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《计算机组成原理》教案
《计算机组成原理》教案授课学时：72 学时 授课对象：12 秋开放教育计算机本科 授课时间：2012 年 授课教师：杨老师《计算机组成原理》教学内容： 研究讨论单台计算机的完整硬件系统的基本组成原理与内部运 行机制。 课程性质：计算机科学与技术及相关专业的基础课程。 课程的目的和任务：用层次结构的观点并以信息的加工、处理为主线研究 计算机硬件结构及工作原理； 使学生掌握计算机硬件系统中各大部件的组 成原理、逻辑实现、设计方法及互连构成整机的技术；培养学生对硬件系 统的分析、设计、开发、使用和维护方面的能力，建立牢固的整机思想。 课程特点：内容覆盖面广，基本概念多、抽象，难以建立计算机的整机概 念。 教学目标：尽可能清晰而完整地介绍当代计算机系统的性质和特征。 具有挑战性： 计算机系统的多样性：价格、体积、性能和应用等。 计算机技术的飞速发展：低层的集成电路计算机和并行组织技术。 课程内容的工程性、技术性、实用性都比较强，因此，在学习计算机组成 的原理性知识之外，还应有较多的设计与实验技能训练。 课程的教学基本要求:使学生学懂简单、完整的单台计算机的基本部件和 整机系统组成，以及计算机部件连接关系和运行机理，了解计算机系统结 构的入门性知识，掌握使用和简单维护计算机系统的基本技能。教学方法和教学形式建议:本课程采用远程教学和面授辅导相结合的方式 开展教学。远程教学包括要求学生收看电视录像课、网上的流媒体（IP） 课件、网上教学辅导、实时和非实时答疑等多种教学形式；面授辅导应考 虑学生的在职和成人特点和需求，在业余时间进行有针对性的学习指导。 平时作业既是学生自我检验学习水平的一种形式， 也是很重要的形成性考 核手段， 各级电大教学点应配合面授辅导教师督促学生独立完成并及时批 改和反馈，必要时应要求学生重做。 小组讨论课是在教师引领下对预先布置的主题开展讨论的一种教学活动 形式。这种教学活动能够很好地激发学生的学习兴趣，各级电大教学点应 配合面授辅导教师组织实施。 同时， 小组讨论课也是一种形成性考核形式， 教师应注意把握“引领”、“提问”和“点评”等多个教学指导环节，并 依据标准给予每个学生合理的学习评价。 课程教学要求的层次: 1．掌握：属于课程中最重要的内容。要求学生能够熟练运用这部分知识 对相关问题做基本的分析、计算和处理，具有基本的应用能力和举一反三 的能力。 2．理解：属于课程中较重要的内容。要求学生能够运用这部分知识对相 关问题进行简单的分析、判断和说明，具有区别或区分容易被混淆的概念 的能力， 以及读懂原理框图、 流程图、 程序语句和简单逻辑电路图的能力。3．了解：属于课程中与上述“掌握”和“理解”部分相关的较复杂的内 容， 作为提高或扩大知识面的内容。 要求学生对这部分知识能够初步认识、 学会、记忆或简单理解，具有简要描述、叙述、说明和举例的能力。 学时分配教学内容 一、计算机系统概述 二、数据表示和运算方法 三、运算器部件 四、指令系统和汇编程序设计 五、控制器部件 六、存储器系统 七、计算机输入/输出设备与系统 八、并行计算机体系结构 合计课内学时 6 10 8 9 9 12 12 6 72第一章节：计算机系统概述（6 学时）主要内容： 1、 2、 计算机系统的基本组成和它的层次结构 计算机硬件系统的 5 个功能部件及其功能计算机硬件的主要的技术和性能指标计算机系统的体系结构、组成和实现概述计算机系统的 发展、应用与分类 教学要求: 1．了解计算机系统硬软件的组成和它们的层次关系； 2．理解计算机硬件系统的 5 大功能部件和各自的功能； 3．理解计算机部件的连接关系和整机运行过程的入门性知识； 4．了解 3 个级别的计算机语言； 5．理解计算机系统的主要性能与技术指标； 6．理解计算机“体系结构”、“组成”和“实现”各自面对的主要问题； 7．了解计算机发展历程和应用领域； 8．了解计算机系统分类。知 识 结 构 图运算器 中央处理器 主机 硬件 内存储器 外存储器 外部设备 输入设备 输出设备 操作系统 系统软件 软件 应用软件 语言处理程序 服务性程序 通用软件 用户程序 控制器计 算 机 系 统一、 计算机系统的基本组成和它的层次结构构成计算机硬件和软件的 6 个层次5、高级语言层软件部分4、汇编语言层3、操作系统层2、指令系统层1、微体系结构层硬件部分0、数字逻辑层二、 计算机硬件系统的 5 个功能部件及其功能CPU运算器 部件 存储器 部件计算机主机控制器 部件数据总路线 地址总路线 控制总路线接口线路 （输入设备）接口线路 （输出设备）计算机外围设备 三、 计算机硬件的主要的技术和性能指标 1、 计算机字长计算机普遍使用二进制，只有 0 和 1 两个值，相邻数位之间采用“逢 二进一”的规则处理，在计算机系统内部，通常选用多少个二进制位 来表示一个数据或一条指令是一个关键技术指标，例如 16 位、32 位 或者 64 位，这个位数被称为计算机字长。 2、 CPU 速度衡量 CPU 速度，通常有两种方式。 