计算机组成原理教案唐朔飞.docx
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1、(完整word 版)计算机组成原理 教案 唐朔飞计算机与信息技术学院课程教案专业计算机科学与技术专业课程计算机组成原理讲 授 人2022 年 9 月 10 日1一 课程名称:计算机组成原理(二 学时学分:周 4 学时,4 学分(三) 预修课程:数字规律、汇编语言(四) 使用教材唐朔飞编著:计算机组成原理第 2 版,高等教育出版社,2022 年 1 月第 2 版.五) 教学参考书(3 本以上)1、王爱英编著:计算机组成与构造(第 4 版),清华大学出版社,2022 年 3 月版.2、白中英编著:计算机组成原理(第 5 版),科学出版社,2022 年 2 月版。3、William Stalling
2、s 编著:计算机组织与构造-性能设计第 8 版,机械工业出版社,2022 年 11 月版。4、李亚民编著:计算机组成与系统构造(第 1 版,清华大学出版社,2022 年 4 月版.六 教学方法:课堂讲授,课程设计,师生互动,理论与试验结合教学。七 教学手段:多媒体教学。(八) 考核方式:闭卷考试。九) 学生创精神与实践力量的培育方法:通过教师出题、小组争论、试验、学生自由发言等方式使学生把握根本的计算机专业思维,提高学生分析问题、解决问题的力量,培育学生 的动手力量,写作力量和表达力量,将为学生奠定深厚的专业潜力和良好的专业素养。(十 其它要求:严格考勤,学生课堂表现及课堂参与状况占学生成绩的
3、 15,当堂测试、课程论文和课下作业占学生成绩的 15%,期末成绩占 70。(完整word 版)计算机组成原理 教案 唐朔飞教学时数:2 学时第一章 计算机系统概论- 3 -教学目的与要求:要求学生了解计算机系统的根本概念,。使学生初步把握计算机系统的基 本概念及本书的根本构造,为进一步深入学习打下根底。教学重点:把握冯诺依曼计算机的架构、计算机根本技术指标. 教学难点:引入冯诺依曼计算机的架构、总概全书.第一节 计算机系统简介 了解)硬中心处理器(CPU运算器主机掌握器 只读存储器(ROM)内存储器可读可写存储器(RAM件输入设备如:键盘、鼠标计外部设备输出设备如:显示器、打印机)算外部存储
4、器(如:磁盘、磁带、光盘机操作系统系汇编程序统系语言处理程序解释程序软统编译程序件软数据库治理系统如 FOXBASE)件诊断程序(如 DIAGS)支持软件调试程序如 DEBUG)编辑程序如 EDIT链接程序如 LINK网络通信系统应用软件(如 WPS)其次节 计算机的根本组成 (重点) 层次构造硬件层次构造数据模型、算法用户程序作为软件资源的应用程序语言处理程序(解释、编译操作系统机器语言(指令系统)微程序掌握器硬件硬件规律部件虚拟机层次构造应用程序虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机操作系统虚拟机指令系统、机器语言裸机硬件编译:将源程序的全部语句变成机器语言,然后执行。解释:将源程序的一条语句
5、变成机器语言并执行,然后再把下一条语句变成机器语言并执 行,直到完毕。透亮:原来存在的事物或属性,从某个角度看却好象不存在,称为透亮。 虚拟机:由软件实现功能的机器称为虚拟机.冯诺依曼Von Neumann)型计算机1) 计算机分为五局部:运算器、掌握器、存储器、输入设备和输出设备。计算机以运算器 为中心,输入输出设备与存储器之间的数据传送都要经过运算器,各局部的操作及其相互之间的 联系都要由掌握器集中掌握。程序结果(指令流生成掌握流,掌握流掌握数据流)状态运算器数据结果命令输入设备存储器输出设备请命求令地址指令命请令求掌握器2) 存储器按地址访问,它是一个挨次的线性编址的一维空间,每个单元的
