2022年《计算机组成原理》教案.pdf

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1、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。课程的目的与任务 :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、使用与维护方面的能力, 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与特

2、征。具有挑战性 : 计算机系统的多样性 :价格、体积、性能与应用等。计算机技术的飞速发展 :低层的集成电路计算机与并行组织技术。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与整机系统组成 ,以及计算机部件连接关系与运行机理,了解计算机系统结构的入门性知识 ,掌握使用与简单维护计算机系统的基本技能。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 35 页 - -

3、 - - - - - - - - 计算机组成原理教案教学方法与教学形式建议: 本课程采用远程教学与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瞧电视录像课、网上的流媒体(IP)课件、网上教学辅导、实时与非实时答疑等多种教学形式; 面授辅导应考虑学生的在职与成人特点与需求, 在业余时间进行有针对性的学习指导。平时作业既就是学生自我检验学习水平的一种形式, 也就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与反馈 , 必要时应要求学生重做。小组讨论课就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

4、, 各级电大教学点应配合面授辅导教师组织实施。同时, 小组讨论课也就是一种形成性考核形式, 教师应注意把握“引领”、“提问”与“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、计算与处理, 具有基本的应用能力与举一反三的能力。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、判断与说明, 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、程序语句与简单逻辑电路图的能力。精品资料 - - - 欢迎下载 - -

5、 - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案3. 了解: 属于课程中与上述“掌握”与“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、说明与举例的能力。学时分配教学内容课内学时一、计算机系统概述6 二、数据表示与运算方法10 三、运算器部件8 四、指令系统与汇编程序设计9 五、控制器部件9 六、存储器系统12 七、计算机输入 / 输出设备与系统12 八、并行计算机体系结构

6、6 合计72 第一章节 :计算机系统概述 (6 学时) 主要内容 : 1、计算机系统的基本组成与它的层次结构2、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精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案术与性能指标计算机系统的体系结构、组成与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与它们的层次关系; 2. 理解计算机硬件系统的5 大功能部件与各自的功能 ; 3. 理解

7、计算机部件的连接关系与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”与“实现”各自面对的主要问题; 7. 了解计算机发展历程与应用领域; 8. 了解计算机系统分类。知 识 结 构 图一、计算机系统的基本组成与它的层次结构构成计算机硬件与软件的6 个层次二、 计算机硬件系统的5 个功能部件及其功能三、 计算机硬件的主要的技术与性能指标1、计算机字长计算机普遍使用二进制 , 只有 0 与 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

8、一个数据或一条指令就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。计算机系统硬件软件主机外部设备外存储器输入设备输出设备中央处理器内存储器运算器控制器系统软件应用软件操作系统语言处理程序服务性程序通用软件用户程序5、高级语言层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0、数字逻辑层软件部分硬件部分计算机主机CPU 接口线路(输出设备 ) 接口线路(输入设备 ) 运算器部件存储器部件控制器部件数据总路线地址总路线控制总路线精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - -

9、 - - - -第 4 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案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,单位就是 MIPS 。3、存储容量计算机中的存储器通常包括内存储器与外存储器两大类。四、 算机系统的体系结构、组成与实现概述计算机的体系结构通常就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 , 更多说的就是计算机的外特性,就是硬件子系统的结构概念及其功能特性。2、计算机组成就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与功能特性

10、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与特性。3、计算机实现就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 58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 (19461959) 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - -

11、- - - -第 5 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案第二阶段 : 晶体管计算机 (19591964) 第三阶段 : 中小规模集成电路计算机(19641975)第四阶段 : 大规模集成电路计算机 (19751990) 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与处理方法分: 电子模拟计算机电子数字计算机第六章 :数据表示与运算方法 (10 学时) 主要内容 : 1、二进制码与不同进制数之间的转换2、定点数在计算机内的

12、表示与编码3、浮点数在计算机内的表示4、文字与多媒体信息的表示与编码5、数据校验码6、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 ; 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案2. 掌握原码、反码与补码的基本概念与定义, 并能熟练完成定点数的原码、反码与补码之间的转换; 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

13、义; 4. 理解浮点数在计算机内的表示方法, 能够说明阶码与尾数的位数与数值范围与数值精度的关系; 5. 了解浮点数的规格化与隐藏位的含义, 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. 了解文字与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与纠错的道理; 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与溢出检查的方法 ; 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

