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计算机组成原理教案

教案

授课课程：

计算机组成原理

使用教材：

计算机组成原理唐朔飞主编

课程类别：

必修课

授课班级：

计算机科学___

前言

本教案基于“面向21世纪课程教材”-普通高等教育“十一五”国家级规划教材唐朔飞编著的“计算机组成原理”第二版。

教案包括：

课程总体设计；实验内容设计；研究型教学设计；章节设计；单元设计等。

课程总共64学时，其中理论课程48学时，实验16学时。

研究型教学内容不占课堂学习学时，在实际教学的执行中，可根据具体情况，选择部分研究型教学内容。

在教学过程中，可综合应用各种教学手段和教学模式，包括混合式教学及翻转课堂等，并充分利用慕课、微课等电子资源。

一总体教学设计

本课程讲述单机系统计算机各部件和系统的组成原理及其内部工作机制，使学生能够掌握计算机各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成整机系统的技术。

课程主要内容包括：

计算机的发展概况、计算机的分类和应用、计算机的层次结构；计算机中数据的表示方法及其主要部件；计算机内部的指令系统；如指令格式、指令类型、寻址方式等、计算机内部的存储系统；存储介质的存储原理以及今后的发展方向；CPU的逻辑组成和工作过程；常用输入/输出设备的结构和工作原理：

输入/输出系统的组成，CPU与外设间传送数据的控制方式等。

课程首先讲述冯诺依曼结构计算机的五大部件：

运算器、控制器、I/O和存储器系统。

然后，面向ALU和CU，从数据的表示方法、运算方法、运算部件、控制器讲述计算机的基本运行原理。

最后介绍硬布线逻辑和微程序控制器的原理。

课程按照由系统整体概貌介绍开始，沿着核心的部件CPU的功能展开，介绍运算器和控制器的工作原理，再分析控制器的设计方法和工作原理，由浅入深、循序渐进，使学生理解计算机各个部件的工作原理，教学整体思路的示意图如图1所示。

图1课程内容之间的关系图

1.1教学目的和要求

1、教学目标

计算机组成原理是计算机科学与技术专业的专业基础课程，其教学目标是：

理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。

理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。

通过本课程的学习，理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。

对计算机硬件新技术以及发展方向有一定的了解，为进一步学习计算机专业后继课程打下良好基础。

通过本课程的学习，学生应达到如下能力：

1.掌握计算机组成的基本理论知识和工程基础知识，了解计算机硬件的发展现状和趋势。

2.能够运用计算机组成的基本原理和方法，对计算机硬件系统中的实际问题进行分析、计算和设计。

3.具有不断自主学习和适应学科发展的能力。

2、教学要求

（1）了解计算机的发展历史和最新动态，形成对计算机整机系统总体的认识，掌握计算机各个部件的基本工作原理、基本思想与基本设计方法。

（2）理解计算机系统中硬件与软件的关系，具有一定的利用算法设计计算机功能部件的能力。

（3）掌握典型计算机系统中的控制器的设计方法，具备对整机系统进行分析设计的基本能力。

1.2教学手段和教学方法

1.2.1教学手段

（1）采用多媒体和板书配合，使用图片、视频等丰富教学演示，激发学生的学习兴趣。

（2）采用案例分析的方法，提高对计算机各个部件工作原理的认识。

（3）理论与实践相结合，加强实践教学，使学生在实验过程中，理解计算机各个部件的工作原理，提高对部件的设计开发能力。

（4）创建仿真环境，使学生能够对部件设计中相关的问题进行设计和调试，提高实验教学的效率。

（5）采用研究型的教学方法，引导学生进行研究型的学习，拓展学生的探索研究能力。

（6）利用网络教学平台进行翻转教学和混合式的教学。

1.2.2教学方法

（1）启发式和研究型的教学方法

计算机组成原理属于硬件类的课程，而通过语言描述硬件的构成和原理比较抽象，有时也不太好理解。

根据上课的同学都有数字电子技术基础的特点，为了提高学习效率，采用启发式的教学模式，以学习过的知识为基础，提出问题，并启发引导同学积极思维，调动学生学习的积极性、主动性和创造性，在引入计算机组成原理的知识点，达到举一反三、触类旁通的目的。

同时，设计适中的探索性的研究题目，这些题目在书本、网络上没有直接的答案，促进自主学习的能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。

