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1、H程大学机电学院教案20152016学年秋季学期计算机与软件工程系计算机科学教研室计算机组成原理计算机2131、2132系部教研室（实验室）课程名称授课班级主讲教师职称使用教材高级工程师计算机组成原理教案（首页）2015至2016学年秋季学期课程名称计算机组成原理课程编码023206120总计：64学时讲课：48学时上机：16学时学分4类别公共基础课（）专业基础课（4）专业课O选修课（）任课教师职称高级工程师授课对象专业班级：计算机2131、2132共2个班基本教材和主要参考资料基本教材：1.唐朔飞计算机组成原理高等教育出版社参考教材：1李文兵计算机组成原理清华大学出版社2王爱英主编计算机组成
2、与结构（第三版）清华大学出版社出版3朱怡健编计算机组成原理东南大学出版4俸远祯、阎彗娟等编计算机组成原理电子工业出版社出版教学目的要求计算机组成是依据计算机体系结构，在确定并分配了硬件子系统的概念和结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成及它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特点。即计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。本课程的教学目的是使学生掌握计算机原理的基本概念、基本原理、基本设计和分析方法，通过教学努力提高学生在计算机硬件设计和实现方面的能力，适当了解提高计算机的部件和整机硬件性能的各种可能途径，为下一步学习计算机体系结构奠定基础，并能对当前计算机的最新研究、发展与
3、应用趋势有一般性的了解。教学存储器重点指令系统难点控制器计算机组成原理课程教案（第一章）编制日期：2015年8月28日授课时间第1周（2015年9月7日2015年9月11日）课次1授课方式（请打J）理论课回讨论课口实践课口习题课其他口时排lll2教学单元（教学章、节或主题）：第一章计算机系统概论目的、要求（分了解、熟悉、掌握三个层次）：自我介绍考核方式，规章制度计算机的硬件结构计算机系统的层次结构。冯诺依曼计算机的特点和计算机的工作过程。计算机硬件的机器字长的概念和存储容量的计算。重点：计算机的硬件结构计算机系统的层次结构。计算机的工作过程难点：无教学步骤：自我介绍，课程介绍教具及教学手段：（
4、如：举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音像讲解等）举例讲解、多媒体讲解作业和思考题：习题：思考题：计算机组成原理课程教案（作业一）编制日期：2015年8月28日授课时间第28周（2015年9月14日2015年10月30日）课次4授课方式（请打J）理论课讨论课口实践课团习题课其他口时排Ill8教学单元（教学章、节或主题）：作业一目的、要求（分了解、熟悉、掌握三个层次）：认识计算机内部物理结构认识计算机内部的整体物理结构认识各物理结构之间的关系和联系认识各物理器件的形状和样式等根据所学习的存储器和输入出入系统等知识设计一款电子产品，画出相关的原理图。重点：难点：教学步骤：就本课程
5、的三次作业的内容和要求等进行说明对作业一的提问进行答疑自行组队及选题对需要凝练的课题进行头脑风暴和凝练各小组上讲台发表成果：解说选题理由和所做的工作，展示原理图纸，说明成果所参考的产品和元器件，并说明其改进和不足教具及教学手段：（如：举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音像讲解等）作业和思考题：习题：思考题：教学内容（含时间分配）板书或旁注计算机无处不在，个人电脑改变了我们的生活。请观看另一种形式计算机应用的演示：嵌入式计算机的应用第章计算机系统概论1.1 计算机系统介绍1.2 计算机的基本组成13计算机硬件的主要技术指标第1.1节计算机系统介绍信息人震决侑息存修模块僖息犊出便
6、埃比线发可以,事e,慢学吗？（系统软件软 件I应用软件一、计算机的软硬件概念硬,件构成计算机的物理实体,4。主机外设等软件由具有各类篇殊功能的信息r程序）组成用来菅理整个计机系统,使系统资源得到合理的利用.语言处理程序攥作系统服务性程序数据面管理系统网络软件博仟矣累萼编制成的容冲程庠个人计算机的启动过程？BlOS是什么？他属于硬件还是软件？BIOS是软件BIOS的载体是CMOS芯片第1.2节计算机的基本组成1.2、 计算机的基本组成存储程序思想美籍科学家冯诺依曼1945年提出的存储程序思想，奠定了计算机自动计算的基础存储程序原理计算机要自动完成解题任务，必须将事先设计好、用以描述计算机解题过程