第一种方式使用 CPU 主频。 第二种方式使用 CPU 每一秒钟能执行的指令条数，单位是 MIPS。 3、 存储容量计算机中的存储器通常包括内存储器和外存储器两大类。 四、 算机系统的体系结构、组成和实现概述计算机的体系结构 通常是指涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所见到的计算机 系统的属性，更多说的是计算机的外特性，是硬件子系统的结构概念 及其功能特性。 2、 计算机组成是在依据计算机体系结构确定并且分配了硬件子系统的概念结构和功 能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成、它们之间的连接关 系、实现机器指令级的各种功能和特性。 3、 计算机实现是计算机组成的物理实现。 五、 算机系统的发展、应用与分类计算机发展： 自计算机诞生以来，大约每 5~8 年，计算机的运算速度可提高 10 倍，可 靠性可提高 10 倍，体积可缩小至原来的 1/10，成本也降低为原来的 1/10。 自 20 世纪 70 年代以来，计算机的产量以每年 25％的速度递增。 具体可分为五个发展阶段： 第一阶段：电子管计算机（） 第二阶段：晶体管计算机（） 第三阶段：中小规模集成电路计算机() 第四阶段：大规模集成电路计算机（） 第五阶段：新一代计算机（1990~现在） 计算机的分类按照功能划分： 通用计算机：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机 专用计算机：有效、经济、快速 按照信息的形式和处理方法分： 电子模拟计算机 电子数字计算机 第二章节：数据表示和运算方法（10 学时） 主要内容： 1、 2、 3、 4、 5、 6、 二进制码与不同进制数之间的转换 定点数在计算机内的表示与编码 浮点数在计算机内的表示 文字和多媒体信息的表示与编码 数据校验码 二进制数值数据的运算算法教学要求: 1．掌握数制及数制转换的基本概念，熟练运用各种进制数间的转换 规则进行手工转换运算； 2．掌握原码、反码和补码的基本概念和定义，并能熟练完成定点数 的原码、反码和补码之间的转换； 3．理解常用二-十进制数编码的特点，能够说明各种不同编码的实用 意义；4．理解浮点数在计算机内的表示方法，能够说明阶码和尾数的位数 与数值范围和数值精度的关系； 5．了解浮点数的规格化和隐藏位的含义，会判断浮点数的溢出； 6．掌握十进制数与浮点数间的转换运算； 7．了解文字和多媒体信息的表示的基本概念； 8．理解检错纠错编码的用途，能够区分几种常见的校验码，能够说 明奇偶校验码的实现方法， 能够说明海明码及循环码实现检错和纠错的道 理； 9．掌握运用定点数的补码加减法运算规则进行基本的运算和溢出检 查的方法； 10．了解定点数的原码一位乘、除法的可行算法 知 识 结 构 图④非数值数据的编 码 西文字符的编码 汉字的编码 多媒体信息的编码①各种数制间的转换②定点数的编码 原码 补码 反码数据表示 和 运算方法⑤纠错码和检错 码 奇偶校验码 海明码 CRC 编码③浮点数的编码与规格化 浮点数的编码 浮点数的规格化 浮点数的 IEEE754 标准⑥补码加减法、原码一位 乘除法的运算方法一、 进制码与不同进制数之间的转换1、十进制到二进制数的转换十进制与二进制数的转换要分为整数与小数两种情况分别转换。 ①整数的转换：采用除 2 取余，高位至下，直到商为 0 时结束。 ②小数的转换：采用乘 2 取整，高位至上，位数达到要求或小数部分 为 0 时结束。 2、 二进制到十进制数的转换二进制到十进制数的转换通常按公式（2、2）对二进制数各位的实际 值累加求和完成。 例： （1×24+0×23+1×22+1×21+0×20=22 3、 八进制到二进制数的转换因为 23=8，故 1 个八进制位对应 3 个二进制位，可以把 1 个八进制位 数的整数部分和小数部分的每一位分别转换成 3 个二进制数。 4、 二进制到八进制数的转换因为 23=8，故 3 个二进制位对应 1 个八进制位，可以从小数点位置分 别向左和向右把每 3 位二进制数划分为一组， 并转换成 1 位八进制数。 注意：小数部分分组时若低位不足 3 位时要用 0 补足，否则会出错。 5、 十六进制到二进制数的转换因为 24=16，故 1 个十六进制位对应 4 个二进制位，可以把 1 个十六进 制数的整数的整数部分和小数部分的每一位分别转换成 4 位二进制 数。 6、 二进制制到十六进数的转换因为 24=16，故 4 个二进制位对应 1 个十六进制位，可以从小数点位置分别向左和向右把每 4 位二进制数划分为一组，并转换成 1 位十六进 制数。注意：小数部分分组时若低位不足 4 位要用 0 补足，否则会出 错。 7、八、十六到十进制数的转换 按照公式 2、2 的规定，用对各位实际值累加求和的方法完成。 8、十到八、十六进制数的转换 可先将十进制数转换为二进制，再转换成对应的八、十六进制数；也 可以将 1 个十进制数直接转换为对应的八进制或十六进制，例如对整 数， 采用除 8 取余、 高位在下的原则得到八进制数； 或采用除 16 取余、 高位在下的原则得到十六进制数。 