（2）任务驱动式的教学法

针对每一章节的教学目标，都设置一定数量的问题和课后习题，采用任务式驱动教学法，增强学习目的性和针对性。

充分利用网络，对同学所做习题中出现的问题及时纠正、反馈，提高学习效率。

（3）理论与实践相结合

计算机组成原理课程的部分内容比较复杂，如微程序设计部分的内容，比较抽象，不易理解。

为了解决这些问题，一方面采用动画演示的方法，使学生提高感性认识。

另外，采用仿真的方法，提高教学效果。

提供给学生微程序设计的仿真环境，使他们在仿真环境中，通过跟踪指令的执行过程，理解计算机部件的控制过程和原理。

充分发挥实验室的作用，通过一系列的实验，使理论与实践相结合，同学通过实际的操作、通过电路和程序的设计、调试，达到课程的教学目标。

1.3把前沿内容引进课堂

在教学中与时俱进，优化课程内容，与计算机发展保持同步，注重介绍计算机系统的最新研究和应用进展。

主要介绍：

1）Cache；2）流水线；3）多体交叉存储器；4）RISC；5）MIPS等。

1.4教材与参考资料

教材：

唐朔飞．计算机组成原理．北京：

高等教育出版社，2011．

主要参考资料：

[1]

白中英．计算机组成原理．北京：

科学出版社，2010．

[2]

唐朔飞．计算机组成原理：

学习指导与习题解答．北京：

高等教育出版社，2006．

[3]

薛胜军．计算机组成原理．武汉：

华中科技大学出版社，2010．

[4]

薛胜军．计算机组成原理学习指导与实验．武汉：

华中科技大学出版社，2006．

[5]

