【正文】 教 案 2021— 2021 學(xué)年 秋 學(xué)期 教 研 室： 軟件與理論 教研室 課程名稱(chēng)： 計(jì)算機(jī)組成原理 課程類(lèi)型 : 專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ) 甘肅民族師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系制 課程名稱(chēng) 計(jì)算機(jī)組成原理 總 計(jì)： 90 學(xué)時(shí) 課程類(lèi) 型 專(zhuān)業(yè) 基礎(chǔ)課 學(xué)分 6 理 論 講 授 ： 60 學(xué)時(shí) 實(shí)驗(yàn) （實(shí)訓(xùn)） ： 30 學(xué)時(shí) 任課教師 職稱(chēng) 講師 授課對(duì)象 專(zhuān)業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 班級(jí) 1： 111 班 級(jí) 2： 112 教材 信息 《計(jì) 算機(jī)組成原理》 第二版 羅克露 電子工業(yè) 出版社 參考資料 《計(jì)算機(jī)組成原理》 第四版 白中英 科 學(xué)出版社 《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》 第二版 張晨曦 高等教育出版社 教學(xué)目 標(biāo) 《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，本課程從普遍性和原理性出發(fā)，講述計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成、各部件的結(jié)構(gòu)及工作原理，使學(xué)生從普遍原則和典型案例兩個(gè)角度理解計(jì)算機(jī)的組織與結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，掌握計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。培養(yǎng)學(xué)生具有分析、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的能力，為后 續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 重 點(diǎn) 與 難 點(diǎn) 重點(diǎn)： ① 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) ② 中央處理器 ③ 控制單元 難點(diǎn)： ① 總線控制 ② 存儲(chǔ)器工作原理 ④ 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法 ⑤ CPU 的結(jié)構(gòu)和功能 ⑤ 微程序控制器的設(shè)計(jì) 內(nèi)容課時(shí)分 配 章 內(nèi)容 學(xué)時(shí)數(shù) 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 4 2 數(shù)據(jù)在 計(jì)算機(jī) 中的表示方法 8 3 中央處理器 24 4 存儲(chǔ)器 12 5 系統(tǒng) 總線 4 6 輸入輸出系統(tǒng) 8 注：課程類(lèi) 型 ：通識(shí)課、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)發(fā)展課、專(zhuān)業(yè)方向課、職業(yè) 技能訓(xùn)練 課、 實(shí)習(xí)實(shí)踐課、實(shí)驗(yàn) 課 。 教 案 正 頁(yè) 課程名稱(chēng)： 計(jì)算機(jī)組成原理 任 課 教 師 總課序 第 1 次 授 課 時(shí) 間 第 1 周 第 1 次課 撰寫(xiě)（修改）稿 2021 年 3月 5日 講 課 內(nèi) 容 第 5 章 課 題 系統(tǒng)總線 課時(shí)安排 4 課時(shí) 授課方式 □ 理論課 □ 討論課 □實(shí)踐課 □ 實(shí)驗(yàn)課 □ 習(xí)題課 □ 其 他 教 具 準(zhǔn) 備 黑板 、多媒體演示 教 學(xué) 目 的 。 ,軟件組成及各部件功能 ,理解計(jì)算機(jī)基本工作原理 。 。 教 學(xué) 重 點(diǎn) 軟件的組成，多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，馮諾依曼思想，程序局部性原理。 教 學(xué) 難 點(diǎn) 教 學(xué) 基 本 內(nèi) 容 教學(xué)手段及時(shí)間分配 復(fù)習(xí)舊課： 引入新課： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 新課內(nèi)容： 。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展方向，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi)（ Flynn分類(lèi)法）。 ，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本啟動(dòng)過(guò)程。 板書(shū)綱要： （ 1 學(xué)時(shí)）。 （ 1 學(xué)時(shí)）。 （ 2學(xué)時(shí)）。 (一 ) 計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程 第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī) ENIAC 誕生于 1946 年 美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué) .ENIAC 用了 18000 電子管 ,1500 繼電器 ,重 30 噸 ,占地 170m2,耗電 140kw,每秒計(jì)算 5000 次加法 .馮 ?諾依曼 (VanNeumann)首次提出存儲(chǔ)程序 概念 ,將數(shù)據(jù)和程序一起放在存儲(chǔ)器 ,使 編程更加方便 .50 年來(lái) ,雖然對(duì)馮 ?諾依曼機(jī)進(jìn)行 很多改革 ,但結(jié)構(gòu)變化不大 ,仍稱(chēng) 馮 ?諾依曼機(jī) . 一般把計(jì)算機(jī)的發(fā)展分為 五 個(gè)階段 : 發(fā)展階段 時(shí)間 硬件技術(shù) 速度 /(次 /秒 ) 第一代 19461957 電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代 40 000 第二代 19581964 晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代 200 000 第三代 19651971 中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代 1 000 000 第四代 19721977 大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代 10 000 000 第五代 1978現(xiàn)在 超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代 100 000 000 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)電子數(shù)字積分 機(jī)和計(jì)算機(jī) EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)電子離散變量計(jì)算機(jī) 組成原理是講硬件結(jié)構(gòu)的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是講結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的 摩爾定律 微芯片上的集成管數(shù)目每 3 年翻兩番 .處理器的處理速度每 18個(gè)月增長(zhǎng)一倍 . 每代芯片的成本大約為前一代芯片成本的兩倍 新摩爾定律 全球入網(wǎng)量每 6 個(gè)月翻一番 . 數(shù)學(xué)家馮諾依曼 (von Neumann)在研究 EDVAC 機(jī)時(shí)提出了“儲(chǔ)存程序”的概念 .以此為基礎(chǔ)的各類(lèi)計(jì)算機(jī)通稱(chēng)為馮 諾依曼機(jī) .它有如下特點(diǎn) : ① 計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器 ,控制器 ,存儲(chǔ)器 ,輸入和輸出五部分組成 ②指令和數(shù)據(jù)以同等的地位存放于存儲(chǔ)器內(nèi) ,并可按地址尋訪 ③指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制數(shù)表示 ④指令由操作碼和地址碼組成 ,操作碼用來(lái)表示操作的性質(zhì) ,地址碼用來(lái)表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置 ⑤指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放 ⑥機(jī)器以運(yùn)算器為中心 ,輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送通過(guò)運(yùn)算器完成 圖中各部件的功能 運(yùn)算器用來(lái)完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算并將的中間結(jié)果暫存在運(yùn)算器內(nèi) 存儲(chǔ)器用來(lái)存放數(shù)據(jù)和程序 控制器用來(lái)控制 ,指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入 ,運(yùn) 行以及處理運(yùn)行結(jié)果 輸入設(shè)備用來(lái)將人們熟悉的信息轉(zhuǎn)換為機(jī)器識(shí)別的信息 輸出設(shè)備將機(jī)器運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)為人熟悉的信息形式 運(yùn)算器最少包括 3 個(gè)寄存器 (現(xiàn)代計(jì)算機(jī)內(nèi)部往往設(shè)有通用寄存器 )和一個(gè)算術(shù)邏輯單元 (ALU Arithmetic Logic Unit).