6、位数是固定的.3) 承受存储程序原理,将程序和数据放在同一个存储器中,指令和数据等同对待,指令和 数据都可以送入运算器中运算,即由指令组成的程序是可以在运行过程中被修改。4) 数据以二进制编码,承受二进制运算。5 指令由操作码和地址码两局部组成。操作码表示指令的性质,地址码表示操作数所在的位置。6) 指令在存储器中根本承受挨次执行,由指令计数器指明要执行的指令在存储器中的地址。第三节 计算机硬件的主要技术指标(重点)1. 字长CPU 一次处理的最大的二进制数的位数为机器字长。机器字长:是指参与运算的数的根本位数,它标志着计算精度,位数越多,精度越高,但硬件本钱也越高,由于他打算着存放器、运算部
7、件、数据总线等的位数。2. 主存容量主存储器是 CPU 可以直接访问的存储器,需要执行的程序与需要处理的数据就放在主存中。主存容量大则可以运行比较简单的程序 ,并可以存入大量信息,可以利用更完善的软件支撑环(完整word 版)计算机组成原理 教案 唐朔飞境。所以计算机处理力量的大小在很大程度上取决于主存容量的大小.主存容量的记法有两种: 字节数如 PC 机,640KB和单元数字数*位数(如 64K16。3. 外存容量外存容量一般是指计算机系统中联机运行的外存储容量。4运算速度(1) CPU 时钟频率计算机的操作需要分步执行,每个时钟周期完成一步操作,所以时钟频率在很大程度上反 映了 CPU 速
8、度的快慢。(2) 每秒平均执行指令数(ips由于各种指令的执行时间不等,所以这种描述是粗略的。通常,一条指令能实现一次定点 加减运算,所以 ips 值大致相当于每秒钟能完成的定点加减运算次数。3) 单独注明时间。- 5 -第四节 本书构造(完整word 版)计算机组成原理 教案 唐朔飞本章思考题1。 什么是计算机系统、计算机硬件和软件?2。 如何理解计算机系统的层次构造?3。 说明高级语言、汇编语言和机器语言的区分及联系。4。 指令和数据都存在存储器中,如何区分它们?5。 什么是指令?什么是程序?- 10 -教学时数:2 学时其次章 计算机的进展及应用教学目的与要求:通过本章的表达,使学生初步
9、了解计算机系统的进展历史、应用前景,增 进和培育学生的学习兴趣。教学重点:把握计算机进展趋势。第一节 计算机的进展史1。 从物理器件的角度分为五代计算机:(1) 第一代电子管计算机(2 其次代晶体管计算机3) 第三代集成电路计算机(4 第四代大规模集成电路计算机5 第五代超大规模集成电路计算机人工智能2. 从计算机的体积可分为:巨、大、中、小、微型计算机。3. 从运算力量可分为:4,8,16,32,64 位计算机。1. 科学计算和数据应用2. 工业掌握和实时掌握3. 网络技术4. 虚拟现实5. 办公自动化6。 多媒体技术7。 人工智能其次节 计算机的应用第三节 计算机的展望1。 串行算法改为并
10、行算法,消灭了向量计算机、并行计算机和多处理机等.2. 高级语言与机器语言的语义距离缩小,消灭了面对高级语言机器和直接执行高级语言机器。3. 硬件子系统与操作系统和数据库治理系统软件相适应,消灭了面对操作系统机器和数据库计算机。4. 计算机系统从指令驱动型转变为数据驱动型和需求驱动型 ,消灭了数据流机器和归约机。5. 为了适应特定应用环境而消灭了各种专用计算机。 6。 为了获得高牢靠性而研制容错计算机。7. 计算机系统功能分散化、专业化,消灭了各种功能分布计算机。8. 消灭了与大规模、超大规模集成电路相适应的计算机系统构造。9. 消灭了处理非数值化信息的智能计算机。本章思考题1。 计算机更换代
11、以什么为依据?2。 什么是摩尔定律?该定律是否永久生效?3. 说明网络技术的应用. 4。 说明人工智能的应用。5. 举例说明哪些应用需要承受多媒体技术?教学时数:2 学时第三章 系统总线教学目的与要求:使学生把握总线系统的根本概念,总线的主要技术指标,单、多总线架 构的特点及机內的通信方式。教学重点:总线的概念和构造形态、信息传送方式。 教学难点:总线的仲裁、总线数据的传送模式。第一节 总线的根本概念在计算机的内部,CPU 和存储器之间由总线连接。总线是用来连接计算机中的多个部件,以实现部件之间信息交换的一组导线。总线依据它的任务划分,可分为三级:1. 片内总线指芯片内部的总线.如 CPU 内