PattersonDA，HennessyJL．ComputerOrganizationandDesign：

TheHardware/SoftwareInterface．ChinaMachinePress，2006．

1.5教学内容和安排

本课程总计64课时，其中课堂讲授48课时，实验教学16课时。

总体安排如下：

序号

知识单元（章节）

知识点

要求

推荐学时

计算机系统概论

冯诺依曼结构计算机硬件系统的基本组成和指令的执行过程

了解

计算机系统层次结构

理解

运算方法和运算器

进位计数制及其相互转换方法；定点小数和整数的表示，包括原码、反码、补码和移码表示

掌握

定点数的移位运算、原码及补码加减运算的方法、溢出的概念与检测方法

掌握

定点乘法运算的工作原理

掌握

ALU的功能、设计方法和工作原理

理解

浮点数的表示和规格化表示方法，浮点运算方法

掌握

存储器及存储系统

主存储器的技术指标与存储系统的分类、层次化结构特点

了解

SRAM、DRAM的组成和工作原理

了解

flash和只读存储器的组成和工作原理

了解

主存储器与CPU的连接的方法

掌握

双端口存储器、多模块存储器的组成和工作原理

理解

Cache的基本工作原理，Cache和主存之间的映射方式,替换策略

掌握

虚拟存储器概念，理解段式、页式、段页式虚拟存储器的工作原理,替换策略

理解

指令系统

指令的基本格式及各个组成部分的功能

理解

指令字扩展的方法

掌握

指令和数据的寻址方式

掌握

中央处理器

CPU的基本组成和功能

理解

典型指令的指令周期，能够用方框语言表示指令周期

掌握

时序产生器的功能和工作原理

了解

微程序控制器的工作原理和设计方法

掌握

硬布线控制器的组成和工作原理

理解

流水线的工作原理

了解

总线系统

总线的功能、组成及性能指标

了解

集中仲裁方式和分布仲裁方式

同步定时方式异步定时方式

了解

总线的控制方式和总线的通信方式

掌握

输入输出系统

I/O接口的功能和基本结构， I/O端口及其编址的基本方法

了解

I/O的程序查询方式、程序中断方式、DMA信息交换方式

掌握

通道方式的基本原理

了解

实验

运算方法和运算器

掌握

存储器及存储系统

掌握

指令系统

了解

微程序设计

掌握

中断实验

掌握

1.5.1课堂教学内容及安排

1）计算机系统概论（2学时）

（1）．教学内容

计算机发展历程，计算机软件系统和硬件系统的组成和特点，计算机的工作过程，计算机的层次结构。

（2）．基本要求

（1）了解计算机硬件系统的基本组成和指令的执行过程，了解软件的种类和特点。

（2）掌握描述计算机系统的性能参数，包括：

吞吐量、响应时间；CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间、MIPS等。

（3）理解计算机系统层次结构的定义。

（3）．重点和难点

重点：

冯诺依曼结构计算机的组成和特点。

难点：

计算机系统的层次结构。

2）运算方法和运算器（10学时）

（1）．教学内容

数制与编码，定点数的表示和运算，浮点数的表示和运算，算术逻辑单元ALU。

（2）．基本要求

掌握进位计数制及其相互转换方法，掌握真值和机器数、BCD码、字符与字符串、校验码的表示方法。

掌握定点小数和整数的表示，包括原码、反码、补码和移码表示，掌握各种机器码的特点和数的表示范围。

掌握定点数的移位运算、原码及补码加减运算的方法、溢出的概念与检测方法。

理解定点乘法运算和除法运算的工作原理。

理解ALU的功能、设计方法和工作原理。

掌握浮点数的表示和规格化表示方法。

掌握浮点运算方法，了解浮点运算器的组成和原理。

了解文字与字符串的表示方法。

了解算术逻辑单元ALU的功能和结构。

（3）．重点和难点

重点：

机器码的转换，定点和浮点运算算法。

难点：

定点运算器和浮点运算器的工作原理和设计方法。

3）存储器及存储系统（10学时）

（1）．教学内容

存储器的分类、层次化结构，SRAM、DRAM芯片的结构、工作原理，主存储器与CPU的连接，双端口存储器，多模块存储器，高速缓冲存储器（Cache）和虚拟存储器。

（2）．基本要求

了解主存储器的技术指标与存储系统的分类、层次化结构特点。

理解SRAM、DRAM的组成和工作原理。

了解flash和只读存储器的组成和工作原理。

掌握主存储器与CPU的连接的方法。

了解双端口存储器、多模块存储器的组成和工作原理。

掌握Cache的基本工作原理，掌握Cache和主存之间的映射方式，了解各种替换策略的优缺点。

掌握虚拟存储器概念，理解段式、页式、段页式虚拟存储器的工作原理，了解各种替换策略的特点。

（3）．重点和难点

重点：

各种存储器的工作原理，结构特点。

难点：

存储器系统的组织。

4）指令系统（4学时）

（1）．教学内容

指令的基本格式，扩展操作码指令格式，指令的寻址方式、功能和分类，CISC和RISC的基本概念。

（2）．基本要求

理解指令的基本格式及各个组成部分的功能。

掌握指令字扩展的方法。

掌握指令和数据的寻址方式。

（3）．重点和难点

重点：

指令格式，寻址方式。

难点：

指令字的扩展。

5）中央处理器（10学时）

（1）．教学内容

CPU的功能和基本组成，机器指令的执行过程，数据通路的功能和基本结构，控制器的功能和工作原理，指令流水线的基本概念。

（2）．基本要求

掌握CPU的基本组成和功能。

掌握典型指令的指令周期，能够用方框语言表示指令周期。

了解时序产生器的功能和工作原理。

掌握微程序控制器的工作原理和设计方法。

理解硬布线控制器的组成和工作原理。

了解流水线的工作原理。

（3）．重点和难点

重点：

CPU的组成和工作原理，指令的执行过程。

难点：

微程序设计原理和方法。

6）总线系统（2学时）

（1）．教学内容

总线概述，总线仲裁，总线操作和定时，总线标准。

（2）．基本要求

了解总线的功能、组成及性能指标。

了解集中仲裁方式和分布仲裁方式。

了解同步定时方式异步定时方式。

掌握总线的控制方式和总线的通信方式。

（3）．重点和难点

重点：

总线的组成和功能。

难点：

总线的控制方式。

7）输入输出系统（8学时）

（1）教学内容

I/O系统的基本概念，I/O接口（I/O控制器），I/O方式。

（2）基本要求

了解I/O接口的功能和基本结构， I/O端口及其编址的基本方法。

掌握I/O的程序查询方式、程序中断方式、DMA信息交换方式。

了解通道方式的基本原理。

（3）重点和难点

重点：

外部设备和系统进行信息交换的原理、接口组成。

难点：

中断和DMA控制器的组成和工作原理。

1.5.2实践教学及安排

实验教学安排7个实验，共16个学时，具体时间安排如下：

序号

时间

内容

备注

6周周三（4.15）

运算器实验I

2学时

7周周三（4.22）

运算器实验II

2学时

9周周三（5.6）

存储器及存储系统

2学时

10周周三（5.13）

基础汇编语言

2学时

12周周三（5.27）

微程序验证实验

3学时

13周周三（6.3）

微程序设计实验

3学时

15周周三（6.17）

中断实验

2学时

实验内容介绍：

1）运算器实验I

实验目的：

了解脱机操作下AM2901运算器的功能与控制信号的使用，了解运算器AM2901的内部结构及工作时序，观察运算器运算的结果对状态标志的影响。

实验内容：

AM2901运算器的功能，AM2901的级联用法，运算器的组成和控制原理。

2）运算器实验II

实验目的：

深入了解AM2901运算器的功能与具体用法，掌握用AM2901完成各种运算操作时各控制信号的使用，观察指令执行的结果对状态标志的影响；了解4片AM2901的级联方式，深化运算器部件的组成、设计、控制与使用等诸项知识。

