計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(計(jì)算機(jī)組成原理)教案

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（計(jì)算機(jī)組成原理）教案何永玲2010年2月第

一

章計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)概論（2.5學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟件和硬件的基本概念、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、馮諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成、計(jì)算機(jī)的工作過程、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

難點(diǎn)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

重點(diǎn)：馮諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成第

二

章計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用（0.5學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展過程、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域第

三

章系統(tǒng)總線（5學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：總線的基本概念、總線的分類、總線的組成及性能指標(biāo)、總線結(jié)構(gòu)、總線判優(yōu)控制和總線通信控制。難點(diǎn)：總線通信控制

重點(diǎn)：總線的組成及性能指標(biāo)第

四

章存儲器（7學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：存儲器的分類、存儲器的分層結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲器的組織、只讀存儲器、主存儲器與CPU的連接、主存儲器的校驗(yàn)、多體交叉編址存儲器、高速緩沖存儲器Cache的基本原理、Cache和主存之間的地址映射、替換算法、磁表面存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)、磁表面存儲器的基本原理和磁記錄方式、磁盤存儲器、磁帶存儲器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼、光盤存儲器

難點(diǎn)：半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲器的組織、主存儲器與CPU的連接、Cache和主存之間的地址映射、磁表面存儲器的基本原理和磁記錄方式、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼

重點(diǎn)：存儲器的分層結(jié)構(gòu)、高速緩沖存儲器Cache的基本原理、磁表面存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)第

五

章輸入輸出

系統(tǒng)（10學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：輸入輸出系統(tǒng)的組成、外部設(shè)備（計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)中已介紹過，本課程不作要求）、I/O接口的職能和分類、I/O設(shè)備和主機(jī)的聯(lián)系方式、程序查詢方式、程序中斷方式、DMA方式

難點(diǎn)：I/O端口的編址方式、中斷方式的接口電路、DMA接口電路、DMA過程

重點(diǎn)：I/O接口的職能、I/O端口的編址方式、中斷過程、DMA過程第

六

章計(jì)算機(jī)的

運(yùn)算方法（9學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：真值和機(jī)器數(shù)、無符號數(shù)的表示和作用、定點(diǎn)數(shù)的表示（計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)中已介紹過，包括原碼表示、補(bǔ)碼表示和反碼表示）、浮點(diǎn)數(shù)的表示(包括浮點(diǎn)數(shù)的形式、浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化、浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍、IEEE754標(biāo)準(zhǔn))、定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算（包括移位運(yùn)算、加減運(yùn)算、乘法運(yùn)算、除法運(yùn)算）、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、算術(shù)邏輯單元ALU和快速加法器

難點(diǎn)：浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化、浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍、定點(diǎn)數(shù)的乘法運(yùn)算、定點(diǎn)數(shù)的除法運(yùn)算、浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算、算術(shù)邏輯單元ALU的設(shè)計(jì)和快速進(jìn)位鏈重點(diǎn)：無符號數(shù)的表示、定點(diǎn)數(shù)的補(bǔ)碼表示、IEEE754浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、定點(diǎn)數(shù)的移位運(yùn)算和加減運(yùn)算、浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算、ALU的功能第

七

章指令系統(tǒng)（6學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：指令的格式、操作數(shù)類型、數(shù)據(jù)在存儲器中的存放方式、尋址方式、操作類型、CISC和RISC技術(shù)的比較、指令系統(tǒng)舉例和分析設(shè)計(jì)

重點(diǎn)：數(shù)據(jù)在存儲器中的存放方式、尋址方式、擴(kuò)展操作碼編碼技術(shù)第

八

章CPU的結(jié)構(gòu)和功能（6學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容：CPU的主要功能、CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、CPU中寄存器的組織、指令的執(zhí)行過程、指令流水線、中斷系統(tǒng)（包括中斷的作用、中斷源的種類、中斷判優(yōu)機(jī)制、中斷過程、中斷屏蔽和多重中斷）

難點(diǎn)：指令流水線、中斷判優(yōu)、中斷屏蔽和多重中斷

重點(diǎn)：CPU的主要功能、指令的執(zhí)行過程、中斷過程第

九

章控制單元（4學(xué)時(shí)）重要內(nèi)容：微操作命令的分析（按取指周期、間址周期、執(zhí)行周期和中斷周期分析不同指令的微操作命令）、控制單元的外特性、多級時(shí)序系統(tǒng)、控制方式和控制信號實(shí)例分析。重點(diǎn)：理解控制單元為完成不同指令所發(fā)出的各種操作命令，以及指令周期、機(jī)器周期、時(shí)鐘周期與操作命令的關(guān)系。難點(diǎn)：CPU的控制方式，微操作命令的分析及多級時(shí)序系統(tǒng)。第

