计算机组成原理教案
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《计算机组成原理》课程教案
计算机科学系
本课程是计算机专业本科生的核心课程,是主干必修课。课程以阐述原理为主,讲述计算机系统及其各功能部件的工作原理以及逻辑实现,计算机系统及其各功能部件的设计原理以及并行处理技术。设置这一课程的目的是使学生掌握计算机的基本工作原理,掌握计算机各主要部件的硬件结构、相互联系和作用,掌握计算机系统的设计原理以及软硬件的界面,从而对整个计算机系统有完整的了解,为计算机专业的后继课程的学习打下基础。
一、本课程得主要内容
1、计算机系统概论
2、逻辑电路设计基础(复习及提高)
3、信息编码和数据表示
4、计算机算法和算法逻辑实现
5、存储器
6、计算机指令构成和寻址方式
7、处理机设计
8、流水线处理机
9、存储系统
10、输入输出设备
11、输入输出系统
二、本课程教学重点与难点
重点:信息编码和数据表示
控制器
存储系统
输入输出系统
三、教材选用
William Stallings《计算机组织与结构--性能设计(第五版)》.高等教育大学出版社,
四、参考教材:
主要参考书:
1、李亚明.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社.2001
2、王爱英.《计算机组成与结构》.清华大学出版社.1998
3、江义鹏.《计算机组成原理》.人民邮电出版社.1998
4、胡越明.《计算机组成和系统结构》.上海科学技术文献出版社.1999
5、俸远祯.《计算机组成原理》.电子工业出版社
6、李亚民.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社 2000年
7、袁开榜.《计算机组成原理》高等教育出版社
8、白中英、韩兆轩编.《计算机组成原理》.科学出版社
9、唐朔飞.《电子数字计算机原理》.哈尔滨工业大学出版社参考书:
10、邹海明.《计算机组织与结构》.电子工业出版社..1993年.版.
11、 John L. Hennessy and David A. Patterson, "Computer organization and design, the hardware/software interface", Morgan Kaufmann, Second Edition, 1998
12、John L. Hennessy and David A. Patterson, “Computer architecture:
a quantitative approach”, Morgan Kaufmann, Second Edition, 1996
13、Patterson and Hennessy, "Computer Organization & Design: the Hardware/Software Interface (2nd edition)",Morgan Kaufmann Publishers.
五、教学手段:投影片+版书
六、课程内容和学时分配
(整体安排按信息表示、信息处理、信息输出思路。)
第一章计算机系统概论
教学内容:
1、计算机系统的基本构成
2、计算机系统的层次结构
3、计算机系统结构、组成及其实现
4、计算机的性能评价
5、计算机发展简史
6、计算机的应用
基本要求:
通过本章的学习,要求了解整个计算机系统由硬件和软件两部分构成,其中硬件部分包括运算器、控制器、存储器、输入输出设备等五大功能部件构成。通过总线相互连成一个完整的硬件系统;软件部分包括系统软件、应用软件两大部分。通过对计算机层次结构的了解,明确计算机组成原理课程的任务和目的。了解计算机中的一些基本概念,包括性能指标、计算机发展简史以及计算机的应用。
教学重点:
1、计算机系统的基本构成
2、计算机系统的层次结构
3、计算机系统结构、组成及其实现
教学难点:计算机系统的层次结构、系统结构、组成及其实现的关系。明确计算机组成原理课程的任务和目的。
其它:
4、计算机的性能评价(字长、容量、速度、时间、MIPS)
5、计算机发展简史(ENIAC、冯氏计算机、其它自学)
6、计算机的应用(科学计算与数据处理的区别)
1.1 计算机的分类和应用
1.2 计算机的硬件
1.3 计算机的软件
1.4 计算机系统的层次结构
作业:
1.1 计算机的分类和应用
1.1.1 计算机的分类
计算机分类:
模拟:处理在时间和数值上连续的量
数字:处理离散的量
数字计算机分类:
专用计算机:如工控机、DSP、IOP等
通用计算机:GPP
通用机分类:
巨型机(Super-Computer)、大型机(Mainframe)、中型机(Medium-size Computer)、小型机(minicomputer)、微型机(microcomputer)、单片机(Single-Chip Computer)1.1.2 计算机的应用
科学计算
传统方式:工作量大、人工处理慢
自动控制:数控机床、流水线控制
测量和测试:提高精度、在恶劣条件下的测量
信息处理:
教育、卫生:计算机辅助教学(CAI)、多媒体教室、CT(Computerized tomography)
家电
人工智能
1.2 计算机的硬件
1.2.1 数字计算机的硬件组成
五大组成部分:运算器、控制器、存储器、输入/输出设备。
概念:存储单元、地址、存储容量、外存储器、内存储器、指令、程序、指令的组成、存储程序、程序控制、指令系统、指令周期、执行周期、CPU、主机、数据字、指令字、数据流、指令流、适配器。
冯•诺依曼体系结构:
(1) 采用二进制形式表示数据和指令
数据和指令在代码的外形上并无区别.都是由0和1组成的代码序列,只是各自约定的含义不同而已。采用二进制、使信息数字化容易实现,可以用二值逻辑工具进行处理。程序信息本身也可以作为被处理的对象,进行加工处理,例如对照程序进行编译,就是将源程序当作被加工处理的对象。
(2) 采用存储程序方式
这是诺依曼思想的核心内容。如前所述,它意味着事先编制程序,事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中,计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序,计算机功能的扩展在很大程度上体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。
诺依曼机的这种工作方式,可称为控制流(指令流)驱动方式。即按照指令的执行序列,依次读取指令;根据指令所含的控制信息,调用数据进行处理。因此在执行程序的过程中,始终以控制信息流为驱动工作的因素,而数据信息流则是被动地被调用处理。为了控制指令序列的执行顺序,我们设置一个程序(指令)计数器PC(Program Counter),让它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序现在是顺序执行的,每取出一条指令后PC内容加l,指示下一条指令该从何处取得。如果程序将转移到某处,就将转移后的地址送入PC,以便按新地址读取后继指令。所以,PC就像一个指针,一直指示着程序的执行进程,也就是指示控制流的形成。虽然程序与数据都采用二进制代码,仍可按照PC的内容作为地址读取指令,再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情