14、与二进制数的转换要分为整数与小数两种情况分别转换。整数的转换 : 采用除 2 取余, 高位至下 ,直到商为 0 时结束。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。数据表示与运算方法各种数制间的转换定点数的编码非数值数据的编 纠 错 码 与 检 错浮点数的编码与规格化补码加减法、原码一位乘除法的运算方法原码补码反码浮点数的编码浮点数的规格化西文字符的编码汉字的编码多媒体信息的编码奇偶校验码海明码CRC 编码精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 3

15、5 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案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与完成。例:(10110)2=124+023+122+121+020=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与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与向右把每 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

16、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与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与向右把每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与的方法完成。8、十到八、十六进制数的转换可先将

17、十进制数转换为二进制, 再转换成对应的八、十六进制数; 也可精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案以将 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 定点数就是指小数点固定在某个位置上的数据,一般有小数与整数两种表示形式。 定点小数就是把小数点固定在数据数值部分的

18、左边, 符号位的右边 ; 整数就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就是定点数。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 ,所有数据最终都就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: 00000 00000 5 转换成二制就是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

19、,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。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案比如 00000 00000 就是 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。(1 变 0; 0 变 1) 比如 :将 00000 00000 每一位取反 ,得 1111

20、1111 11111111 11111111 11111010 。称:11111111 11111111 11111111 11111010 就是 00000 00000 的反码。反码就是相互的 ,所以也可称 : 11111111 11111111 11111111 11111010 与 00000 00000 互为反码。补码:反码加 1 称为补码。也就就是说 ,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:00000 00000 的反码就是 :11111111 11111111 11111111 11111010。那么,补码为: 11111111 111111

21、11 11111111 11111010 + 1 = 11111111 11111111 11111111 11111011 所以,-5 在计算机中表达为 :11111111 11111111 11111111 11111011。转换为十六进制 :0 xFFFFFFFB。三、 浮点数在计算机内的表示浮点数浮点数就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)为阶精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1

22、0 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案码, 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 都就是相同的 ,于就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 就是尾数的符号位 , 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 与 M 组成一个定点小数。Ms=0, 表示正号 , Ms1, 表示负号。为了保证数据精度 ,

23、尾数通常用规格化形式表示 : 当 R2, 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(不论阶码就是何值 ), 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瞧成零值, 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(3

24、2 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。 文字与多媒体信息的表示与编码精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案1、西文字符的编码西文就是由拉丁字母、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

25、要用于外部设备与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)”方式与“图形 (graphics)”方式声音的编码表示 :计算机处理的声音可以分为3 种:一种就是语音 ,即人的说话声 ;第二种就是音乐 ;即各种乐器演奏出的声音;第三种就是效果声,如掌声、打雷、爆炸等声音。在计算机内部可以用波形法与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,但更多用于语音与效果声 ,对于音乐声 ,则用合成法表示更好一些。视频信息的编码表示:视频获

26、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,它就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 ,就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与传送数据的过程中可能出现的错误。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 12 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案常见的校验码有: 奇偶校验码 , 海明校验码 ( 汉明码 ),

27、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 :加减法运算就是计算机中最基本的运算,通常选用补码实现 ,实现的算法就是 : 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就是将符号位与数值位分开进行运算,乘积的符号就是两个数符号的异或值 ,数值就是两个数绝对值 (原码表示的数值位 )的乘积。将部分积的一次总加改为分步累加; 将部分积左移改为部分积右移; 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就是 : 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

28、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。用一个特定的寄存器控制相乘次数(决定于数据位的位数 )。用乘数与被乘数符号位的异或值作为乘积的符号。原码一位除法与原码乘法一样,符号位就是单独处理的。实现除法操作精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 13 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案时,应避免除数为 0,否则属非法操作。 在计算机中 ,原码一位除法就是采用加减交替法实现的。第三章节 :计算机的运算

29、器部件 (8 学时) 主要内容 : 1、算术逻辑运算部件的功能设计与线路实现2、计算机的定点运算器3、浮点运算与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的线路与实现原理 ; 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