12、部总线,他连接 CPU 内部的各个存放器和算术规律运算部件。2. 系统总线指 CPU、主存、I/O(通过 I/O 接口各大部件之间的信息传输线。系统总线依据其传递的信号不同可以分为地址总线、数据总线和掌握总线。3. 通信总线用于连接计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。 我们所说的总线,一般状况指系统总线。总线在传输数据格式上承受串行传输和并行传输两类。能一次并行传输的数据位数被定义 为总线的数据通路宽度,而单位时间能传输的数据量被定义为总线的数据传输率。完成一次总线传送操作所需的时间称为一个总线周期。依据总线可能的传送方向,总线可分 为单向总线和双向总线。其次节 总线的分类狭义的总
13、线实体是一组传送线。它们的定义与允许的工作方式派生出相应的总线规律,如: 接收与发送信息规律,为共享总线所需的缓冲器,对总线掌握权的申请、仲裁、批准与掌握权转移规律,为与总线标准匹配所要求的信号转换等.所以,总线实体是一组传送线路与相应的控 制规律。1 从系统组成角度分类在小规模系统中,常用一组系统总线连接 CPU、主存、接口与外围设备,称为单总线构造。在较大规模系统中,常设置多组总线,如:在主存与CPU 之间设置一组专用的高速存储总线,而将连接外围设备的系统总线称 I/O 扩展总线。在一些系统中,将直接与 CPU 连接的一段总线称局部总线,将经过总线掌握器扩大后的总线称为系统总线。连接系统内
14、部 CPU、主存、接口与常规外围设备的总线称为系统内总线.把计算机系统之间,计算机系统与通信设备或其他系统外设之间的连接总线称为系统外总线.在松耦合多机系统中,常将各节点内部的总线称为局部总线,节点间的总线称为通信总线.2) 按数据传送格式分类并行总线:用多根数据线同时传送一个字节或一个字的全部代码位,可以同时传送的数据位 数称为该总线的数据通路宽度.计算机的系统总线大多是并行总线。串行总线:按位串行传送数据,即按数据代码位流的挨次逐位传送。3) 按时序掌握方式分类系统总线所连接的 CPU 与各种外围设备往往有各自独立的工作时序,在通过总线传送数据信息时,其时序掌握方式有同步方式和异步方式之分
15、,相应地,也将总线分为同步总线和异步总线两类。同步总线:数据传送操作由统一的系统时钟同步定时,其显著特征是有严格的时钟周期划分, 一次传送操作所需的一个总线周期可能包括假设干时钟周期。在单机系统中,系统时钟由 CPU 供给.在多机系统中,或由负责系统治理的主 CPU 供给,或特地设置一个系统时钟.第三节 总线特性及性能指标同步掌握方式以时钟周期为划分时间段的基准,一个总线周期占用多个时钟周期,必要时候,一个总线周期所包含的时钟周期数目并不固定,但都是以完整的时钟周期为基准的。例如, DMA 掌握器向 CPU 提出总线恳求,获得总线掌握权后实现一次总线传送。通常这一过程要经过以下几步:1) S0
16、 状态:DMA 掌握器提出总线恳求BREQ),此时CPU 正掌握总线访问主存,因此 DMA 掌握器处于等待批准的 S0 状态,可能要等待几个时钟周期。2 S1 状态:CPU 完毕一次总线周期操作,发出总线批准信号 BACK,进入总线掌握权交换状态 S1 状态。在 S1 状态中,CPU 放弃总线,DMA 掌握器向总线送出地址码,接收总线掌握权, 并进入下一状态。3) S2 状态:由DMA 掌握器发出读命令,从发送设备中读出数据,送入有关的数据存放器, 并发送到数据总线上。(4 S3 状态:由 DMA 掌握器发出写命令,将数据总线信息写入接收设备.(5 S4 状态:延长状态,假设在 S3 状态中没
17、有完成总线传送,可以延长总线周期,进入 S4 状态。完毕一个总线周期后,DMA 掌握器放弃系统总线,将总线掌握权交回 CPU.第四节 总线构造和总线掌握异步总线:对总线操作的掌握与数据传送,以应答方式实现,特点是没有固定的时钟周期 划分.异步应答关系分为不互锁、半互锁和全互锁三类。不互锁:设备 1 发出恳求信号,经过一段时间后,自动撤消;设备 2 接到设备 1 的恳求信号后,在条件允许时发出答复信号,经过一段时间后,自动撤消.半互锁:设备 1 发出恳求信号后,接到设备 2 的答复信号后,才撤消恳求信号,而设备 2 经过一段时间后,自动撤消答复信号.全互锁:设备 1 发出恳求信号后,接到设备 2
