《计算机组成原理》教学辅导10768.pdf

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1、计算机组成原理教学辅导 来源：河南学历考试网 -第一章 一、教学要求 概念和术语：计算机的硬件子系统、软件子系统及其相互间的关系 计算机体系结构和计算机组成的关系 计算机硬件组成中的 5 大功能部件和每个部件的功能 完整计算机系统的 6 层结构 掌握：计算机硬件组成中的 5 大功能部件的名称和每个部件的功能 了解：完整计算机系统的 6 层结构 二、重点辅导 1计算机系统中的硬件系统和软件系统 计算机硬件系统是一种高度复杂的、由多种电子线路、精密机械装置等构成的、能自动并且高速地完成数据处理、计算的装置或者工具。按照传统的说法，硬件系统由 5 个大的功能部件组成：（1）完成对数据暂存、运算处理功

2、能的运算器部件，（2）完成对原始数据输入功能的输入设备，（3）完成对数据存储功能的存储器部件，（4）完成对运算结果输出功能的输出设备，（5）向各个部件、设备提供它们协调运行所需要的控制信号的控制器部件。计算机软件系统是由完成计算机资源管理、方便用户使用的系统软件（厂家提供），和完成用户对数据的预期处理功能（用户设计，自己使用）的程序这样两大部分构成的。基本系统软件主要由 3 个部分组成：（1）分担计算机系统中的资源管理与分配，也向使用者和程序设计人员提供简单、方便、高效服务的操作系统，（2）支持用户按照计算机最基本功能（指令）设计程序的汇编语言，（2）支持用户按照解题算法设计程序的高级语言。实

3、现硬件系统的根本基础是数字逻辑电路，设计和构成软件的根本基础是计算机的指令系统。在一个完整的计算机系统中，软件系统是建立在硬件系统层次之上的部分，它的存在以已有硬件系统为前提，并且必须在已有硬件上才能运行。硬件系统也必须在软件系统的调度指挥下才能发挥出应有的运行效率，体现出它的使用价值。指令系统是设置在硬件系统和软件系统之间的结合点和纽带，硬件系统实现每一条指令的功能，全部软件系统都是由指令序列组成的程序。2计算机系统的层次结构 通常把一个计算机硬、软件系统的完整内容划分为 6 个层次，以便更精准地理解、说明每一个层次的功能和运行机制，表明各层次之间相互依存、彼此支持的关系。下一层是实现上一层

4、的基础，上一层是对下一层的功能扩展。数字电路与逻辑设计是实现计算机硬件的基础，处于最底层；由 5 个部件组成的计算机硬件系统构成微体系结构层，接在数字逻辑层上面；硬件系统实现了全部指令的运行功能，提供了设计软件的能力，处在硬件系统的顶层和软件系统的底层；最底层的软件是操作系统，提供了管理和运行计算机系统的能力；在此基础上设计的汇编语言，提供了设计程序的功能较弱的基本工具；再往上实现了功能更强的高级语言，设计各种程序更容易，使用计算机更方便。三、本课程教学内容安排 第 2 章讲解的是计算机系统 6 层结构中最底层的数字电路和计算机中的逻辑部件，是设计实现计算机硬件系统的预备性知识，尽管这些内容不

5、属于考试范围，但我要十分明确地告诉大家，学懂第 2 章中的基本知识，是学好计算机组成原理的必备条件。为此，把计算机组成的实际例子教学计算机有关的线路和逻辑设计的内容，从原来散放在不同章节，集中汇总到第 2 章中来，避免在讲解计算机功能部件时过多地纠缠具体线路问题。第 3 章第 6 章，分章节地重点讲解计算机硬件系统的功能部件，也就是计算机系统 6层结构中微体系结构层的内容，提供课程的核心知识和技术，主要围绕设计什么样的硬件部件和如何实现每一条指令的功能，如何更好地运行程序，例如要加工运算数据需要运算器部件，存储数据要有存储器部件，输入输出操作要求有输入输出设备，要保证整机正常协调地运行需要控制

