程讲的很仓促，下次放慢一些。
教案12
第12次课2学时
课目、课题
第五章LC-3结构
教学目的
和要求
通过本节课的学习，学生需要掌握ISA（指令集结构）的概念及组成部分：
内存组织，寄存器和指令集，掌握指令集的组成部分：
操作码，数据类型和寻址模式。
重点
难点
重点：
ISA的概念，内存和寄存器的组织形式，指令集的组成部分。
难点：
指令集的数据类型和寻址模式。
教学进程
教学内容
辅助手段
教学方法
时间分配
复习上节课内容
多媒体
讲授法
15min
ISA的概念
多媒体
讲授法
举例法
5min
内存组织（寻址空间，寻址能力）
多媒体
讲授法
举例法
20min
寄存器（LC-3有8个通用寄存器）
多媒体
讲授法
举例法
15min
指令集的操作码
多媒体
讲授法
举例法
20min
指令集的数据类型（补码）
多媒体
讲授法
举例法
15min
指令集的寻址模式的概念及作用
多媒体
讲授法
举例法
10min
指令集的寻址模式的分类（内存，寄存器和立即数）
多媒体
讲授法
10min
作业布置
5.1,5.3,5.7,5.9
主要
参考资料
《计算机系统概论》，YaleN.Patt,SanjayJ.Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社
课后自我总结分析
指令集的数据类型都是补码，下次将为什么是补码详细介绍一下，并再复习一下补码的表示方法。
教案13
第13次课2学时
课目、课题
第五章LC-3结构
教学目的
和要求
通过本节课的学习，使学生们掌握LC-3结构三种操作指令的概念，掌握运算指令，数据迁移指令的步骤及作用。
重点
难点
重点：
LC-3结构的运算指令和数据迁移指令。
难点：
ADD与AND指令的两种形式，Load指令和Store指令的区别及它们的三种实现方式。
教学进程
教学内容
辅助手段
教学方法
时间分配
复习上节课内容
多媒体
讲授法
5min
运算指令ADD的两种形式
多媒体
讲授法
举例法
15min
运算指令AND的两种形式
多媒体
讲授法
举例法
10min
运算指令NOT的步骤
多媒体
讲授法
举例法
5min
数据迁移指令的类型（两种）
多媒体
讲授法
举例法
20min
数据迁移的LD和ST指令的步骤及内存运算方式（PC+offset）
多媒体
讲授法
举例法
15min
数据迁移的LDI和STI指令的步骤及内存运算方式（PC+offset算得操作数的地址的地址）
多媒体
讲授法
举例法
10min
数据迁移的LDR和STR指令的步骤及内存运算方式（PC+offset算得操作数的地址的地址）
多媒体
讲授法
举例法
10min
立即数寻址指令LEA与LD指令的区别及操作步骤
多媒体
讲授法
举例法
10min
小结
多媒体
讲授法
举例法
10min
作业布置
5.15,5.17,5.19
主要
参考资料
《计算机系统概论》，YaleN.Patt,SanjayJ.Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社
课后自我总结分析
讲述清楚，下次引领学生分析指令的结构。
教案14
第14次课2学时
课目、课题
第五章LC-3结构
教学目的
和要求
通过本节课的学习，使学生们掌握LC-3结构第三种指令——控制指令的概念及分类，掌握条件转移指令的原理及跳转方式，掌握无条件跳转指令的跳转步骤，了解TRAP指令通过陷入矢量来决定的三种代表性操作（输入（x23），输出（x21）及停机（x25））。
重点
难点
重点：
条件跳转指令，无条件跳转指令，TRAP指令。
难点：
条件码和检测码的区别。
教学进程
教学内容
辅助手段
教学方法
时间分配
复习上节课内容
多媒体
讲授法
5min
条件码的概念及设定依据
多媒体
讲授法
举例法
15min
条件码和检测码的区别
多媒体
讲授法
举例法
10min
条件跳转的方式（BR指令）
多媒体
讲授法
举例法
25min
无条件跳转指令的跳转步骤（JMP）
多媒体
讲授法
举例法
20min
TRAP指令的简介
多媒体
讲授法
举例法
15min
陷入矢量的作用
多媒体
讲授法
举例法
10min
小结
多媒体
讲授法
10min
作业布置
5.21，5.30
主要
参考资料
《计算机系统概论》，YaleN.Patt,SanjayJ.Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社
课后自我总结分析
条件码和检测码的区别是重点难点，这个知识点应花一些时间并通过实例给学生讲清楚。
教案15
第15次课2学时
课目、课题
第五章LC-3结构
教学目的
和要求
通过本节课三个例子的学习，使学生学会分析指令编写的程序。
重点
难点
重点：
两个求和程序的分析（一个是计数器，一个是哨兵法）。
难点：
字符数统计的例子。
教学进程
教学内容
辅助手段
教学方法
时间分配
复习上节课内容
多媒体
讲授法
5min
计数器控制循环的基本原理
多媒体
讲授法
举例法
15min
计数器求和的指令分析
多媒体
讲授法
举例法
15min
哨兵法控制循环的基本原理
多媒体
讲授法
举例法
10min
哨兵法求和的指令分析
多媒体
讲授法
举例法
15min
字符数统计的基本原理
多媒体
讲授法
举例法
10min
字符数统计的指令分析
多媒体
讲授法
举例法
20min
小结
多媒体
讲授法
10min
作业布置
5.31，5.33
主要
参考资料
《计算机系统概论》，YaleN.Patt,SanjayJ.Patel主编，梁阿磊等译，机械工业出版社
课后自我总结分析
实例程序的讲解应该着重原理，先把原理讲清楚，例子的讲解会容易一些，学生理解起来也轻松一些。
教案16
第16次课2学时
课目、课题
第五章LC-3结构
教学目的
和要求
通过本节课的学习，了解LC-3的数据通路。
重点
难点
重点：
数据通路的基本部件。
难点：
指令周期内个部件的工作流程。
教学进程
教学内容
辅助手段
教学方法
时间分配
复习上节课内容
多媒体
讲授法
5min
数据通路的全局总线
多媒体
讲授法
举例法
15min
数据通路的内存
多媒体
讲授法
举例法
15min
数据通路的ALU和寄存器文件
多媒体
讲授法
举例法
10min
数据通路的PC和PCMUX
多媒体
讲授法
举例法
15min
数据通路的MARMUX
多媒体
讲授法
举例法
10min
通过指令周期看数据通路
多媒体
讲授法
举例法
20min
小结
多媒体
讲授法
升级会员 