其中 ACC(Accumulator)為累加器 ,MQ(MultiplierQuotient Register)為乘商寄存器 ,X 為操作數(shù)寄存器 ,這 3 個(gè)寄存器在完成不同運(yùn)算時(shí) ,說(shuō)存放的操作數(shù)類(lèi)別也各不相同 . 計(jì)算機(jī)的主要硬件指標(biāo) () 主機(jī)完成一條指令的過(guò)程 —— 以取數(shù)指令為例 () 主機(jī)完成一條指令的過(guò)程 —— 以 存 數(shù)指令為例 (二 ) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 1. 計(jì)算機(jī)硬件的基本組成 計(jì)算機(jī)硬件主要指計(jì)算機(jī)的實(shí)體部分 ,通常有運(yùn)算器 ,控制器 ,存儲(chǔ)器 ,輸入和輸出五部分 . CPU 是指將運(yùn)算器和控制器集成到一個(gè)電路芯片中 . 2. 計(jì)算機(jī)軟件的分類(lèi) 計(jì)算機(jī)軟件按照面向?qū)ο蟮牟煌煞謨深?lèi) : 系統(tǒng)軟件 :用于管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ,合理分配系統(tǒng)資源 ,確保計(jì)算機(jī)正常高效地運(yùn)行 ,這類(lèi)軟件面向系統(tǒng) .(包括 :標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù) ,語(yǔ)言處理程序 ,OS,服務(wù)程序 ,數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) ,網(wǎng)絡(luò)軟件 ) 應(yīng)用軟件 :是面向用戶根據(jù)用戶的特殊要求編制的應(yīng)用程序 ,這類(lèi)軟件通常實(shí)現(xiàn)用戶的某類(lèi)要求 . 3. 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程 (1)計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是執(zhí)行指令的過(guò)程 指令由操作碼和操作數(shù)組成 : 操作碼指明本指令完成的操作 地址碼指明本指令的操作對(duì)象 (2)指令的存儲(chǔ) 指令按照存儲(chǔ)器的地址順序連續(xù)的存放在存儲(chǔ)器中 . (3)指令的讀取 為了紀(jì)錄程序的執(zhí)行過(guò)程 ,需要一個(gè)記錄讀取指令地址的寄存器 ,稱(chēng)為指令地址寄存器 ,或者程序計(jì)數(shù)器 .指令的讀取就可以根據(jù)程序 計(jì)數(shù)器所指出的指令地址來(lái)決定讀取的指令 ,由于指令通常按照地址增加的順序存放 ,故此 ,每次讀取一條指令之后 ,程序計(jì)數(shù)器加一就為讀取下一條指令做好準(zhǔn)備 . (4)執(zhí)行指令的過(guò)程 在控制器的控制下 ,完成以下三個(gè)階段任務(wù) : 1)取指令階段 按照程序計(jì)數(shù)器取出指令 ,程序計(jì)數(shù)器加一 2)指令譯碼階段 分析操作碼 ,決定操作內(nèi)容 ,并準(zhǔn)備操作數(shù) 3)指令執(zhí)行階段 執(zhí)行操作碼所指定內(nèi)容 (三 ) 計(jì)算機(jī)性能指標(biāo) 1. 吞吐量 ,響應(yīng)時(shí)間 (1) 吞吐量 :單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)輸出數(shù)量 . (2) 響應(yīng)時(shí)間 :從事件開(kāi)始 到事件結(jié)束的時(shí)間 ,也稱(chēng)執(zhí)行時(shí)間 . 2. CPU 時(shí)鐘周期 ,主頻 ,CPI,CPU執(zhí)行時(shí)間 (1) CPU 時(shí)鐘周期 :機(jī)器主頻的倒數(shù) ,TC (2)主頻 :CPU工作主時(shí)鐘的頻率 ,機(jī)器主頻 Rc (3)CPI:執(zhí)行一條指令所需要的平均時(shí)鐘周期 (4)CPU 執(zhí)行時(shí)間 : TCPU=In CPI TC 操作碼 地址碼 In 執(zhí)行程序中指令的總數(shù) CPI 執(zhí)行每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù) TC時(shí)鐘周期時(shí)間的長(zhǎng)度 3. MIPS,MFLOPS (1)MIPS:(Million Instructions Per Second) Te:執(zhí)行該程序的總時(shí)間 =指令條數(shù) /(MIPS ) In:執(zhí)行該程序的總指令數(shù) Rc:時(shí)鐘周期 Tc 的到數(shù) MIPS 只適合評(píng)價(jià)標(biāo)量機(jī) ,不適合評(píng)價(jià)向量機(jī) .