二、 定点数在计算机内的表示与转换 定点数定点数是指小数点固定在某个位置上的数据， 一般有小数和整 数两种表示形式。定点小数是把小数点固定在数据数值部分的左边， 符号位的右边；整数是把小数点固定在数据数值部分的右边。我们在 前面讨论的数据都是定点数。 原码、反码、补码 结束了各种进制的转换，我们来谈谈另一个话题：原码、反码、补码。 我们已经知道计算机中，所有数据最终都是使用二进制数表达。 我们也已经学会如何将一个 10 进制数如何转换为二进制数。 不过，我们仍然没有学习一个负数如何用二进制表达。 比如，假设有一 int 类型的数，值为 5，那么，我们知道它在计算机 中表示为：00
转换成二制是 101，不过 int 类型的数占用 4 字节（32 位） ，所以前 面填了一堆 0。 现在想知道，-5 在计算机中如何表示？ 在计算机中，负数以其正值的补码形式表达。 什么叫补码呢？这得从原码，反码说起。 原码：一个整数，按照绝对值大小转换成的二进制数，称为原码。 比如 00
是 5 的 原码。 反码：将二进制数按位取反，所得的新二进制数称为原二进制数的反 码。 取反操作指：原为 1，得 0；原为 0，得 1。 变 0; 0 变 1） （1 比如：将 00
每一位取反，得 11 。 称：11
的反码。 反码是相互的，所以也可称： 11
和 00101 互为反码。 补码：反码加 1 称为补码。 也就是说，要得到一个数的补码，先得到反码，然后将反码加上 1， 所得数称为补码。 比如：00
的反码是：0010。 那么，补码为： 11
所以，-5 在计算机中表达为：11 。 转换为十六进制：0xFFFFFFFB。 三、 浮点数在计算机内的表示 浮点数 浮点数是指小数点位置可浮动的数据，通常以下式表示：N=M*RE 其中，N 为浮点数，M(mantissa)为尾数，E(exponent)为阶 码，R(radix)称为“阶的基数(底)”，而且 R 为一常数，一般为 2、8 或 16。 在一台计算机中， 所有数据的 R 都是相同的， 于是不需要在每个数据中表 示出来。 因此，浮点数的机内表示一般采用以下形式:Ms 是尾数的符号位，设置在最高位上。 E 为阶码，有 n+1 位，一般为整数，其中有一位符号位，设置在 E 的 最高位上，用来表示正阶或负阶。M 为尾数，有 m 位，由 Ms 和 M 组成 一个定点小数。Ms=0，表示正号，Ms＝1，表示负号。为了保证数据精度， 尾数通常用规格化形式表示：当 R＝2，且尾数值不为 0 时，其绝对值应 大于或等于(0.5)10 。对非规格化浮点数，通过将尾数左移或右移，并修 改阶码值使之满足规格化要求。假设浮点数的尾数为 0.0011，阶码为0100(设定 R=2)，规格化时，将尾数左移 2 位，而成为 0．1100，阶码减 去(10)2 ，修改成 0010，浮点数的值保持不变。 当一个浮点数的尾数为 0(不论阶码是何值)， 或阶码的值比能在机器 中表示的最小值还小时，计算机都把该浮点数看成零值，称为机器零。 根据 IEEE 754 国际标准，常用的浮点数有两种袼式： (1) 单精度浮点 数(32 位)，阶码 8 位，尾数 24 位(内含 1 位符号位)。 (2) 双精度浮点数(64 位)， 阶码 11 位， 尾数 53 位(内含 1 位符号位)。 在多数通用机中，浮点数的尾数用补码表示，阶码用补码或移码表示。文 字和多媒体信息的表示与编码 1、 西文字符的编码西文是由拉丁字母、数字、标点符号及一些特殊的符号所组成的，它 们统称为“字符” （character） ，主要用于外部设备和计算机之间的信息 交换。所有字符的集合叫做“字符集” 。 2、 汉字的编码汉字输入码、汉字内码、汉字字形码（输出码） 3、 多媒体信息的编码①图的编码表示： 一幅图在计算机内部有两个表示方式：图像(image)” “ 方式和“图形(graphics)”方式 ②声音的编码表示：计算机处理的声音可以分为 3 种：一种是语音， 即人的说话声；第二种是音乐；即各种乐器演奏出的声音；第三种是 效果声，如掌声、打雷、爆炸等声音。在计算机内部可以用波形法和 合成法两种方法表示声音。所有的声音都可以用波形法来表示，但更多用于语音和效果声，对于音乐声，则用合成法表示更好一些。 ③视频信息的编码表示：视频获取设备将视频信号转换为计算机内部 表示的二进制数字信息的过程被称为视频信息的“数字化” 。视频信息 的数字化过程比声音更复杂一些，它是以一幅幅彩色画面为单位进行 的。 五、 数据校验码 所谓校验码，又称检错码，是指具有发现某些错误或自动改正错误能 力的一种数据编码方法， 用于检查或纠正读写和传送数据的过程中可 能出现的错误。 常见的校验码有：奇偶校验码，海明校验码（汉明码） ，循环冗余校 验码。 