【正文】 計算機(jī)組成原理（全校公 選課 )教學(xué)大綱 ? 該課程的目的和任務(wù)： ? 本課程以計算機(jī)組成原理為主要內(nèi)容，重點是機(jī)器硬件的組 ? 成， CPU的核心是 ALU邏輯運算部件，圍繞邏輯代數(shù)和算術(shù)代 ? 數(shù)等展開，使得學(xué)生對于計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和工作原理有一個基 ? 本而完整的認(rèn)識。 ? 課程的基本要求： ? 《 數(shù)字邏輯電路 》 的教學(xué)內(nèi)容包括：第 1章：邏輯代數(shù)基礎(chǔ)； ? 《 計算機(jī)組成原理 》 的主要教學(xué)內(nèi)容包括： ? 第 1章：計算機(jī)概述（緒論）；第 3章：機(jī)器數(shù)的表示； ? 第 4章：機(jī)器數(shù)的運算方法；第 5章：編碼和校驗碼 ? 學(xué)時安排：理論 24課時，還有拆裝計算機(jī)試驗 ? 教材選用情況： ? 余孟嘗編寫的 《 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程 》 （第三版） — ? 高等教育出版社， ISBN 7040189216； ? 李文兵編寫的 《 計算機(jī)組成原理 》 （第三版） —清華大學(xué)出版社 ISBN 7302135460； 計算機(jī)組成原理教學(xué)日歷 第 1周 計算機(jī)組成原理（ 第 1章） ： 計算機(jī)硬件； 計算機(jī)組成原理； 微型計算機(jī)； 計算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)； 發(fā)展簡史 2 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第 1章） ： 二進(jìn)制和多進(jìn)制的算術(shù)運算； 邏輯運算 ； 邏輯代數(shù)與主要公式； 3 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第 1章） ： 公式法化簡； 卡諾圖；卡諾圖化簡； 4 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第 1章） ： 約束條件下的卡諾圖化簡；邏輯函數(shù)的五種表示方法； ALU加法器電路 5 計算機(jī)組成原理（ 第 3章） ： 原碼，反碼和補(bǔ)碼； 浮點數(shù)表示法；浮點數(shù)的規(guī)格化； 6 計算機(jī)組成原理（ 第 3章） ： 原碼，反碼和補(bǔ)碼的轉(zhuǎn)換； 補(bǔ)碼的加法； 變形補(bǔ)碼的表示與變形補(bǔ)碼加法； 7 計算機(jī)組成原理（ 第 4， 5章） ： 變形補(bǔ)碼減法； 浮點數(shù)變形補(bǔ)碼的表示； ASCII碼； GB231280碼； 8 考試（開卷） 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） 計算機(jī)組成原理（ 第 1章） ： 、 計算機(jī)硬件與軟件 、 數(shù)字計算機(jī)組成 、 微型計算機(jī) 、 計算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo) 、 計算機(jī)發(fā)展史 作業(yè) 1 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） 、 計算機(jī)硬件與軟件 、 計算機(jī)軟硬件 ： 1. 硬件： 計算機(jī)是包括中央處理器 CPU、 存儲裝置和外部輸入輸出設(shè)備組成 。 2. 軟件： 指計算機(jī)程序及有關(guān)文檔 ， 也包括版本化了的有關(guān)計算機(jī)使用方法或手冊的信息 。 軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類： （ 1） 系統(tǒng)軟件：包括操作系統(tǒng) 、 編輯程序 、 診斷程序 、調(diào)試程序 、 語言處理程序 （ 匯編程序 ， 編譯程序 ， 解釋程序 ） ， 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及鏈接程序； （ 2） 應(yīng)用軟件：包括廠家出售的通用軟件和自己編寫的應(yīng)用程序 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） 、 計算機(jī)程序和語言： ：是為解決問題計算機(jī)所要執(zhí)行的指令或語句的集合； ：是指揮計算機(jī)硬件完成特定操作的命令 ， 又稱為機(jī)器碼或機(jī)器語言 ， 全部是二進(jìn)制；指令系統(tǒng)：是指一臺計算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令； 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） ： 由于計算機(jī)語言是二進(jìn)制的 ， 直接用來編寫或閱讀程序十分困難；為了提高編程和讀程的效率；產(chǎn)生了用與機(jī)器語言相對應(yīng)的符號（ 稱為助記符 ） 來編寫的程序 ， 稱為符號語言 ，后來規(guī)范化后成為匯編語言 。 ： 由于計算機(jī)只認(rèn)識二進(jìn)制不認(rèn)識匯編語言 ，所以必須通過叫匯編程序的軟件把它轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言 ， 其過程見黑板 。 