6、器部件等。每个部件各自如何组成，怎样运行，这些部件如何连接和协调，会在各个章节中分别讲解。其中的数据表式、编码和运算方法是设计运算器的理论基础，而指令格式、寻址方案和指令功能则是设计控制器的依据。在各个主要章节中讲解计算机组成的基本原理时，都通过教学计算机系统组成和设计实例来加深理解和使用所学知识。其中第 4 章的指令系统和汇编语言程序设计，给出计算机系统 6 层结构中的指令系统层和汇编语言层的简单知识，操作系统层和高级语言层在教材中未予讲解，但在贯穿整个教学过程的教学计算机系统中有监控程序和 BASIC语言解释程序与之对应。教学机涵盖了计算机系统全部 6 个层次的基本内容。2005 春计算机

7、组成原理教学辅导材料-第三章 一、教学要求 概念和术语：数字化信息，信息编码，进位记数法，位权与有权码，数制与数制转换 检错纠错编码，码距和检错纠错能力，奇偶校验码，汉明检错纠错码 数据的原、反、补码表示，补码加减法运算，原码一位乘除法运算 阶码，移码，尾数，规格化操作，浮点数的隐藏位，浮点数格式标准 定点运算器，浮点运算器 考核要求：熟练掌握：进位记数法，数制与数制转换，数据的原、反、补码表示，码距和检错纠错能力，奇偶校验码的作用和实现原理 补码加减法运算，定点运算器的功能和运行原理 掌握：信息编码，浮点数格式以及完成加减乘除运算的算法，浮点数的隐藏位和规格化操作，了解：汉明检错纠错码的作用

8、和实现的数学原理（不是线路），加速乘除法运算的有关思路，浮点运算器的一般组成 二、重点辅导 本章主要应围绕运算器部件的功能、组成和实现进行学习。运算器最重要的功能是加工数据，为此必须很好地掌握：（1）各种类型的数据（小数、整数、浮点数）在计算机内的表示，存储方式；（2）完成算术运算（补码加减法、原码一位乘除法）所用的算法；（3）实现这些算法的所用的逻辑电路（定点运算器部件）。上述 3 项内容又以数字化信息编码、布尔代数、数字电路与逻辑设计为基础。本章将从数字化信息编码讲起，引出二进制编码，数制转换，插入部分检错纠错码知识；接下来介绍各种类型数据的表示；数值数据算术运算的有关算法。二进制编码，数

9、制转换，定点小数和整数的原、反、补码表示是核心重点内容。检错纠错码概念，讲到的两种常用的检错、纠错码的实现原理应较好掌握，而对它们所用的具体线路一般了解即可。应该掌握定点小数、整数、浮点数在计算机内的表示，补码加减法的运算规则，原码一位乘除法的实现算法和完成算术运算用到的原理性逻辑线路。知晓还存在补码乘除法和加速乘除运算的多种实现方案。运算器通常包括定点运算器和浮点运算器两种类型。定点运算器主要完成对整数类型的数据、逻辑类型的数据的算术、逻辑运算，而浮点运算器主要完成对浮点数的算术运算。学习本章内容时，重点在于很好地掌握涉及到的基本知识和主要概念，并且结合一个很典型的定点运算器芯片和选用此芯片

10、设计实现的一个 16 位的运算器部件的实例，加深对基本原理的理解，理论联系实际，使所学内容有一定的实用性。有关浮点运算器的知识一般了解即可。三、作业与教学实验 本章作业较多，主要集中在数据表示，编码和数制转换，补码的加减法，浮点数据格式等方面，也有少量的原码一位乘除法运算、浮点数运算的内容，对深入理解所学知识和比较熟练地完成必要的计算很有必要，也是更好地学习运算器知识的基础，应认真完成。本章中所要求的教学实验，安排的是脱机的运算器实验的内容，作业中也有这项内容，看起来不是太难，但对掌握运算器的功能、组成、控制与使用很有成效，也是更好地学习计算机其它功能部件，特别对学好控制器部件的必备知识，应认

11、真完成。2005 春计算机组成原理教学辅导材料-第三章（练习和思考）下面以几种不同题型的方式给出若干模拟试题，同学可以用此检查一下自己对有关知识的掌握程度。这些试题的答案可以在书本上或者课程总的复习指导的模拟试题答案中找到。1 选择或填空题 （1）下列数中最小的数是 。（考核内容：数制转换，数据大小）（A）（101001）2（B）（52）8（C）（00101001）BCD（D）（233）16 （2）下列数中最大的数是 。（考核内容：数制转换，数据大小）（A）（1010010）2（B）（512）8（C）（00101000）BCD（D）（235）16 （3）假定机字长 32 位，采用定点小数原码表