六、 二进制数值数据的运算算法 1、 补码加法与减法运算规则及电路实现运算规则：加减法运算是计算机中最基本的运算，通常选用补码实现， 实现的算法是： [X+Y]补=[X] 补+[Y] 补（MOD2） [X-Y]补=[X] 补+[-Y] 补（MOD2） 2、 原码一位乘法与除法的运算算法原码一位乘法是将符号位与数值位分开进行运算，乘积的符号是两个 数符号的异或值，数值是两个数绝对值（原码表示的数值位）的乘积。 ①将部分积的一次总加改为分步累加； ②将部分积左移改为部分积右移；③使部分积连同乘数一起右移，以便保存双倍位数的乘积。 原码一位乘法的算法是： ①用乘数寄存器的最低位选择求部分积的数据来源：被乘数或 0 值； 相加求得部分积并使其右移一位，乘数也同时右移一位，此时高位部 分积的最低位移入乘数寄存器的高位。 ②用一个特定的寄存器控制相乘次数（决定于数据位的位数） 。 ③用乘数与被乘数符号位的异或值作为乘积的符号。 原码一位除法和原码乘法一样，符号位是单独处理的。实现除法操作 时，应避免除数为 0，否则属非法操作。在计算机中，原码一位除法 是采用加减交替法实现的。第三章节：计算机的运算器部件（8 学时） 主要内容： 1、 2、 3、 算术逻辑运算部件的功能设计与线路实现 计算机的定点运算器 浮点运算和浮点运算器教学要求： 1．掌握定点运算器中 ALU 的功能； 2．了解定点运算器中 ALU 的线路和实现原理； 3．掌握定点运算器的功能与组成，了解运算器在整机系统中的地位； 4．理解 MIPS 计算机的运算器实例的组成特点；5．了解定点运算器 Am2901 芯片的内部结构框图，以及用该芯片构建 运算器部件的方法； 6．理解浮点数的表示方式，会运用浮点数的运算规则作简单计算； 7．了解浮点运算器的功能与组成； 8．了解 CPU 芯片内的运算器部件的一般组成。知 识 结 构 图计算机的运算器部件 件运算器的功能与组成 ALU 的线路实现 运算器的组成 运算器的功能 运算器的控制与使用浮点运算与浮点运算器部件 浮点数的运算规则 浮点运算器的功能与组成 浮点运算器实例定点运算器部件 定点运算器的功能与组成 定点运算器实例 定点运算器的设计与实现一、 计算机的定点运算器 1、 定点运算器部件的功能、组成与控制运算器部件是计算机五大功能部件中的数据加工部件。定点运算器主 要完成对整数类型数据的算术运算、逻辑型数据的逻辑运算功能。运 算器位数取决于机器字长，通常是 16 位，32 位或者 64 位，它将关系到处理数据的能力；运算器的组成直接关系到计算机系统的数据处理 能力和运行性能。 二、 浮点运算和浮点运算器 1、 浮点数的运算规则浮点数通常有两种表示方式，一种表示方式用于运算过程，出现在浮 点运算器内部，另外一种表示表示用于浮点九的存储过程。 第四章节：指令系统和汇编语言程序设计（9 学时） 教学内容： 1．指令、计算机指令系统概述； 2．指令格式与寻址方式； 3．指令系统举例，PentiumⅡ、MIPS32 和教学示例计算机的指令系 统； 4．汇编语言程序设计简介。 教学要求： 1．理解指令的功能、构成格式、操作码和操作数地址两个字段的内 容和组织方式； 2．了解指令分类的方案和分类结果； 3．了解指令周期对计算机性能和硬件结构的影响； 4．理解并记忆指令中的形式地址和物理地址的概念； 5．理解并叙述几种常用的寻址方式的用法及其编码表示； 6．了解几种常用指令系统的组成概貌； 7．理解 3 个级别的计算机语言之间的关键区别和各自的应用场合；8．了解程序中常用到的几种流程结构及其相应的指令或语句； 9．初步学会设计简单的汇编语言程序及其调试方法。 知 识 结 构 图指令系统和汇编语言程序设计①指令 指令的定义、 功能和格式 操作码字段 操作数地址字段 基本寻址方式 指令执行步骤②指令系 统 指令系统标准 指令系统分类 指令系统举例③汇编语言程 序设计 指令和汇编语句 程序流程控制 汇编程序设计举例指令、计算机指令系统概述 一、 指令的定义与指令格式 1、 指令的定义用于组成计算机程序、指示计算机硬件执行某项运算或操作功能 的命令叫做指令， 在计算机内部它用于一定的二进位串来表示的。 2、 指令格式通常情况下，一条指令要由如下两部分内容组成： 第一部分是指令操作码，第二部分是指令的操作数地址。 二、 操作码的组织与编码 1、 定长的操作码的组织方案在当多数的计算机中，一般都在指令字的最高位部分分配固定的 若干位（定长）用于表示操作码，例如 8 位，它有 256 个编码状 态，故最多可以表示 256 条指令。 2、 变长的操作码的组织方案当计算机的字长与指令长度为 16 位或 8 位时， 单独为操作码划分 出固定的多位后，留给表示操作数地址的位数就会严重不足。为 此不得不对一个指令字的每一个二进制位的使用精打细算，使一 些位（bit）在不同的指令中有不同的作用。 三、 有关操作数的类型、个数、来源、去向和地址安排 1、 用操作数个数区分指令从用到的操作数个数区分，可能有如下 4 种情况： 无操作数指令 单制作数指令 双制作数指令 多制作数指令 2、 操作数的来源、去向及其指令字中的地址安排操作数的第 1 个来源、去向，可以是 CPU 内部的通用寄存器； 操作数的第 2 个来源、去向，可以是外围设备（接口）中的一个 寄存器； 操作数的第 3 个来源、去向，可以是内存储器中的一个存储单元； 在指令字中直接给出一个操作数，被称为立即数。