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） 5. 高級語言： 由于不同型號的機(jī)器所使用的語言都是廠家特定的 ， 如 Intel8086和 Zilog80兩種機(jī)器的指令系統(tǒng)就完全不同 ， 因此對于編程人員來說 ， 在使用不同的機(jī)器時就要使用不同的匯編語言 ， 顯然屬于重復(fù)勞動 ， 于是出現(xiàn)了不針對具體機(jī)種高級語言 ， 如： Basic； Fortran； Algol； Pascal；Cobol及 C語言和 C++語言等 ， 其典型的執(zhí)行過程為黑板所示 。 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） 、 操作系統(tǒng) 人們習(xí)慣上把計算機(jī)資源分為四大類：即 CPU， 存儲器 ， 外部設(shè)備和信息 （ 程序和數(shù)據(jù) ） ；所謂操作系統(tǒng)就是管理這四類資源的一組程序 ， 以便使計算機(jī)資源更有效地發(fā)揮作用 。 、 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 從內(nèi)到外分為 6個層次： （ 1） 硬件； （ 2） 指令系統(tǒng)； （ 3） 操作系統(tǒng)； （ 4） 系統(tǒng)軟件 （ 匯編程序；編譯程序；編輯程序；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) ） ； （ 5） 應(yīng)用程序； （ 6） 用戶 見 黑板 （ 層次結(jié)構(gòu)圖 ） 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） 、 數(shù)字計算機(jī)組成 1. 、 模擬計算機(jī)和數(shù)字計算機(jī) 計算機(jī)包括模擬計算機(jī)和數(shù)字計算機(jī)兩種 ， 它們在輸入 形式 ， 輸出形式 ， 運算形式 ， 能否編程及對象方面都有很大 區(qū)別 ， 由于模擬計算機(jī)在其精度和通用性上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如數(shù)字 計算機(jī) ， 所以只作為特殊用途的計算機(jī)有很大差別； 、 數(shù)字計算機(jī)的組成： 根據(jù)馮 .諾依曼的機(jī)器模型 ,數(shù)字計算機(jī)包括 5個部分： (A)存儲器； (B)運算器； (C)控制器； (D)輸入設(shè)備 。 (E)輸出設(shè)備 ， 其組成原理圖見 黑板 （ 馮 .諾依曼的機(jī)器模型 ） 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） 、 數(shù)字計算機(jī)的特點 : （ 1） 、 采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令； （ 2） 、 整個系統(tǒng)由五個部分組成 （ 存儲器；運算器；控制器； 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備 ） ， 以運算器為中心 ， 由控制器集中 控制整個系統(tǒng)； （ 3） 、 存儲器按線性編址 ， 按地址訪問其單元 ， 單元的位數(shù)固 定；存儲器用于存放數(shù)據(jù)和指令； （ 4） 、 指令在存儲器中按其執(zhí)行順序執(zhí)行 。 指令包括操作碼和 地址碼 ， 由程序計數(shù)器 （ PC） 指明要執(zhí)行的下一條指令 的地址 。 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） 、 中央處理器的分類 由于半導(dǎo)體集成電路的飛速發(fā)展 ， 已將控制器和與運算器一起集中在一個芯片上 ， 所以叫做中央處理器 。 中央處理器可以劃分 ： （ 1） 根據(jù)數(shù)的表示方法：定點機(jī)和浮點機(jī)； （ 2） 根據(jù)控制的技術(shù)：組合邏輯控制技術(shù)和微程序控制技術(shù)； （ 3） CISC（ 復(fù)雜指令系統(tǒng)技術(shù) ） 和 RISC（ 減少指令技術(shù) ） 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） 、 微型計算機(jī) 、 發(fā)展歷史： 微處理器時代；微機(jī)和微型計算機(jī)系統(tǒng) 、 分類標(biāo)準(zhǔn)： 1. 按字節(jié)： 1 3 64位； 2. 按集成片數(shù)：單片機(jī)；多片機(jī)； 3. 按印刷電路板數(shù)：單板機(jī)和多板機(jī)； 4. 按微處理器： 8086， 286， 386， 486，Pentium； PII； PIII； P4（ 586系列 ） 5. 按功能分： PC機(jī)器和工作站 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） ? 、 按照時間分 ? 單片機(jī)時代 （ 19711974） : ? IC的集成水平為小于 1萬 PMOS或 NMOS/片 , ? 時間 代表性產(chǎn)品 主要應(yīng)用 技術(shù)特點 ? 第一代 1971 Intel 4004 單片機(jī)計算 4位 /并行 ? 