实验内容：

寄存器的立即数赋值；

寄存器算数运算；

逻辑运算

移位运算

联合移位运算

3）．存储器及存储系统

实验目的：

在教学计算机上设计、实现并调试出存储器容量扩展的实验内容。

要求：

1）理解计算机内存储器的功能、组成知识；

2）掌握静态存储器芯片的读写原理及其组成教学计算机存储器系统的方法（即字、位扩展技术），控制其运行的方式；

实验内容：

要完成存储器容量扩展的教学实验，需为扩展存储器选择一个地址，并注意读写和OE等控制信号的正确状态；

用监控程序的D、E命令对存储器进行读写，比较RAM（6116）、EEPROM（28系列芯片）在读写上的异同；

用监控程序的A命令编写一段程序，对RAM（6116）进行读写，用D命令查看结果是否正确；

用监控程序的A命令编写一段程序，对扩展存储器EEPROM（28系列芯片）进行读写，用D命令查看结果是否正确；如不正确，分析原因，改写程序，重新运行。

4）．基础汇编语言程序设计

实验目的：

学习和了解TH-union教学实验系统硬件组成；

学习和了解TH-union教学实验系统监控命令的用法；

学习和了解TH-union教学实验系统的指令系统；

学习简单的TH-union教学实验系统汇编程序设计；

实验内容：

学习联机使用TH-union教学实验系统和仿真终端软件PCEC.

使用监控程序的R命令显示/修改寄存器内容、D命令显示存储器内容、E命令修改存储器内容；

使用A命令写一小段汇编程序，U命令反汇编刚输入的程序，用G命令连续运行该程序，用T、P命令单步运行并观察程序单步执行情况。

5）．微程序验证实验

实验目的：

了解微程序控制器的功能、组成；

理解典型机器指令的控制流程；

实验内容：

看懂TH-union教学计算机的功能部件组成和线路逻辑关系，然后分析教学计算机中已经设计好并正常运行的几条典型指令（例如，ADD、MVRR、OUT、MVRD、JRC、CALA、RET等指令）的功能、格式和执行流程，注意各操作功能所对应的控制信号的作用。

6）．微程序设计实验

实验目的：

掌握微程序控制的设计方法

实验内容：

设计实验系统中不存在的机器指令，写出其指令格式、各个字段的含义、功能描述，并在教学计算机上进行调试，验证其正确性。

7）．输入输出系统

实验目的：

加深理解计算机系统中断工作的原理及处理过程。

学习和掌握中断产生、响应、处理等技术；

实验内容：

扩展开中断指令EI、关中断指令DI、中断返回指令IRET不能用汇编命令输入，只能用E命令输入指令的机器代码。

确定中断向量表地址。

中断向量表的高12位由数据开关确定为（001001000000）。

三级中断对应的中断向量为2404H、2408H、240CH。

当有中断请求且被响应后，将执行存放在该中断的中断向量所指向的内存区的指令。

填写中断向量表。

在上述的2404H、2408H、240CH地址写入三条JR转移指令，JR指令的OFFSET是偏移量，但在PCEC16中输入时，用户不需要计算偏移量，直接输入要转向的绝对地址即可。

编写中断服务程序。

中断服务程序可以放在中断向量表之后，中断服务程序可实现在程序正常运行时在计算机屏幕上显示与优先级相对应的不同字符；

写主程序。

可编写一死循环程序，要求先开中断。

1.6研究型教学

计算机组成原理研究性教学是针对《计算机组成原理》的理论和实验教学内容的拓展和延伸，是计算机组成原理教学的重要环节。

研究性教学的指导思想是在本课程理论和基本实验的基础上，创造学生独立思考和工程设计的实践环境，使学生在掌握计算机各部件的基本结构和工作原理的基础上，帮助同学建立计算机时间-空间和整机系统的概念，培养学生的实验操作能力和分析解决问题能力。

通过研究性教学，开阔学生对计算机领域的知识面，尤其是硬件领域；了解硬件设计的基本工具和基本知识，掌握计算机硬件的设计方法，加深对计算机系统的认识。

1.6.1研究性教学训练载体的设计

配合理论教学和实验，在考虑学生的能力和时间的情况下，本课程安排了综合性的研究性专题，专题名称、研究内容及相关的知识点如下表所示：

专题名称

研究内容及要求