计算机组成原理教学大纲规和教学重点与难点

《计算机组成原理》教学大纲规和教学重点与难点

《计算机组成原理》教学大纲规和教学重点与难点

《计算机组成原理》是计算机专业本科生核心硬件课程，必修。按定，该课程重点是讲授简单、完整的计算机硬件系统的基本组成原理与内部运行机制，也是进一步学习计算机系统结构课程的基础。课程内容的工程性、技术性、实用性都比较强，因此，在传授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。全部教学内容已经反映在教材中。

教材第一章内容为计算机组成原理课程的预备性知识。

教材第二、三、四、五章内容为计算机组成原理课程的主体知识。

第二章数据表示、运算和运算器部件

运算器部件是计算机五大功能部件中相对容易学懂的部分，也是学习计算机整机运行原理与设计技能最基础的一个环节。本章重点将围绕定点运算器的功能、组成和设计、实现来进行讲解。运算器最重要的功能是加工数据，为此必须很好地掌握各种数据在计算机内的表示，存储方式，完成运算所用的算法和实现这些算法的所用的逻辑电路。这些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。布尔代数、数字电路与逻辑设计是本教材第一章的内容。因此，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；接下来介绍各种数据表示；数值数据算术运算的有关算法；最后则是在计算机中实现算术与逻辑运算所用的功能部件-运算器部件。了解本章内容安排，对于把握学习重点和思路大有益处。

二进制编码，数制转换，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，三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；

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，一位乘除法的实现算法应该掌握，快速乘除法的实现算法一般了解即可；

定点运算器的功能与组成、控制与操作方法应该掌握，运算器设计和浮点运算器的知识一般了解即可。

本章作业较多，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，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也很重要，应认真完成。在学习运算器的整个过程中，可以用如下几句话来把握学习内容纲要：

运算器的功能与组成运算器的控制与使用

运算器，三大件，数据组合有内外，

运算、暂存、乘除快，运算功能指明白，

多路选通连起来。存、移、输出巧安排。

第三章讲解指令、指令系统和控制器部件

本章教学内容是讲授计算机的指令、指令系统，计算机控制器的功能、组成、设计与实现。对于该课程来说，这是属于比较难学、但确实又是最为重要的部分。其教学安排将围绕掌握计算机指令的执行过程（步骤）与控制器的设计技能来进行，包括课堂教学、课外作业、教学实验都应紧紧把握住这个主线索。从用户的角度看，指令是用户使用与控制计算机的最小功能单位，从计算机本身的组成看，指令直接与计算机的运行性能、硬件结构密切相关，它是设计一台计算机的起始点和基本依据。指令功能安排、指令格式、寻址方式的选择十分重要。控制器的功能与组成，将主要体现在完成对计算机指令的执行过程（步骤）的控制方面。学生在学习的整个过程中，应首先掌握对指令系统的一般要求，指令格式设计，寻址方式选择这样3项内容；指令系统举例，重点在于更深入具体阐述上述3项内容，不必花费太多精力推敲每条指令的具体内容，但对教学计算机的指令系统须认真看一看，在后续的教学过程与教学实验中会反复用到。

学好控制器设计的关键是保持清醒的思路，从空间（计算机的组成逻辑部件）和时间（每类指令执行时序

逻辑关系）两个方面分析与设计各条指令的执行步骤，首先应认真看清教学计算机的功能部件组成和它们的连接关系，再仔细看懂整个指令系统中每类指令的执行过程。切不可一上来，就一头扎进每一条指令的具体执行步骤中的一些细节问题，也不可在这里太多纠缠计算机的逻辑线路细节（到相应部件的章节再全部学懂），还是应该从信息（指令和数据）在不同时间里在计算机各功能部件之间的流动、处理来学习与理解各类（不特别强调同一类中的每一条）指令的执行过程，尤其是要把划分指令的执行步骤和确定每个执行步骤要求的控制信号这样两件事情，区分为两个阶段分别处理。微程序的和硬布线的两种控制器，对指令执行步骤影响不大，主要差异表现在提供指令每个执行步骤要用到的控制信号的办法和具体逻辑线路、运行速度等方面有所不同。

控制器部件是计算机的五大功能部件之一，其作用是向整机每个部件(包括控制器部件本身)提供协同运行所需要的控制信号。计算机的最本质的功能是连续执行指令，而每一条指令往往又要分成几个执行步骤才得以完成。由此又可以说，计算机控制器的基本功能，是依据当前正在执行的指令和它所处的执行步骤，形成(或称得到)并提供出在这一时刻整机各部件要用到的控制信号。

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。教学计算机系统中，分别设计并实现了这两种控制器，为教学提供了比较理想的实例，也为实验人员开辟了选择使用与进行实验的广阔天地。

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行原理

控制器，管控制，取指、分析、再执行，

PC、IR 和时序，判别中断并响应，

组合逻辑给信号，指令步骤看节拍，

控存存放微程序。下址续读微指令。

多级结构的存储器系统

主存储器，又称内存储器，是传统计算机硬件系统的五大功能部件之一, 用于存储处在运行中的程序和相关数据, 其容量与读写速度等指标, 对计算机总体性能有重大影响。因此, 在现代的计算机系统中, 通常总是采用由三种运行原理不同, 性能差异很大的存储介质分别构建高速缓冲存储器、主存储器和虚拟存储器, 再将它们组成三级结构的一体化管理、调度的存储器系统。由高速缓冲存储器缓解主存读写速度慢, 不能满足CPU运行速度需要的矛盾；用虚拟存储器（快速磁盘上的一片存储区）更大的存储空间, 解决主存容量小, 存不下更大程序与数据的难题.。显而易见, 三级结构的存储器系统，是围绕主存储器来组织和运行的, 就是说，设计与运行程序是针对主存储器进行的，充分表明主存储器在计算机系统中举足轻重的地位。本章将首先介绍多级存储器系统的基本组成，各级存储器所用介质的特性，多级结构存储器结构应满足的原则，以及它得以高效运行的原理；接下来分别讲解主存储器、高速缓冲存储器、虚拟存储器各自的组成与运行原理；最后则是外存储设备（磁盘、磁带、光盘）的组成与使用，并顺便介绍一些有关磁盘阵列和