7、的程序如同数据一样，采用二进制形式存储在机器中，计算机在工作时自动高速地从机器中逐条取出指令加以执行。经典冯.诺依曼计算机框架1.2计算机的基本组成一、冯诺依曼计算机的特点1 .计算机由五大部件组成2 .指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访3 .指令和数据用二进制表示4 .指令由操作码和地址码组成5 .存储程序6 .以运算器为中心冯诺依理计算机硬件框图;马诺依曼计算机硬件柩图二、计算机硬件框图1.以存储器为中心的计算机硬件框图2.现代计算机硬件框图运算及ALUlKPU控制冢CUI立九存锚暴：I硬件输人以各IQ支各J输出设各一般家用电脑的内部组成是怎样的？主板上的基本器件有哪些？人从外界
8、，接受信息到对外界作出反应，完整过程是怎样的？计算机的解题过程虚拟机器M虚拟机器实际机器Ml微程序机器MO计算机计算机系统的层次结构高级语汗虚拟机器M,汇编语言操作系统机器语言微指令系统 通用计算机中使用的高级编程语言：JAVA,C#（.NET框架程序的一种）等，ba1脚本的脚本语言，和pyhon脚本语言，它们编写的程序，计算机在执行的流程中，是一样的吗？ C/C+语言编写的程序，在计算机的执行流程中，与上述编程语言，是一样的吗？ 专用计算机（如嵌入式计算机）中，为什么更偏向于使用C/C+语言编程？人的思想如何反应在行为上？计算机的工作步骤1 .上机前的准备 建立数学模型 确定计算方法（泰勒级
9、数法） 编制解题程序程序运算的全部步骤指令每一个步骤编程举例取X至ACC中 乘以a在ACC中 加b 在ACC中乘以X在ACC中加C 在ACC中计算ax2+bx+c=(axb)x+c取X至运算器(ACC)中取X至ACC中乘以a在ACC中存ax2在ACC中Wb至ACC中乘以X在ACC中加ax2在ACC中指令格式举例棣作吗地址吗取数XxACC0000010(X)0001000存数yACCy加ZACC+fzACC乘WACCwACC打印rr打印机计算ax2+bx+c程序清单*H4tK0(XX)OOI0000001000I000lOo(XX1001H44fr.4fACCf200110000001010*M
10、r*b.号TACCf3(XX)1000000001000*冉fACCf400110000001011c得斯fACC50010OoOoOOl18r*r.41fi.4*.60001010000001l70001108X94IOb，。八IlC124计算机的解题过程存储器的基本组成乘法操作过程泉M除法操作过程控制器的基本组成除M初去 ACC 破除效MXACC 凶一MQ 余数在ACC中初念ACC彼束我M-MQACCXO-ACCFXlFMQl-ACCIlMQ之典/- ,取PC 1IR卜取G诂4 4*CU4tn廿今PCQ*本0发九ft*G地&.具有跳Sa(PC)+1,PCIRC*的求北什附W(4)主机完成一
11、条指令的过程以取数指令为例以存数指令为例CPU(5)ax2+bx+c程序的运行过程 将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址送至PC 启动程序运行 取指令 分析指令 执行指令 打印结果第1.3节计算机硬件的主要技术指标如何提高人的反应速度？这个问题需要参考人的一系列生理指标1 .人的敏捷能力2 .人的意识反应速度其余指标省略那么,计算机又该如何提高程序的执行效率？1.3、计算机硬件的主要技术指标性能指标-机器字长CPU一次能处理数据的位数与CPU中的寄存器位数有关-主频：5MHz(8086)3GHz(奔腾4)决定计算机运行的速度，主频越高，运算速度越快提高主频的方法工艺外频和倍频性能指标-存储
12、容量主存越大，处理问题的速度越快与外存交换次数越少，效率越高？存储单元个数存储字长如：MARMDR家量生存本量10&IKX8位字节数11C2101如：2l3=IKB辅存家量字节数80GB5IG=23。性能指标-运算速度计算机工作能力和工作效率的主要表征实际测试、模拟分析-运算精度 用计算机能直接处理的二进制信息位数衡量 精度与寄存器的位数的关系，位数越多，精度越高 精度与操作系统的关系 整数边界原则-存取周期 对主存储器连续两次访问所允许的最小时间间隔 存取周期愈小，系统性能愈高 M的类型 内存的存取周期与总线频率计算机的工作特点- 运算速度快主频- 运算精度高一数据表示- 记忆功能强一一存储