十

章執(zhí)行單元（4學(xué)時(shí)）重要內(nèi)容：組合邏輯設(shè)計(jì)（包括組合邏輯控制單元框圖、微操作節(jié)拍安排、組合邏輯設(shè)計(jì)舉例）；微程序設(shè)計(jì)（包括微程序控制單元框圖及工作原理、微指令的編碼方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序設(shè)計(jì)舉例）。重點(diǎn)：要求初步掌握控制單元的兩種設(shè)計(jì)方法，從而進(jìn)一步理解組合邏輯控制器和微程序控制器在設(shè)計(jì)思想、硬件組成及其工作原理方面的不同。結(jié)合時(shí)序系統(tǒng)的概念，學(xué)會(huì)按不同指令要求，寫出其相應(yīng)的微操作命令及節(jié)拍安排。難點(diǎn)：微程序控制是一種更規(guī)范的控制方法，學(xué)會(huì)如何確定微指令格式，編出微指令的碼點(diǎn)是本章的難點(diǎn)。一、學(xué)時(shí)分配與詳細(xì)內(nèi)容：第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論（2.5學(xué)時(shí)）知識點(diǎn)：計(jì)算機(jī)軟硬件概念、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)的基本組成、馮?諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、計(jì)算機(jī)的硬件框圖及工作過程、計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)和本書結(jié)構(gòu)及學(xué)習(xí)指南。重點(diǎn)：本章重點(diǎn)突出計(jì)算機(jī)組成的概貌和框架，如下圖1所示。由此使學(xué)生簡潔明了地了解計(jì)算機(jī)內(nèi)部的工作過程實(shí)際上是指令流和數(shù)據(jù)流在此框架內(nèi)由I/O→存儲器→CPU→存儲器→I/O的過程，是通過逐條取指令、分析指令和執(zhí)行指令來運(yùn)行程序的。同時(shí)要讓學(xué)生了解到當(dāng)今計(jì)算機(jī)盡管發(fā)展到千變?nèi)f化的程度，但其最根本的組成原理還是基于馮?諾依曼的結(jié)構(gòu)。難點(diǎn)：本章概念、名詞較多，這些只是為進(jìn)一步深化學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，因此嚴(yán)格講本章沒什么難點(diǎn)，只要建立計(jì)算機(jī)組成的框架即可。對指令和數(shù)據(jù)都以0或1代碼存于存儲器中，計(jì)算機(jī)如何區(qū)分它們這一問題，應(yīng)特別注意重點(diǎn)理解。CPUCPU內(nèi)部互連ALUCU寄存器中央處理器寄存器和解碼器控制單元排隊(duì)邏輯控制存儲器I/O系統(tǒng)總線存儲器CPU計(jì)算機(jī)圖1教材內(nèi)容組織框圖第二章計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用（0.5學(xué)時(shí)）知識點(diǎn)：計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生、發(fā)展及在各個(gè)不同領(lǐng)域的應(yīng)用。重點(diǎn)：使學(xué)生了解到從1946年ENIAC誕生到二十世紀(jì)五、六十年代，由于構(gòu)成計(jì)算機(jī)的元器件發(fā)展變化（由電子管→晶體管→集成電路），使計(jì)算機(jī)的性能有了很大提高，每隔6至7年，計(jì)算機(jī)便更新?lián)Q代一次，運(yùn)算速度約提高一個(gè)數(shù)量級。而到了二十世紀(jì)七十年代，自從Intel公司生產(chǎn)了第一個(gè)微處理器芯片后，隨著集成度成倍的提高，以每隔18個(gè)月芯片上的晶體管數(shù)就翻一番的速度使計(jì)算機(jī)得到極為廣泛的應(yīng)用，以至整個(gè)社會(huì)從制造時(shí)代進(jìn)入到信息時(shí)代，出現(xiàn)了知識大爆炸，從而要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的積極性和主動(dòng)性。第三章系統(tǒng)總線（5學(xué)時(shí)）知識點(diǎn)：總線的基本概念、總線的分類、總線特性及性能指標(biāo)、總線結(jié)構(gòu)和總線的判優(yōu)控制及通信控制。