计算机组成原理教案

《计算机组成原理》本科课程教案

计算机科学学院

本课程是计算机专业本科生的核心课程，是主干必修课。课程以阐述原理为主，讲述计算机系统及其各功能部件的工作原理以及逻辑实现，计算机系统及其各功能部件的设计原理以及并行处理技术。设置这一课程的目的是使学生掌握计算机的基本工作原理，掌握计算机各主要部件的硬件结构、相互联系和作用，掌握计算机系统的设计原理以及软硬件的界面，从而对整个计算机系统有完整的了解，为计算机专业的后继课程的学习打下基础。

一、 本课程得主要内容

1、 计算机系统概论

2、 逻辑电路设计基础（复习及提高）

3、 信息编码和数据表示

4、 计算机算法和算法逻辑实现

5、存储器

6、计算机指令构成和寻址方式

7、处理机设计

8、流水线处理机

9、存储系统

10、输入输出设备

11、输入输出系统

二、本课程教学重点与难点

重点：信息编码和数据表示

控制器

存储系统

输入输出系统

三、教材选用

王爱英.《计算机组成与结构》 第五版.清华大学出版社. 四、参考教材：

主要参考书：

1、 李亚明.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社.2001

2、William Stallings《计算机组织与结构--性能设计（第五版）》.高等教育大学出版社，

3、江义鹏.《计算机组成原理》.人民邮电出版社.1998

4、胡越明.《计算机组成和系统结构》.上海科学技术文献出版社.1999

5、俸远祯.《计算机组成原理》.电子工业出版社

6、李亚民.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社 2000年

7、袁开榜.《计算机组成原理》高等教育出版社

8、白中英、韩兆轩编.《计算机组成原理》.科学出版社

9、唐朔飞.《电子数字计算机原理》.哈尔滨工业大学出版社参考书：

10、邹海明.《计算机组织与结构》.电子工业出版社..１９９３年.版.

11、 John L. Hennessy and David A. Patterson, "Computer organization

and design, the hardware/software interface", Morgan Kaufmann,

Second Edition, 1998

12、 John L. Hennessy and David A. Patterson, “Computer architecture:

a quantitative approach”, Morgan Kaufmann, Second Edition, 1996

13、Patterson and Hennessy, "Computer Organization & Design: the

Hardware/Software Interface (2nd edition)",Morgan Kaufmann

Publishers.

五、教学手段：ppt+版书

六、课程内容和学时分配

（整体安排按信息表示、信息处理、信息输出思路。）

第一章 计算机系统概论

教学内容：

1、计算机系统的基本构成

2、计算机系统的层次结构

3、计算机系统结构、组成及其实现

4、计算机的性能评价

5、计算机发展简史

6、计算机的应用

基本要求：

通过本章的学习，要求了解整个计算机系统由硬件和软件两部分构成，其中硬件部分包括运算器、控制器、存储器、输入输出设备等五大功能部件构成。通过总线相互连成一个完整的硬件系统；软件部分包括系统软件、应用软件两大部分。通过对计算机层次结构的了解，明确计算机组成原理课程的任务和目的。了解计算机中的一些基本概念，包括性能指标、计算机发展简史以及计算机的应用。

教学重点：

1、计算机系统的基本构成

2、计算机系统的层次结构

3、计算机系统结构、组成及其实现

4、计算机的性能评价（字长、容量、速度、时间、MIPS）

5、计算机发展简史（ENIAC、冯氏计算机、其它自学）

6、计算机的应用（科学计算与数据处理的区别）

教学难点：计算机系统的层次结构、系统结构、组成及其实现的关系。明确计算机组成原理课程的任务和目的。

其它：

1．1 计算机的诞生和发展

1．2 计算机的硬件

1．3 计算机的软件

1．4 计算机网络基础

1．1 计算机的诞生和发展

计算机分类：

模拟：处理在时间和数值上连续的量

数字：处理离散的量

数字计算机分类：

专用计算机：如工控机、DSP、IOP等

通用计算机：GPP

通用机分类：

巨型机（Super-Computer）、大型机（Mainframe）、中型机（Medium-size Computer）、小型机（minicomputer）、微型机（microcomputer）、单片机（Single-Chip Computer）