30、识 结 构 图一、 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就是计算机五大功能部件中的数据加工部件。定点运算器计算机的运算器部件运算器的功能与组成浮点运算与浮点运算器部件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数的运算规则浮点运算器的功能与组成浮点运算器实例精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 14 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案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

31、于机器字长,通常就是 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与运行性能。二、 浮点运算与浮点运算器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 : 指令系统与汇编语言程序设计(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 ,Pentium 、MIPS32与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、操作码与操作

32、数地址两个字段的内容与组织方式 ; 2. 了解指令分类的方案与分类结果; 3. 了解指令周期对计算机性能与硬件结构的影响; 4. 理解并记忆指令中的形式地址与物理地址的概念; 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; 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 15 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案7. 理解 3 个级别的计算机语言之间的关键区别与各自的应用场合; 8. 了解程序中常用到的几种流程结构及其

33、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、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: 第一部分就是指令操作码, 第二部分就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

34、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。为此指令系统与汇编语言程序设计指令 指 令 系统汇编语言程序设计指令的定义、 功能与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指令系统标准指令系统分类指令系统举例指令与汇编语句程序流程控制汇编程序设计举例精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 16 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案不得不对

35、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、去向与地址安排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 , 可以就是 CPU 内部的通用寄存器 ; 操作数的第 2 个来源、去向,可以就是外围设备 ( 接口)中的一个寄存器; 操作数的第 3 个来源、去向 , 可以就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

36、, 通常包括逻辑类型 , 整数类型与浮点数类型。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就是操作数地址 , 而就是操作数本身。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 17 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案2、直接寻址 : 直接寻址就是在指令中直接给出操作数存储器中的地址,这就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 ,就是在指令字中给出通

37、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 , 就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与作为操作的地址,用于读写存储器。5、相对寻址 : 就是指把在指令字中给出的一个数值与程序计数器PC的内容相加之与作为操作数的地址或转移指令的转移地址。6、基地址寻址 : 就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与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就是一个操作数的地址, 而就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 : 堆栈就是存

38、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就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 与 CISC两种类型。RISC就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。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 18 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案Pentiu

39、m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. 指令流水线的概念与实现技术。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与基础技术; 5. 理解并记忆微程序控制器的一般组成与基本运行原理; 6. 理解并

40、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 图精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 19 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案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的运

41、行原理控制器 , 管控制 , 取指、分析、再执行 , PC 、IR 与时序 , 判别中断并响应 , 组合逻辑给信号 , 指令步骤瞧节拍 , 控存存放微程序。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就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 , 通常总就是要经过读取指令,分析指令与执行指令所规定的处理功能 3 个阶段才能完成 , 这就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。控制器部件控制器部件的功能与组成两种类型的控制器三种不同的指令周期PCIR 步骤标记控制信号部

42、件CPU 系统的性能指标单指令周期CPU 多指令周期CPU 指令流水线硬连线控制器微程序控制器精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 20 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案组成控制器的 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

43、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, 就是脉冲源、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 , 也就是控制器设计中最费力的一个组成成分, 就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, 正就是在这些信号控制下协同运行,产生予期的执行结果 , 也就就

44、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与组合逻辑( 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与运行原理简介精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 21 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案采用逻辑电路直接提供全部控制信号?输入操作码指令状态字指令步骤编码 ( 节拍) 外

45、部信号 (Reset 等) ?输出全部控制信号?主要解决的问题节拍转换控制信号生成（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就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）组合逻辑控制器就是通过由“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”的输入信号就是指令操作码与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

46、, 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。 与精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 22 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案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

47、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与运行原理?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。?微指令的格式与内容 : 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 , 要使用到微堆栈精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - -

48、 - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 23 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案?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?相同点完成相同的功能控制信号基本相同?不同点控制信号生成部件的组成与实现方式不同步骤标记实现方式不同性能不同第六章节 : 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与记忆信息的原理; 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, 硬盘存储器与磁盘阵列的组成与工作原

49、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。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 24 页，共 35 页 - - - - - - - - - - 计算机组成原理教案教学要求 : 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与实现记忆的原理; 4. 掌握主存储器的组

50、成、技术指标与运行原理; 5. 理解并记忆硬盘存储器的基本组成与读写过程; 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与运行原理; 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 图一、 存储器概述1、存储器的分类2、存储系统的层次结构二、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。存储器系统存储器概述主存储器辅助存