第二代 1972 Intel 8008 單片機(jī)計算 8位 /并行 ? 1974 Intel 8080 單片機(jī)計算 8位 /并行 ? 單板機(jī)時代 （ 19751977） ： ? IC的集成水平為小于 1萬個 PMOS或 NMOS/片 ? 時間 代表性產(chǎn)品 主要應(yīng)用 技術(shù)特點 ? 1975 Zilog80 單板機(jī)計算 8位 /并行 ? 1976 Intel 8085 單板機(jī)計算 8位 /并行 ? 1976 Motorola 68000 單板機(jī)計算 8位 /并行 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） ? 單板機(jī)的引進(jìn) ? 我國從 1978年改革開放后到 1986年左右 ，幾乎絕大多數(shù)高校的電子系或計算機(jī)系都引進(jìn)了由 Z80CPU組成的單板機(jī) TP801系統(tǒng)和 Z80匯編語言 ， 該系統(tǒng)的顯示技術(shù)是六個 8字型數(shù)碼顯示管 ， 鍵盤是 64鍵 ， 安裝在一個電路試驗箱上 ， 有若干輸入鍵 ， 但是沒有后來那樣標(biāo)準(zhǔn)的鍵盤 ， 主要是匯編語言的使用 。 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） ? （ PC） 系統(tǒng)時代： （ 1978—至今 ） ? 1978年 Intel公司率先在超大規(guī)模集成電路VLSI取得突破 ， 使得 Intel8086微處理的集成水平達(dá)到每片 1萬個以上的 CMOS， 第一代微機(jī)系統(tǒng) （ 19781982） /（ 國內(nèi) 19801986） 實現(xiàn)了如下技術(shù)指標(biāo)為： CPU 主頻 fc 數(shù)據(jù)總線 DB 地址總線 內(nèi)存尋址范圍 管腳 8086 5MHZ 16位 20位 1MB 40 ? 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） ? 其主要技術(shù)特點是： ? （ 1） CPU內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu) ， 設(shè)置 6字節(jié)的指令預(yù)取隊列； ? （ 2） CPU內(nèi)部的通用寄存器組為 8個 16位寄存器 ， 既能作為累加器又能做寄存器； ? （ 3） 指令分為 6類：數(shù)據(jù)傳送指令 ， 算術(shù)指令 ， 邏輯指令 ， 字串處理指令 ， 控制轉(zhuǎn)移指令 ， 處理機(jī)控制指令 ， 共有 113條 。 ? （ 4） 適用于單任務(wù) 、 單用戶的系統(tǒng)；同時采用多 CPU工作方式 ，如 Intel8087具有浮點運算能力 ， 協(xié)助 Intel8086處理運算問題 。 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） ? （ 5） 微型計算機(jī) （ PC） 系統(tǒng)的產(chǎn)生： ? 1981年 IBM公司推出全球的首臺個人計算機(jī)系統(tǒng) ,其特點是： ? CPU上采用 Intel8086； ? 鍵盤上采用西德 1980年的 DIN鍵盤標(biāo)準(zhǔn)； ? 打印機(jī)采用 EPSON的點陣標(biāo)準(zhǔn)； ? 串行通信采用美國的 RS232C標(biāo)準(zhǔn)； ? 軟件上采用了 Microsoft公司的 PC DOS操作系； ? 輸入輸出設(shè)備總線上采用了具有 5個擴(kuò)展槽的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線 ISA總線 。 ? 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） ? 后來為了擴(kuò)充硬件設(shè)備 ， 又推出 8個擴(kuò)展槽的PC/XT機(jī)系統(tǒng) ， 實現(xiàn)了人類微機(jī)的系統(tǒng)化 、 個人化和兼容性 ， 奠定了 PC機(jī)的發(fā)展方向 ， 其他公司紛紛采用該標(biāo)準(zhǔn) 。 ? 計算機(jī)系統(tǒng)的引進(jìn)： ? 我國的許多高等院校陸續(xù)引進(jìn)了美國蘋果公司生產(chǎn)的 Apple II,并廣泛用于教學(xué)中 ， 一直到Intel80286的出現(xiàn) 。 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） ? 第一代 IBM PC機(jī)系統(tǒng)存在著如下技術(shù)不足： ? （ 1） 顯示器主要為字符型 ， 分辨率不夠 ， 顏色只有黑白兩種 。 ? （ 2） 無硬盤設(shè)備 ， 因此需要 DOS裝入 /內(nèi)存 640KB ? （ 3） PC DOS采用英文命令 ， 無中文操作系統(tǒng) ? （ 4） 無 Windows系統(tǒng)和鼠標(biāo) ? （ 5） 指令有 100多個 ? 因此 ， PC機(jī)在國內(nèi)沒有普及 ， 主要在教育和科研部門中應(yīng)用 ， 應(yīng)用 BASIC語言上機(jī) 。 一、計算機(jī)組成原理（第 1章 /3課時） 第二代 AT微機(jī)系統(tǒng) （ 19821985） /（ 國內(nèi) 19841989） CPU 主頻 fc 數(shù)據(jù)總線 DB 地址總線 內(nèi)存尋址范圍 管腳