指令中使用的基本数据类型，通常包括逻辑类型，整数类型和浮 点数类型。 寻址方式概述 计算机中常用的基本寻址方式有如下多种： 1、 立即数寻址：操作数直接给出在指令字中，即指令字中直接给出的 不再是操作数地址，而是操作数本身。 2、 直接寻址：直接寻址是在指令中直接给出操作数存储器中的地址， 这是计算机中常用的寻址方式之一。 3、 寄存器寻址、寄存器间接寻址：寄存器寻址，是在指令字中给出通 用寄存器的编号（名字、地址），用于访问运算器部件的寄存器组 中的寄存器。 4、 变址寻址：变址寻址，是把在指令字中给出的一个数值（称为变址 偏移量） 与一个被称为变址寄存器的内容相加之和作为操作的地址， 用于读写存储器。 5、 相对寻址： 是指把在指令字中给出的一个数值与程序计数器 PC 的内 容相加之和作为操作数的地址或转移指令的转移地址。 6、 基地址寻址：是指把在程序中所用的地址与一个特定的厅存器的内 容相加之和作为操作数的地址或指令的地址。 7、 间接寻址：在指令字中给出的不是一个操作数的地址，而是一个操 作数地址的地址，或一条指令地址的地址。8、堆栈寻址：堆栈是存储器中一块特定的按“后进先出”原则管理的 存储区，该存储区中被读写单元的地址是用一个特定的寄存器给出 的，该寄存器被称为堆栈指针。指令系统举例 计算机的指令系统有 RISCT 和 CISC 两种类型。 RISC 是精简指令系统计算 机的英语缩写，它执行同样处理功能的程序所占用的时间要比 CISC 计算 机更短。RISC 机器的运行性能可能要比 CISC 机器高 2-5 倍。 PentiumⅡ机的指令系统属于 CISC 结构；MIPS 机的指令系统属于 RISC 结 构。第五章节：控制器部件（9 学时） 教学内容： 1．控制器的功能与组成概述； 2．硬连线控制器的组成与运行原理； 3．微程序控制器组成与运行原理； 4．指令流水线的概念和实现技术。 教学要求： 1．理解并记忆计算机控制器的功能与基本组成，体会控制器在计算 机整机中的地位； 2．理解并记忆硬连线控制器部件的实际组成及其各子部件的功能； 3．了解 MIPS32 计算机系统及其控制器部件的运行原理； 4．了解控制器部件的设计过程和基础技术；5．理解并记忆微程序控制器的一般组成和基本运行原理； 6．理解并叙述微指令中的下地地址字段、微命令字段的内容及其控 制功能； 7． 了解微程序控制器与硬连线控制器在组成与性能方面的异同之处； 8．理解并记忆指令流水线的概念，关键技术指标； 9．了解指令流水线的实现思路，3 类相关问题及其解决方案； 10．了解指令级并行技术的概念。 知 识 结 构 图③三种不同的指令周期 ①控制器部件的功能与组成 PCIR 步骤标记控制信号部件 控制器部件 CPU 系统的性能指标 单指令周期 CPU 多指令周期 CPU 指令流水线②两种类型的控制器硬连线控制器 微程序控制器在学习控制器的过程中，可以用如下几句话来把握整个的学习纲要： 控制器的组成 控制器，管控制， PC、IR 和时序， 组合逻辑给信号， 控存存放微程序。 控制器的运行原理 取指、分析、再执行， 判别中断并响应， 指令步骤看节拍， 下址续读微指令。一、控制器的功能与组成概述 控制器的作用是向整机系统的每个部件（包括控制器部件本身）提供 它们协同运行所需要的控制信号。 执行一条指令，通常总是要经过读取指令，分析指令和执行指令所规 定的处理功能 3 个阶段才能完成，这是在控制器的控制下实现的，控制器 还要保证计算机能按程序中设定的指令运行次序， 自动地连续执行指令序 列。组成控制器的 4 个子部件： 执行一条指令，要经过读取指令、分析指令、执行指令所规定的处理 功能三个阶段完成，控制器还要保证能按程序中设定的指令运行次序，自 动地连续执行指令序列。 为此， 控制器组成中， 必须有一个能提供指令在内存中的地址的部件， 通称程序计数器(PC)， 服务于读取指令， 并接收下条要执行的指令的地址。还要有一个能保存读来的指令内容的部件，通称指令寄存器(IR)，以 提供本指令执行的整个过程中要用到的指令本身的主要信息。 控制器的第三个组成成分，是脉冲源、启停控制逻辑，指令执行的步 骤标记线路，它标记出每条指令的各执行步骤的相对次序关系。 控制器的第四个，也是控制器设计中最费力的一个组成成分，是全部 时序控制信号的产生部件，它依据指令内容、指令的执行步骤(时刻)，也 许还有些别的什么条件信号， 来形成并提供出当前各部件时刻要用到的控 制信号。计算机整机各硬件系统，正是在这些信号控制下协同运行，产生 予期的执行结果，也就是执行一条又一条的指令。 依据前述控制器的最后两个组成成分的具体组成与运行原理的不同， 通常把控制器区分为微程序的控制器和组合逻辑(硬布线)的控制器两大 类。 二、 硬连线控制器部件 硬连线控制器又称为组合逻辑控制器， 与微程序控制器共同构成计算机通 用的两大类控制器。 1、 硬连线控制器的组成和运行原理简介采用逻辑电路直接提供全部控制信号 ?