13、器- 通用性广一一处理对象- 自动运算程序计算机在未来发展中还能融入哪些先进技术和理念？1 .智能语音技术2 .仿生机器人应用3 .神经网络技术计算机组成原理课程教案（第二章）编制日期：2015年8月28日授课时间第12周（2015年9月7日2015年9月18日）课次2授课方式（请打J）理论课目讨论课口实践课口习题课其他口时排lll4教学单元（教学章、节或主题）：第二章系统总线目的、要求（分了解、熟悉、掌握三个层次）：总线的基本概念、分类、特性及性能指标总线结构判优控制和通信控制重点：总线结构。判优控制和通信控制。难点：判优控制和通信控制教学步骤：知识介绍教具及教学手段：（如：举例讲解、多媒体
14、讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音像讲解等）举例讲解、多媒体讲解作业和思考题：习题：思考题：教学内容（含时间分配）板书或旁注第2章系统总线2.1 总线的基本概念2.2 总线的分类23总线特性及性能指标2.4 总线结构2.5 总线控制2.1 总线的基本概念引导问题：作为省会城市，合肥与各级市县的人口流动是如何实现的？一、为什么要用总线二、什么是总线总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质三、总线上信息的传送串行并行=四、总线结构的计算机举例1 .面向CPU的双总线结构框图2 .单总线结构框图3 .以存储器为中心的双总线结构框图4 .2总线的分类1 .片内总线芯片内部的总线2
15、.系统总线计算机各部件之间的信息传输线数据总线双向机器字长、存储字长关lT.l11j与存储地址、IO地址仃关I控制总线有出仃入中断诂求、总线请求“储器罐,“储器。 总线允许.中断确认3 .通信总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信小行通信总线传输方式VI并行通信总线引导问题：各交通工具的运载能力和相应的优缺点比较？MM, K墓 Wftn MKHidHL Kifcs 国 HHKte 假小 ftS不同类别总线的分类标准和相互之间的区别与联系？2.3总线特性及性能指标一、总线物理实现CPU 上存二、总线特性1 .机械特性尺寸、形状、管脚数及排列顺序2 .电气
16、特性传输方向和有效的电平范围3 .功能特性每根传输线的功能4 .时间特性信号的时序关系三、总线的性能指标1 .总线宽度数据线的根数2 .总线带宽每秒传输的最大字节数（MBPS）3 .时钟同步/异步同步、不同步4 .总线复用地址线与数据线复用5 .信号线数地址线、数据线和控制线的总和6 .总线控制方式并发、自动、仲裁、逻辑、计数7 .其他指标负载能力四、总线标准ISAEISAWSAlLV-BUSPC!AGPRS-232USBAnMAHHHXIKAMNMH4MmIISANMWttftMMBfwVBAAJJJJMHtW打!Ct“务HNfi）ma0iAM9MB）之的笊楼”st*2fcnnAAIMfNI
17、12MIE1、1，MMEPfWJMl可摞只读。储0)屈#依）级”一主存一轴“IrfMSQ存脑器J实地址爆堆址1FHHiiIIIIVttIHkH3.2主存储器一、概述1 .主存的基本组成2 .主存和CPU的联系女触情筏24般一”J址916M若字长为16位技字寻址8M元学力”f检?.ld4M4.主存的技术指标(1)存储容量主存存放二进制代码的总位数(2)存储速度存取时间存取周期(3)存储器的带宽二、半导体存储芯片简介1.半导体存储芯片的基本结构IO4K414IIfrKXl位IlHXKXtO读WMMtt存储芯片片选线的作用WE，他电高电T读)oF(允许i上WE4允i午”)4tMiH,)4“llr.d
18、i*KJ;的乂il2.半导体存储芯片的译码驱动方式(1)线选法(3)静态RAM读时序OffttVMI?(4)静态RAM(2114)写时序(5)动态RAM时序行、列地址分开传送DRAM读时序：CMrr*“.BI*“eu”“MAa*Maau-DRAM写时序ICWL1.(6)动态RAM刷新刷新与行地址有关分散刷新(存取周期为1s)(3)字、位扩展m图片IK4位存储芯片1虞JK8位的。储器12一地瑞1尚2.存储器与CPU的连接(1)地址线的连接(2)数据线的连接(3)读/写命令线的连接(4)片选线的连接(5)合理选择存储芯片(6)其他时序、负载四、存储器的校验1.编码的最小距离任意两组合法代码之间二进