12、示，符号位占 1 位，数值位占 31 位，则可表示的最大正小数为 ，最小负小数为 。（考核内容：定点小数的原码表示，数据范围的大小）（A），（B），（C），（D），（4）某机字长 16 位，采用整数补码表示，符号位占 1 位，数值位占 15 位，则可表示的最大正小数为 ，最小负小数为 。（考核内容：整数的补码表示，数据范围的大小）2 计算题 用补码运算方法计算前两个小题的 X+Y 的值及运算结果的特征（几个标志位的值）：（1）X=0.1011 Y=0.1100（2）X=-0.1011 Y=0.1001(3)用原码计算第 1 个小题的 X Y 的结果。(1)X=0.1111 Y=0.1101(2

13、)X=-0.1101 Y=0.1011(3)用原码计算第 2 个小题的 X Y 的结果。3 简答题 (1)通过本章学习和教学实验，用自己的理解和切身体会，简述计算机运算器部件的主要功能。(2)简述计算机定点运算器部件的主要功能子部件的组成，尝试通过对比，说明 Am2901 芯片的内部组成与你了解的其他计算机的运算器的相同与差异之处。（3）思考并回答，教学计算机的运算器部件为什么出了使用 4 片 Am2901芯片之外还要使用另外两片 GAL20V8 芯片？解决的是什么问题？（4）奇偶校验码的码距是多少？它的检错能力如何？（5）汉明码与奇偶校验码有什么联系？它能实现自动纠错的道理何在？2005 春

14、计算机组成原理教学辅导材料-第四章 第 4 章 指令、指令系统和控制器部件 一、教学要求 概念和术语：指令，指令系统，指令操作码，寻址方式，形式地址，有效地址 精简指令集计算机（RISC），机器指令，汇编语句，汇编程序设计 微程序控制器，微指令 硬联线控制器，节拍发生器，CPU 周期，指令周期 考核要求：熟练掌握：指令操作码的编码技术，几种基本寻址方式，指令执行步骤划分 微程序控制器的功能和运行原理 掌握：从形式地址到得到有效地址的处理方案，几条典型指令的执行步骤 微指令下地址形成技术，硬联线控制器的功能和运行原理 了解：节拍发生器，CPU 周期，指令周期，汇编语句，汇编程序设计，微周期，微操

15、作，微下地址映射 二、作业与教学实验：本章的作业不是太多，而且主要围绕着教学实验内容安排。包括教学机的汇编语言程序设计，教学机的指令扩展实验内容，作业完成的质量可以拿到教学计算机上运行检查。本章的教学实验，一个内容是汇编语言程序设计，设计完成一定功能的小程序，既用于熟悉教学机的指令系统，也为了学习简单的汇编语言程序设计方法，并为进一步学习控制器打下一点基础。教学实验的另外一项内容是扩展几条指令，重点在于通过操作教学计算机，用连续执行、单指令执行、单步骤执行 3 种不同的方式执行指令，看懂几条典型指令的执行步骤，每一个执行步骤中是如何控制计算机各功能部件完成指定的功能，各个步骤之间是如何实现衔接

16、过程的，接下来才是综合应用学到的知识，设计并实现几条新指令，将其加入到原有的指令系统之中。有关控制器部件教学实验的具体内容、操作步骤等在新版的实验指导书中有更详细的说明。2005 春计算机组成原理教学辅导材料-第五章 一、教学要求 概念和术语：多级结构存储器，局部性原理，包含性原则，一致性原则 内存储器，动态存储器器件，静态存储器器件，随机读写存储器 只读存储器，多体结构存储器系统，存储器的字位扩展 高速缓冲存储器，关联存储器，标志字段，命中率 虚拟存储器，段式管理，段表，页式管理，页表，快速页表 磁表面存储设备，存储密度，寻址时间，数据传输率，磁记录方式 磁盘阵列，磁盘镜像，磁盘阵列中的数据