输入 C操作码 C指令状态字 C指令步骤编码（节拍） C外部信号（Reset 等）?输出 C全部控制信号 ?主要解决的问题 C节拍转换 C控制信号生成 （1） 组合逻辑控制器用节拍发生器（Timing，几个触发器构成的时序逻 辑电路）不同的状态组合来区分一条指令不同的执行步骤，指令执 行步骤的接续是通过变换节拍发生器的状态组合完成的，不同于微 程序控制器中通过下地址部件给出不同的微指令地址来实现。这里 用节拍发生器取代了原来的下地址部件。 （2） 组合逻辑控制器是通过由 “与―或” 两级逻辑关系构成的时序控制信号产生部件来直接给出全部的时序控制信号。送到第一级各 “与门”的输入信号是指令操作码和节拍发生器的节拍状态(可能 还有控制条件)， 每个与门产生一个与项输出，相关的与项输出信号 送到第二级的 “或门” ， 每个或门输出的就是一个时序控制信号。 全部的时序控制信号由许多个 “与―或”逻辑门给出。 与用控制存 储器存放全部控制信号的微程序控制方案不同，这里用时序控制信 号产生部件取代了原来的控制存储器，还取消了那里的微指令寄存 器线路，把控制信号直接送到被控制的部件。 组合逻辑控制器特点 ?直接用逻辑电路实现，用节拍标记指令步骤，性能良好 ?可扩展性差，兼容性不好?适合实现比较精简的指令系统 ?较容易实现并行 ?常用于实现 RISC 三、 微程序控制器部件1、微程序控制器的基本组成和运行原理?每条指令一个执行步骤用到的全体控制信号组成一微指令?每条指令可以包括一到多个微操作 ?用多条微指令解释每条指令的整个执行过程 ?全部微指令的集合叫做微程序?执行一条微指令所用的时间被称为一个微周期。 ?微指令的格式和内容： C 下地址字段 控制命令字段?顺序执行下一条微指令?无条件转移到某条微指令 ?根据微指令的某一状态结果，选择顺序执行或转向某一地址 ?微子程序调用，要使用到微堆栈 ?多路转移 ?根据指令操作码，转移到指令的入口地址 组合逻辑与微程序控制器比较 ?相同点 C完成相同的功能 C控制信号基本相同 ?不同点 C控制信号生成部件的组成和实现方式不同 C步骤标记实现方式不同 C性能不同第六章节：存储器系统（12 学时） 教学内容： 1．多级结构的存储器系统综述； 2．半导体存储器芯片的内部结构和记忆信息的原理； 3．主存储器的技术指标、基本组成及运行原理；4．辅助存储器的种类及指标要求，硬盘存储器和磁盘阵列的组成和 工作原理； 5．光盘机的组成与运行原理简介； 6．Cache 存储器的功能、运行原理及基本结构，Cache 的地址映像方 式； 7．虚拟存储器的概念与实现； 8．Pentium 计算机中的存储器系统。 教学要求： 1．了解存储器的分类及各类存储器的特点； 2．理解并记忆存储器系统的分层结构及原则； 3．了解半导体存储器芯片的内部结构和实现记忆的原理； 4．掌握主存储器的组成、技术指标和运行原理； 5．理解并记忆硬盘存储器的基本组成和读写过程； 6．了解磁盘阵列技术的相关概念； 7．了解光盘存储器的组成和运行原理； 8．掌握并描述 Cache 的功能及工作原理； 9．理解 Cache 的 3 种地址映像方式； 10．了解 Cache 的基本结构； 11．了解虚拟存储器的基本概念与实现方法。 知 识 结 构 图③虚拟存储器 ①存储器概述 存储器的分类 存储器的层次结构 虚拟存储器的功能 实现与管理方式存储器 系统④辅助存储器 磁盘存储器 光盘存储器②主存储器 主存储器的组成 主存储器的功能 主存储器的技术指标⑤高速缓冲存储器 Cache 的功能和结构 地址映像方式 替换算法一、 存储器概述 1、 存储器的分类静态 随机存储器 RGM 主存储器 只读存储器 ROM 动态存储器 辅助存储器磁盘 磁带 光盘缓冲存储器2、存储系统的层次结构快 小 高CPU高速缓存：cache存 取 速 度存 储 容 量价 格主存：RAM外存：硬盘、软盘、光盘慢大低二、 半导休存储器 按存取方式分： 1、 随机存取存储器（RAM）：优点：读写方便，使用灵活；缺点：易失性，一时停电，存储的内容便全部丢失。 2、 只读存储器（ROM）：优缺点：结构简单，位密度比 RAM 存储器高；具有非易失性，可靠性更高，只能读出，不能写入。 按存储原理分： 1、 静态存储器（SRAM）：优缺点：晶体管多、们容量少，功耗比较大；而其主要优点是不需要进行刷新，因此简化了外部电路。 2、 动态存储器（DRAM）：用较少的晶体管构成一个存储单元，提高芯片单位面积上的容量，同时也降低了每位价格和功耗。 按信息传送方式分：1、 2、 三、 1、并行存储器 串行存储器 主存储器 主存储器的基本组成主存储器由存储体、地址译码器和读写电路及控制电路组成。 2、 主存储器的基本操作主存储器的基本操作是读操作和写操作。 3、 存储容量的扩展扩展方法根据需要有位扩展、字扩展和字位同时扩展。 