19、制位数的最少差异编码的纠错、检错能力与编码的最小距离有关1.1=D+C(DC)1.编码的最小距离L=3D检测错误的位数具有一位纠错能力C纠正错误的位数汉明码是具有一位纠错能力的编码2 .汉明码的组成组成汉明码的三要素汉明码的组成需增添？位检测位2kn+k+1检测位的位置？2i(i=0,1,2,3,)检测位的取值？检测位的取值与该位所在的检测“小组”中承担的奇偶校验任务有关各检测位Ci所承担的检测小组为Cl检测的gl小组包含第1,3,5,7,9,11,C2检测的g2小组包含第2,3,6,7,10,IhC4检测的g3小组包含第4,5,6,7,12,13,C8检测的g4小组包含笫8,9,10,IL1
20、2,13,14,15,24,gi小组独占第2il位gi和gj小组共同占第2il+2j1位gigj和gl小组共同占第2i1+2j1+211位3 .汉明码的纠错过程形成新的检测位Pi,其位数与增添的检测位有关，如增添3位(k=3),新的检测位为P4P2P1。以k=3为例，Pi的取值为对于按“偶校验”配置的汉明码不出错时Pl=O,P2=0,P4=0五、提高访存速度的措施 采用高速器件 采用层次结构CaChe-主存调整主存结构1.单体多字系统增加存储器的带宽2 .多体并行系统(1)高位交叉顺序编址各个体并行工作(2)低位交叉 各个体轮流编址低位交叉的特点在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽设四体
21、低位交叉存储器，存取周期为T,总线传输周期为,为实现流水线方式存取，应满足T=41,连续次取4十字所为的时间为7+(4-Dr(3)存储器控制部件(简称存控)3 .高性能存储芯片(I)SDRAM(同步DRAM)在系统时钟的控制下进行读出和写入CPU无须等待(2)RDRAM由Rambus开发，主要解决存储器带宽问题带Cache的DRAM在DRAM的芯片内集成了一个由SRAM组成的Cache,有利于猝发式读取3.3高速缓冲存储器一、概述1. 问题的提出避免CPU“空等”现象CPU和主存(DRAM)的速度差异容量小容量火速度高速度低程序访问的局部性原理2. Cache的工作原理(1)主存和缓存的编址块
22、的k小(2)命中与未命中缓存共有C块主存共有M块MC命中主存块调入缓存主存块与缓存块建立了对应关系用标记记录与某缓存块建立了对应关系的主存块号未命中主存块未调入缓存主存块与缓存块未建立对应关系(3) Cache的命中率CPU欲访问的信息在Cache中的比率命中率与Cache的容量与块长有关，一般每块可取48个字，块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度CRAY_116体交叉块长取16个存储字IBM370/1684体交叉块长取4个存储字(4) CaChe-主存系统的效率效率e与命中率有关e=(访问Cache的时间/平均访问时间)X100%设Cache命中率为h,访问Cache的时间为tc,访问主
23、存的时间为tm100%e=Whtc+(l-h)tj100%3. Cache的基本结构h;I4. Cache的读写操作写Cache和主存的一致性写直达法(Write-through)写操作时数据既写入Cache又写入主存，写操作时间就是访问主存的时间，读操作时不涉及对主存的写操作，更新策略比较容易实现写回法(Wrileback)写操作时只把数据写入CaChe而不写入主存，当Cache数据被替换出去时才写回主存，写操作时间就是访问Cache的时间，读操作Cache失效发生数据替换时，被替换的块需写回主存，增加了Cache的复杂性5. Cache的改进(1)增加Cache的级数片载(片内)Cache
24、片外Cache(2)统一缓存和分立缓存指令Cache数据Cache与主存结构有关与指令执行的控制方式有关是否流水Pentium8K指令Cache8K数据CachePowerPC62032K指令Cache32K数据Cache二、Cache-主存的地址映射;只俺和一个想存帙*l2 .全相联映射Cache 存储器把存储募I 中徜(F 博iil林川翎加中的故3 .组相联映射1“防4 K存块/疝映射到缓的第，M中的任 块I，”吓,.恤” I . 口fll ,r(timwiw11r11t.-ia.3.中断向量地址形成部件向导地域揖队翳联出nrmt!NT.IKTB.lf打印机服务,序入Iljtnl300JNfP4(M)JMP200JMP300