17、保护，热插拔技术 考核要求：熟练掌握：3 级结构的存储器系统组成，局部性原理的概念，包含性原则和一致性原则的含义，动态与静态存储器器件各自的特性和应用场合，存储器的字位扩展技术 高速缓冲存储器的运行原理，虚拟存储器的概念和作用 掌握：多体结构存储器系统，低位地址交叉编址的概念，高速缓存的 3 种映像方式，影响高速缓存命中率的因素 在虚拟存储器页式管理中，页表和快速页表各自发挥的作用 了解：磁记录方式的含义，选用磁盘阵列方案的优点，磁盘阵列中的数据保护 硬磁盘的原理性组成和读写原理，光盘的原理性组成和读写原理 二、作业与教学实验：本章的作业偏重概念和基本原理的内容较多，有意识地放弃了一些更为具体

18、和量化分析和计算方面的题目，目的在于突出计算机 CPU 部分的知识与设计技术，各章全面加重份量会造成学生负担过重。针对本章的教学内容可以完成扩展内存储器容量的教学实验，在用于扩展存储器的器件插座位置插入 ROM 芯片，正确地给出片选信号、读写命令信号、数据信号等，写一个小程序实现对该存储器芯片的读操作功能。稍加处理，还可以实现对该 ROM 芯片的数据写入操作。由于本实验操作非常简单，完全可以不单独安排实验学时，而是将其安排在运算器实验或者控制器实验结束之前的十多分钟顺便完成。三、模拟试题 下面给出几个模拟试题，用于同学自我测试。1 选择题 （1）某一 RAM 芯片，其容量为 5128 位，除电

19、源端和接地端外，连同片选、/OE 和读/写信号该芯片引出脚的最小数目应为_。（A）23 （B）25 （C）50 （D）20 （2）在虚拟存储器中，当程序正在执行时，由_完成地址映射。（A）程序员相应硬件 （B）编译器相应硬件 （C）装入程序相应硬件 （D）操作系统相应硬件 （3）下列说法中_是正确的。（A）半导体 RAM 信息可读可写，且断电后仍能保持记忆 （B）半导体 RAM 是易失性 RAM，而静态 RAM 中的存储信息是不易失的 （C）半导体 RAM 是易失性 RAM，而静态 RAM 只有在电源不掉时，所存信息是不易失的 （D）EPROM 是可改写的，因而也是随机存储器的一种 （4）某一

20、 RAM 芯片，其容量为 10248 位，除电源端和接地端外，连同片选、/OE和读/写信号该芯片引出脚的最小数目应为_。（A）23 （B）20 （C）17 （D）22 （5）在 CACHE 存储器中，当程序正在执行时，由_完成地址映射。（A）程序员 （B）硬件 （C）硬件和软件 （D）操作系统 （6）下列说法中_是正确的。（A）半导体 ROM 信息可读可写，且断电后仍能保持记忆 （B）半导体 ROM 是非易失性的，断电后仍然能保持记忆 （C）半导体 ROM 是非易失性的，断电后也不能保持记忆 （D）EPROM 是可改写的，因而也是随机存储器的一种 2 填空题 （1）当前流行的计算机系统中，广泛

21、采用由三种运行原理不同、性能差异很大的存储介质，来分别构建_、_和_，再将它们组成通过计算机硬软件统一管理与调度的三级结构的存储器系统。（2）CACHE 存储器通常使用 3 种映像方式，其中_是指主存的一个字（字块）可以映像到 CACHE 的一个_字（字块）中，反过来。CACHE 中一个字在不同时刻可能存放的是整个主存中一个_字的内容，即二者的关系是完全硬性确定的，没有任何选择余地。（3）当前流行的计算机系统中，广泛采用由三种运行原理不同、性能差异很大的存储介质来构建计算机存储体系，在 CPU 与_间加入_构成由硬件管理的存储结构，在主存与辅存间通过计算机硬、软件统一管理与调度组成_的另一种存储器结构。3 简答题 （1）高速缓存与主存在读写原理方面有何区别？（2）使用多体结构的主存储器的目的是什么？什么是低位地址交叉，其优点何在？来源：河南学历考试网