4、 提高存储器系统性能的途径：相联访问，并行访问四、 辅助存储器 1、 辅助存储器的种类及技术指标种类有：硬磁盘、软磁盘、磁带和光盘 主要技术指标：存储密度、存储容量和寻址时间 2、 硬盘存储器硬盘由硬盘驱动器（HDD）和硬盘控制器（HDC）组成 3、 磁盘陈列技术是指把多块独立的硬盘（物理硬盘）按某种方式组织起来形成一个硬盘组 （逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供数据备份的技 术。 4、 光存储系统的组成与运行原理光盘存储系统由光盘片、光盘驱动器、控制器和光盘驱动软件组成。光驱在访问时有恒定线速度和恒定角速度两种方式。 当单位距离的光道上 所存储的信息容量相等时，即内、外光道的数据记录密度相同，则采用恒 定线速度，这样可以充分利用盘片的空间。 五、 速缓冲存储器 1、 cache 的结构与运行原理cache 的功能：它的作用在于缓解主存速度慢、跟不上 CPU 读写速度要求 的矛盾。 cache 的结构与工作原理 程序的局部性原理 cache 可能很好的发挥作用是基于程序访问的局部性原理。 cache 的替换算法 随机算法，先进先出算法，近期最少使用算法 2、 cache 的 3 种地址映像方式全相联映像、直接映像和组相联映像 六、 虚拟存储器 1、 2、 3、 4、 虚拟存储器的功能与特点 页式虚拟存储器 段式虚拟存储器 段页式虚拟存储器第七章节：计算机输入/输出系统（12 学时） 教学内容：1．输入/输出设备综述； 2．常用设备的功能和基本工作原理简介； 3．输入/输出接口综述、端口的编址方式、几种标准接口的特点； 4．常用输入/输出方式的控制原理； 5．中断的基本类型、优先级别、完整的中断过程； 6．DMA 的基本概念及传送过程； 7．总线的功能、组成，总线仲裁和数据传送控制； 8．总线标准简介 9．Pentium 计算机中的总线系统简介。 教学要求： 1.了解几种常用输入/输出设备的功能和基本工作原理，区分它们的 不同种类； 2．理解接口的含义、信息交换的过程、具有的功能和类型； 3．了解接口电路的两种端口编址方式的特点； 4．理解并区别几种标准接口的不同特点； 5．理解并区别几种输入/输出方式的不同特点； 6．理解与中断和 DMA 相关的一些重要的基本概念； 7．理解并能解释中断全过程中涉及到的一些重要名词和结论； 8．掌握 DMA 控制器的功能、组成、数据传送方法和过程； 9．理解与总线相关的一些重要的基本概念； 10．掌握总线仲裁和数据传送控制等基本的工作原理； 11．了解几种常用的总线标准和 Pentium 计算机的总线系统。知 识 结 构 图①输入/输出设备 输入/输出设备分类 工作特点 几种常用的输入/输 出设备简介③常用输入/输出方式 程序查询方式 程序中断方式 DMA 方式 通道控制方式 外围处理机方式 ④总线技术 总线的几个重要概念 总线仲裁和数据传送控制 系统总线标准举例 pentium 计算机的总线系统输入/输出设 备与系统②输入/输出接口 接口的基本组成 接口的功能和类型 端口的编址与寻址 几种标准外部接口简介一、 输入/输出设备 1、输入/输出设备的分类及工作特点 依据信息流向的不同，输入/输出设备可以分成输入设备、输出设备和输 入输出设备等 3 大类。 按与计算机交换信息的对象不同，输入/输出设备还可以分成人机交互设 备、数据存储设备、计算机与计算机交互设备。 特点：异步性、实时性、多样性。 3、 几种常用的输入/输出设备简介键盘：是应用最普遍的输入设备，由一组排列成矩阵形式的按键开关和相 应的键盘控制器组成。从按键的数量上看，有 83 键至 109 键等多种；从 按键的开关的结构看，可分为接触式和非接触式两种。从键盘提供给主机 的电信号类型看，键盘又可分为编码键盘和非编码键盘两种。 鼠标器：按鼠标的结构不同主要有机械式鼠标和光电鼠标。扫描仪：是把实物形式的图像信息通过扫描的方式转换成电信号，并输入 到计算机中的专门设备，是一种功能极强的输入设备。扫描仪是利用自然 界反射光的原理来完成对被扫描图片或文字稿件的读取的， 其内部主要由 光学成像部分、光电转换部分和机械传动部分组成。目前主要有光电耦合 器件（CCD），接触式图像传感器（LIDE）和光电倍增管（PMT）为光电转 换元件的 3 种扫描方式。 显示器：是以可见光形式、用屏幕显示信息的计算机输出设备。按显示器 主要部件的不同，可分为阴极射线管显示器（CRT），液晶显示器（LCD）， 等离子显示器（PDP）和场致发光显示器。 打印机：是计算机系统的很常用的输出设备，从印字原理的不同来区分， 有针式打印机、喷墨打印机、热敏打印机和激光打印机很多种类，这些打 印机按打印的实现方法又可分为击打式和非击打式两大类。 二、 输入/输出接口 1、 接口的基本组成、功能和类型按通用性分类：有通用按口、专用接口。 按外设与接口间的数据传送方式：有串行接口、并行接口。 按主机访问外设的控制方式：程序查询式接口、程序中断接口、DMA 接口。 按功能的灵活性：编程接口、不可编程接口。 按输入/输出的信号类型不同：数字接口、模拟接口。 2、 端口的编址与寻址常用的编址方式主要有两种，一种是 I/O 端口与主存储器统一的编址方 式，另一种是 I/O 端口与主存储器彼此独立的编址方式。