重點(diǎn)：要求學(xué)生了解隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，I/O設(shè)備的種類和數(shù)量也越來越多。為了更好地解決I/O設(shè)備與主機(jī)之間連接的靈活性，計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)從分散連接發(fā)展成總線連接。由于各個(gè)子系統(tǒng)都通過總線交換信息，這就產(chǎn)生了總線的瓶頸問題，影響了計(jì)算機(jī)的速度。為了克服總線瓶頸又產(chǎn)生了多總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步為了設(shè)計(jì)簡化，便于維護(hù)，有利于批量生產(chǎn)，又提出了各種總線標(biāo)準(zhǔn)。特別是為了解決眾多部件爭用總線，必須對總線進(jìn)行判優(yōu)控制和通信控制。難點(diǎn)：為了解決總線上各模塊爭奪總線的使用權(quán)，解決通信雙方如何獲知傳輸開始和結(jié)束，以及通信雙方如何協(xié)調(diào)配合，總線的通信控制是至關(guān)重要的。第四章存儲器（7學(xué)時(shí)）知識點(diǎn)：存儲器分類和存儲器的層次結(jié)構(gòu)；主存儲器（包括半導(dǎo)體存儲芯片簡介、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器、只讀存儲器、存儲器與CPU的連接、存儲器的校驗(yàn)、提高訪存速度的措施）；高速緩沖存儲器（包括Cache的基本結(jié)構(gòu)及工作原理、Cache--主存地址映像、替換算法）；輔助存儲器（包括輔助存儲器的特點(diǎn)及主要技術(shù)指標(biāo)、磁記錄原理和記錄方式、磁盤存儲器的結(jié)構(gòu)、光盤存儲器的存取原理）。重點(diǎn)：存儲器如同人的大腦具有記憶功能一樣，是計(jì)算機(jī)組成的一個(gè)重要部件，它直接影響到計(jì)算機(jī)存儲信息的容量和計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。圍繞著計(jì)算機(jī)速度的提高，容量的擴(kuò)大，促使存儲器從基本組成元件到整體結(jié)構(gòu)都在不斷的發(fā)展和完善。當(dāng)今計(jì)算機(jī)大多以半導(dǎo)體存儲器作為主存儲器，以硬盤或光盤作為輔助存儲器。為了更好解決存儲器的速度、容量和價(jià)格/位之間的矛盾，采用Cache-主存和主存-輔存的存儲器結(jié)構(gòu)，使存儲器的總體性能得到很大的提高。學(xué)生必須掌握各類存儲器的工作原理，以及各類存儲器在存儲器的存儲層次結(jié)構(gòu)中各自起的作用。難點(diǎn)：要求學(xué)生運(yùn)用以前學(xué)過的電路知識和本章所學(xué)的半導(dǎo)體存儲芯片，設(shè)計(jì)存儲器和CPU的連接電路。注意要合理選用芯片，以及CPU和存儲器芯片之間的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的連接，特別是存儲芯片片選邏輯的確定。本章另一個(gè)難點(diǎn)是掌握不同的Cache-主存地址映象直接影響主存地址字段的分配及替換策略和命中率。第五章輸入輸出系統(tǒng)（10學(xué)時(shí)）知識點(diǎn)：輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況及組成、I/O與主機(jī)的編址方式、傳送方式、聯(lián)絡(luò)方式以及設(shè)備尋址；外部設(shè)備分類及簡介、I/O接口的功能及基本組成；程序查詢方式的工作原理及程序查詢接口電路；程序中斷方式的工作原理及程序中斷接口電路、中斷服務(wù)流程；DMA方式的特點(diǎn)、DMA接口電路的功能、組成、類型及DMA的工作過程。重點(diǎn)：輸入輸出系統(tǒng)是人機(jī)對話和人機(jī)交互的紐帶和橋梁。由于輸入輸出設(shè)備工作速度與計(jì)算機(jī)主機(jī)的工作速度極不匹配，為此，既要考慮到輸入輸出設(shè)備工作的準(zhǔn)確可靠，又要充分挖掘主機(jī)的工作效率，因此要求學(xué)生掌握主機(jī)與I/O交換的三種控制方式，即程序查詢、程序中斷和DMA，以及它們各自所需的硬件及軟件支持。