18、 的答复信号后,才撤消恳求信号,设备 2 知道设备 1 撤消了恳求信号后,才撤消答复信号。本章思考题1。 什么是总线?总线传输有何特点?2。 如何理解总线的不同分类?3. 比较同步及异步通信。4. 什么是总线标准?为什么要设置总线标准?5. 什么总线的传输速率,它与哪些因素有关?教学时数:8 学时第四章 存储器教学目的与要求:使学生把握主存、辅存的概念,重点理解存储器分级的构造,把握主存 与 CPU 连接方式,Cache 与主存地址映射方式。教学重点:静态存储器、动态存储器、Cache 存储器的地址映射方式. 教学难点:主存芯片与 CPU 的连接方法、存储器的校验。第一节 概述1. 存储器的分
19、类1) 按存储器与 CPU 的关系:存储器分为主存和辅存两局部.主存是能够由 CPU 直接编程访问的存储器,它存放需要执行的程序与需要处理的数据。由于主存处于主机的内部所以又称之为内存.与之相对的是外存,又称辅存。辅存包括:磁盘、光 盘、磁带等。2) 按存取方式:随机存储器、只读存储器、挨次存储器和直接存储器.随机存储器:存储器中的任何一个存储单元的内容都能被随机存取,且存取时间都一样, 与存储单元的物理位置无关(RAM,可以用存储周期来表示其工作速度。只读存储器:存储器工作的时候只能读,不能写 ,通常保存一些特别重要的信息.它也承受随机存取方式.挨次存取存储器:存储器中的存储内容只能按挨次存
20、取,其存取时间与存储单元的物理位 置有关SAM,如磁带。直接存取存储器(DAM):介于随机存储方式和挨次存储方式之间,典型的直接存取存储器是 磁盘,磁盘寻址时,首先磁头定位于磁道类似于随机存储方式,然后在磁道内寻址类似于挨次存 储方式。3) 按存储介质:半导体存储器用半导体器件构成的存储器,多用于主存和磁存储器(磁 性材料做成的存储器,如磁盘)。半导体存储器又可以细分为静态存储器SRAM和动态存储器DRAM。4) 按信息的保存:永久性存储器断电后存储信息仍可以保持)和易失性存储器(断电后丢 失信息),如磁盘是永久性,RAM 为易失性。5 按读写功能:读写存储器和只读存储器6) 主存储器分为随机
21、存储器 RAM)和只读存储器(ROM,只读存储器又可以分为:可编程只读存储器(PROM),可擦可编程只读存储器EPROM,电可擦可编程只读存储器(E2PROM),以及快闪存储器。其次节 主存储器1。 存储器的组成存储体地址缓冲和译码器读写数据缓冲器存储器是一种能够实现按地址存储的装置。存储器由存储体、地址缓冲和译码器、读写数据缓冲器组成。存储体是存储器的核心,它有很多存储单元组成,每个存储单元又由假设干个可记忆 0 或 1 的存储元件组成。因此,每个存储单元可以存放假设干位二进制数,称为一个字。每个存储单元按其空间的位置都有一个固定的编号,称为存储单元的地址,简称地址。通常说存储器容量为 MN
22、 的,M 表示的是存储器有多少个字,N 表示每个字有多少个存储元件。2。 主存储器的技术指标1) 存储速度:存取时间(TA,又称取数时间和存储周期TM2) 存取时间:存储器接到读命令信号到其数据输出端有信号输出为止的时间.例如对于2114 来说,其存取时间为从 WE = 1 开头到读写数据缓冲器中有数据为止。3) 存储周期:连续两次访问存储器所需要的最小时间间隔.例如:从 CPU 向存储器发出读命令,到 CPU 的 MDR 中有数据为止.4) 价格:存储器的价格以位价格衡量,即存储容量为 S,价格为 C,P=C/S 是位价格.3. 主存储器的工作原理CPU 对存储器进展操作的时候,肯定要用到两
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