3、几种标准外部接口串行接口：串行接口又称之为通信口或 COM 端口，主要用于需要与系统进 行双向通信的设备。 并行接口： USB： 三、输入/输出方式 1、 程序查询方式：是一种用于控制主机与外设间进行数据传送的最简 单方式，它直接通过程序来控制主机和外部设备之间的数据传送， 又称程序直接控制方式。 2、 程序中断方式中断的基本概念 中断的几种基本的类型：内中断和外中断、硬件中断和软件中断、可屏蔽 中断和不可屏蔽中断。 中断的优先级别问题： 中断过程：一次完整的中断过程由中断请求、中断响应、中断处理和中断 返回四个阶段组成。 3、 直接存储器访问（DMA）方式DMA 方式的基本概念： DMA 传送过程：一次 DMA 传送过程由传送前的预处理、数据传送和传送结 束处理（后处理）3 个阶段组成。传送前的预处理是由 CPU 完成的。数据 传送是在 DMA 控制器控制下自动完成的。 传送结束处理是由数据数量计数 器的值为 0 引发出来的。4、I/O 通道控制方式和 I/O 处理机方式四、总线技术 1、 总线概述总线的分类： 按信息的类型分类：根据总线上传送的信息的类型不同：数据总线，地址 总线和控制总线 3 种。 按总线的层次分类：根据总线从里向外的层次：CPU 内部总线、部件内总 线、系统总线和外总线。 按总线的结构分类：根据总线的结构，还可以分为单总线、双总线和三总 线等。 总线的连接与传送方式 总线的连接应同时具有物理和逻辑上的两种连接。 数据传送方式：总线的信息传输有串行传送、并行传送、复用传送和数据 包传送 4 种基本方式。 总线周期 总线周期通常指的是通过总线完成一次内存读写操作或完成一次输出设 备的读写操作所必需的时间。 依据具体的操作性质，可以把一个总线周期区分为内存读周期、内存写周 期，I/O 读周期和 I/O 读周期和 I/O 写周期 4 种类型。 2、 3、 总线仲裁和数据传送控制 系统总线标准举例 第八章节：并行计算机体系结构（6 学时）教学内容： 1．并行处理的概念，需要解决的问题和实现途径； 2．向量处理机的构成； 3．多处理机系统； 4．多计算机系统。 教学要求： 1．了解并行处理的概念，需要解决的问题和实现途径； 2．了解向量处理机的一般组成和工作原理； 3．了解多处理机系统可行的构建方式和运行原理； 4．了解多计算机系统可行的构建方式和运行原理。 知 识 结 构 图②并行计算机的性能 硬件性能 软件性能 并行计算机 体系结构 ③并行计算机的软件问题 件问题 控制模式 并行粒度 计算模式 通迅方式 同步原语①并行计算机系统分类 SISD 体系结构 SIMD 体系结构 MISD 体系结构 MIMD 体系结构一、 基础知识与基本概念 1、 计算机体系结构分类SISD 体系结构、 SIMD 体系结构、 MISD 体系结构、 MIMD 体系结构粒度、 计算模式、通迅方式、同步原语 2、 并行计算机系统的性能问题硬件性能指标：从硬件角度来说，重要的性能指标是 CPU 和输入/输出的 速度以及互联网络的功能（延时和带宽） 。 软件性能指标：从软件角度来说，关键的性能指标是加速比。 获得更高的性能最直观的办法就是给系统增加更多的 CPU。但要注意增 加 CPU 时会不会产生明显的“瓶颈” 。 3、 并行计算机系统的软件技术并行计算机软件通常可能涉及 5 个关键技术：控制模式、并行粒度、计算 模式、通信方式和同步原语。 二、SIMD 计算机简介 SIMD 单指令流多数据流计算机分为阵列处理机和向时处理机两大类。 三、基于共享内存的多处理机系统 多处理机系统是具有多个 CPU，并且所有的 CPU 共享同一个地址空间的 计算机系统。多处理系统有时也被称为共享内存系统。 四、基于消息传递的多计算机系统 多计算机系统是属于 MIMD 中的另外一类系统，它能够使用 2 048 甚至 9 416 个 CPU，多计算机系统通常是松散耦合的，与多处理机系统相比结构 简单而且造价便宜。 在多计算机系统结构中，每个 CPU 都有自己独立的物理地址空间，这种 体系结构有时也被称为分布式内存系统。多计算机系统中没有硬件实现的共享内存，各 CPU 不能通过读写共享内 存进行通信，需要另一种不同的通信机制。 大规模并行处理机 MPP：被用于科学计算、工程计算和其他需要大量计 算的工业部门，这是事处价值数百万的超级计算机系统。大多数的 MPP 系统都使用标准的商用 CPU 作为它们的处理器。 工作站集群 COW： 也被称为工作站网络 COW， COW 系统是由数百台 PC 机或者工作站通过商用网络连接在一起构成的。从体系结构上讲，COW 和 MPP 相比，有两个不同点：一、COW 的结点是更完整的计算机，计算 机可以是同构也可以是异构。结点都有自己的磁盘，驻留有自己的操作系 统；并且，一般都有一定的自主性，结点计算机脱离 COW 照样能运行； 二、COW 一般采用商售的标准高速局域网或系统域网，网络通常是与结 点计算机的 I/O 总线相连。 COW 系统中占主导地位的主要有两种：集中式的和分散式的。
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