難點(diǎn)：要對處理中斷的各類軟、硬件技術(shù)運(yùn)用自如；要認(rèn)清周期竊取的含義；要分清CPU響應(yīng)中斷和允許周期挪用的時(shí)間。第六章計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法（9學(xué)時(shí)）知識點(diǎn)：計(jì)算機(jī)中有符號數(shù)（原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼）和無符號數(shù)的表示；計(jì)算機(jī)中數(shù)的定點(diǎn)表示和浮點(diǎn)表示；定點(diǎn)運(yùn)算（算術(shù)移位和邏輯移位、補(bǔ)碼加減、原碼補(bǔ)碼乘法、原碼補(bǔ)碼除法）及相應(yīng)的硬件配置；浮點(diǎn)四則運(yùn)算和算術(shù)邏輯單元及進(jìn)位鏈。重點(diǎn)：要使學(xué)生認(rèn)識到計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各種運(yùn)算與人們習(xí)慣的運(yùn)算是不同的，不僅運(yùn)算方法有差異，就是數(shù)的表示也不同。要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)中有符號數(shù)、無符號數(shù)、定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的各種表示，以及移位、定點(diǎn)補(bǔ)碼加減運(yùn)算、定點(diǎn)原碼一位乘和兩位乘及補(bǔ)碼Booth算法、定點(diǎn)原碼和補(bǔ)碼加減交替除法，以及浮點(diǎn)補(bǔ)碼加減運(yùn)算。了解不同的運(yùn)算方法對運(yùn)算器結(jié)構(gòu)的影響，以及提高運(yùn)算速度采取的各種措施，包括快速進(jìn)位鏈的設(shè)計(jì)方法。難點(diǎn)：溢出判斷是各種運(yùn)算方法的一個(gè)難點(diǎn)，而定點(diǎn)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算判斷溢出的方法是不同的。對于浮點(diǎn)運(yùn)算，應(yīng)特別注意區(qū)分浮點(diǎn)數(shù)和用補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)規(guī)格化形式這兩個(gè)概念，前者指的是真值，后者指的是機(jī)器數(shù)，由于補(bǔ)碼規(guī)格化數(shù)的特殊約定，兩者表示的數(shù)的范圍是不同的。本章的另一個(gè)難點(diǎn)是掌握原碼和補(bǔ)碼運(yùn)算的最根本的區(qū)別在于對符號位的處理。原碼乘除法結(jié)果的符號均和數(shù)值部分的運(yùn)算分開進(jìn)行，而補(bǔ)碼乘除法結(jié)果的符號是在數(shù)值部分的運(yùn)算過程中自動(dòng)形成的。值得注意的是機(jī)器內(nèi)只設(shè)加法器，故全部減法運(yùn)算實(shí)質(zhì)是通過加法操作實(shí)現(xiàn)的，這就有一個(gè)對減數(shù)求“補(bǔ)”的問題。原碼除法中減去除數(shù)的絕對值，一律用加上除數(shù)絕對值的補(bǔ)碼實(shí)現(xiàn)。應(yīng)特別注意[-x]補(bǔ)和[-x*]補(bǔ)的區(qū)別，其中x*是真值x的絕對值。本章的第三個(gè)難點(diǎn)是，若浮點(diǎn)數(shù)的階碼采用移碼運(yùn)算時(shí)，其運(yùn)算規(guī)則和溢出判斷規(guī)則與補(bǔ)碼運(yùn)算是不同的。第七章指令系統(tǒng)（6學(xué)時(shí)）知識點(diǎn)：機(jī)器指令的一般格式、操作數(shù)類型和操作類型、指令的地址格式和尋址方式、指令格式舉例和RISC技術(shù)。重點(diǎn)：要求學(xué)生了解機(jī)器的指令系統(tǒng)決定了一臺計(jì)算機(jī)的功能，而一旦計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)確定以后，計(jì)算機(jī)的硬件必須給予支持。指令系統(tǒng)主要體現(xiàn)在它的操作類型、數(shù)據(jù)類型、地址格式和尋址方法等方面。要求學(xué)生掌握不同的尋址方式對操作數(shù)尋址范圍以及對編程的影響，掌握不同的尋址方式所要求的硬件和信息的加工過程。還應(yīng)了解RISC的主要特點(diǎn)及其與CISC的區(qū)別。