標(biāo)量機(jī)執(zhí)行一條指令 ,得到一個(gè)運(yùn)行結(jié)果 .而向量機(jī)執(zhí)行一條指令 ,可以得到多個(gè)運(yùn)算結(jié)果 . (2) MFLOPS: (Million Floating Point Operations Per Second) MFLOPS=Ifn/(Te ) Ifn:程序中浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算次數(shù) MFLOPS 測(cè)量單位比較適 合于衡量向量機(jī)的性能 .一般而言 ,同一程序運(yùn)行在不同的計(jì)算機(jī)上時(shí)往往會(huì)執(zhí)行不同數(shù)量的指令數(shù) ,但所執(zhí)行的浮點(diǎn)數(shù)個(gè)數(shù)常常是相同的 . 特點(diǎn)： 1. MFLOPS 取決于機(jī)器和程序兩方面 ,不能反映整體情況 ,只能反映浮點(diǎn)運(yùn)算情況 2. 同一機(jī)器的浮點(diǎn)運(yùn)算具有一定的同類(lèi)可比性 ,而非同類(lèi)浮點(diǎn)操作仍無(wú)可比性 當(dāng)前微處理器的發(fā)展重點(diǎn) ①進(jìn)一步提高復(fù)雜度來(lái)提高處理器性能 ②通過(guò) 線程進(jìn)程級(jí)的并發(fā)性提高處理器性能 ③將存儲(chǔ)器集成到處理器芯片來(lái)提高處理器性能 ④發(fā)展嵌入式處理器 軟件開(kāi)發(fā)有以下幾個(gè)特點(diǎn) 1) 開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng) 2) 制作成本昂貴 3) 檢測(cè)軟件產(chǎn)品質(zhì)量的特 殊性 計(jì)算機(jī)的展望 一、計(jì)算機(jī)具有類(lèi)似人腦的一些超級(jí)智能功能 要求計(jì)算機(jī)的速度達(dá) 1015/秒 二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制 ? 芯片集成度受物理極限的制約 ? 按幾何級(jí)數(shù)遞增的制作成本 ? 芯片的功耗、散熱、線延遲 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD 計(jì)算機(jī)輔助制造 CAM 計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃 Computer Aided Process Planning CAPP 計(jì)算機(jī)輔助工程 Computer Aided Engineering CAE 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué) Computer Assisted Instruction CAI 科學(xué)計(jì)算 和數(shù)據(jù)處理 工業(yè)控制和實(shí)時(shí)控制 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實(shí) 辦公自動(dòng)化和管理信息系統(tǒng) Computer Aided Design CAD,CAM,CIMS Computer Aided Manufacturing 多媒體技術(shù) Computer Integrated Manufacturing System 人工智能 ,模式識(shí)別 ,文字 /語(yǔ)音識(shí)別 ,語(yǔ)言翻譯 ,專(zhuān)家系統(tǒng) ,機(jī)器人… 布 置 作 業(yè) （書(shū)面作業(yè)、電子版作業(yè)） 課后小結(jié) 教 案 正 頁(yè) 課程名稱(chēng)： 計(jì)算機(jī)組成原理 任 課 教 師 總課序 第 2 次 授 課 時(shí) 間 第 2 周 第 1 次課 撰寫(xiě)（修改）稿 2021 年 3月 5日 講 課 內(nèi) 容 第 2 章 課 題 數(shù)據(jù)的表示 課時(shí)安排 4 課時(shí) 授課方式 □ 理論課 □ 討論課 □實(shí)踐課 □ 實(shí)驗(yàn)課 □ 習(xí)題課 □ 其 他 教 具 準(zhǔn) 備 黑板 、多媒體演示 教 學(xué) 目 的 1. 掌握定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的表示方法 ,以及原碼 ,反碼 ,補(bǔ)碼和移碼表示 。 ,掌握指令的基本格式 、 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 。 3. 掌握文字與字符串的表示方法 。 4. 理解內(nèi)部總線的概念 ,分類(lèi)及特點(diǎn) 。 教 學(xué) 重 點(diǎn) 數(shù)據(jù)的概念，數(shù)據(jù)的表示方法，指令格式