難點(diǎn)：要求掌握設(shè)計(jì)指令格式的方法，學(xué)會(huì)根據(jù)指令系統(tǒng)的要求，確定指令字中各字段的位數(shù)及其含義。特別是在實(shí)際機(jī)器中，指令字長不一定等于存儲字長，因此應(yīng)格外注意各種尋址方法和地址格式的運(yùn)用。第八章CPU的結(jié)構(gòu)和功能（6學(xué)時(shí)）知識點(diǎn)：CPU的功能及結(jié)構(gòu)框圖、指令周期、指令流水和中斷系統(tǒng)（包括引起中斷的各種因素，中斷系統(tǒng)所需解決的共性問題，如中斷請求標(biāo)記、中斷判優(yōu)、中斷響應(yīng)、中斷服務(wù)、中斷返回、多重中斷等）。重點(diǎn)：要認(rèn)識到機(jī)器的核心是CPU，通過對CPU的功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解，掌握機(jī)器完成一條指令的全過程是在CPU的統(tǒng)一指揮下進(jìn)行的，而且CPU在不同的工作周期內(nèi)訪存的性質(zhì)是不同的。此外還應(yīng)掌握中斷技術(shù)在提高整機(jī)效能方面所起的作用，以及為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的處理能力，開發(fā)系統(tǒng)的并行性，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中大量采用流水技術(shù)。難點(diǎn)：中斷技術(shù)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中起著重要作用。為了更好地吃透這一內(nèi)容，建議結(jié)合第五章學(xué)習(xí)，便于建立整機(jī)概念。第九章控制單元（4學(xué)時(shí)）知識點(diǎn)：微操作命令的分析（按取指周期、間址周期、執(zhí)行周期和中斷周期分析不同指令的微操作命令）、控制單元的外特性、多級時(shí)序系統(tǒng)、控制方式和控制信號實(shí)例分析。重點(diǎn)：理解控制單元為完成不同指令所發(fā)出的各種操作命令，以及指令周期、機(jī)器周期、時(shí)鐘周期與操作命令的關(guān)系。難點(diǎn)：CPU的控制方式，微操作命令的分析及多級時(shí)序系統(tǒng)。第十章控制單元的設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）知識點(diǎn)：組合邏輯設(shè)計(jì)（包括組合邏輯控制單元框圖、微操作節(jié)拍安排、組合邏輯設(shè)計(jì)舉例）；微程序設(shè)計(jì)（包括微程序控制單元框圖及工作原理、微指令的編碼方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序設(shè)計(jì)舉例）。重點(diǎn)：要求初步掌握控制單元的兩種設(shè)計(jì)方法，從而進(jìn)一步理解組合邏輯控制器和微程序控制器在設(shè)計(jì)思想、硬件組成及其工作原理方面的不同。結(jié)合時(shí)序系統(tǒng)的概念，學(xué)會(huì)按不同指令要求，寫出其相應(yīng)的微操作命令及節(jié)拍安排。難點(diǎn)：微程序控制是一種更規(guī)范的控制方法，學(xué)會(huì)如何確定微指令格式，編出微指令的碼點(diǎn)是本章的難點(diǎn)。二、講授中應(yīng)注意的方法本課程要求學(xué)生樹立計(jì)算機(jī)的整機(jī)工作原理，及對計(jì)算機(jī)各子系統(tǒng)的功能及設(shè)計(jì)或選取方法有初步的認(rèn)識和掌握，因此講好本課程要做到：

1.教師本身必須對本課程的基本內(nèi)容非常熟悉，并能融會(huì)貫通，也即要求本身基礎(chǔ)非常扎實(shí)。2.講授本課程必須從宏觀到微觀，必須自上而下地給學(xué)生講述計(jì)算機(jī)的整機(jī)概貌，讓學(xué)生首先擺脫“電腦”神秘化的枷鎖，用通俗易懂的方法，使學(xué)生學(xué)會(huì)用辯證唯物主義的思維方法去認(rèn)識、了解并掌握計(jì)算機(jī)的組成及其工作原理。

3.在宏觀認(rèn)識整機(jī)概貌的基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)學(xué)生逐級剖析計(jì)算機(jī)的基本組成，如系統(tǒng)總線、存儲器、輸入輸出系統(tǒng)、中央處理器等等。而在逐級剖析過程中，既要使學(xué)生時(shí)刻不忘整機(jī)工作的需要，