1．1．2 计算机的应用

科学计算

传统方式：工作量大、人工处理慢

自动控制：数控机床、流水线控制

测量和测试：提高精度、在恶劣条件下的测量

信息处理：

教育、卫生：计算机辅助教学（CAI）、多媒体教室、CT（Computerized

tomography）

家电

人工智能

1．2 计算机的硬件

1．2．1 数字计算机的硬件组成

五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入／输出设备。

概念：存储单元、地址、存储容量、外存储器、内存储器、指令、程序、指令的组成、存储程序、程序控制、指令系统、指令周期、执行周期、CPU、主机、数据字、指令字、数据流、指令流、适配器。

冯•诺依曼体系结构：

(1) 采用二进制形式表示数据和指令

数据和指令在代码的外形上并无区别．都是由0和1组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。采用二进制、使信息数字化容易实现，可以用二值逻辑工具进行处理。程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。

(2) 采用存储程序方式

这是诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。

诺依曼机的这种工作方式，可称为控制流(指令流)驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令；根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。因此在执行程序的过程中，始终以控制信息流为驱动工作的因素，而数据信息流则是被动地被调用处理。为了控制指令序列的执行顺序，我们设置一个程序(指令)计数器PC(Program Counter)，让它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序现在是顺序执行的，每取出一条指令后PC内容加l，指示下一条指令该从何处取得。如果程序将转移到某处，就将转移后的地址送入PC，以便按新地址读取后继指令。所以，PC就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，也就是指示控制流的形成。虽然程序与数据都采用二进制代码，仍可按照PC的内容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情况下程序是顺序执行的，所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除了个别即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区户的不同区域。

(3) 由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置等五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。

上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，并开创了程序设计的新时代。到目前为止，绝大多数计算机仍沿用这一体制，称为诺依曼机体制。学习计算机工作原理也就从诺依曼概念入门。

传统的诺依曼机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列；而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理：因此，近年来人们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。对所谓非诺依曼化的探讨仍在争议中，一般认为它表现在以下三个方面的努力。

在诺依曼体制范畴内，对传统诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。这些方向已比较成熟，成为标准结构。

用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。这方面的研究目前比较活跃。

从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行池执行。这是真正非诺依曼化的计算机，它为并行处理开辟了新的前景，但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中。

1．2．2 计算机系统结构的过去和未来

发展：电子管→晶体管→集成电路→大规模、超大规模集成电路

趋势：

由于计算机网络和分布式计算机系统能为信息处理提供廉价的服务，因此计算机系统的进一步发展，“三网合一”，将进入以通信为中心的体系结构。

计算机智能化将进一步发展，各种知识库及人工智能技术将进一步普及，人们将用自然语言和机器对话。计算机从数值计算为主过渡到知识推理为主，从而使计算机进入知识处理阶段。

随着大规模集成电路的发展，不仅用多处理机技术来实现大型机系统功能，而且会出现计算机的动态结构，即所谓模块化计算机系统结构。

多媒体技术将有重大突破和发展，并在微处理机、计算机网络与通信等方面引起一次巨大变革。

1．3 计算机的软件

计算机硬件是载体，软件是灵魂。

1．3．1 软件的组成与分类

分类：系统程序、应用程序

1．3．2 软件的发展演变

手编程序（目的程序）→汇编程序→算法语言（高级语言）

高级语言与机器语言的转换：编译系统、解释系统

操作系统、数据库

计算机系统的层次结构

多级组成的计算机系统

五个级别：第一级微程序设计级、第二级是一般机器级、第三级是操作系统级、第四级是汇编语言级、第五级是高级语言级。

补充：计算机的性能指标

基本字长

基本字长是指参与运算的数的基本位数，它标志着计算精度。位数越多，精度越高，但硬件成本也越高，因为它决定着寄存器、运算部件、数据总线等的位数。

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之中。主存容量大则可以运行比较复杂的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的软件支撑环境。所以，计算机处理能力的大小在很大程度上取决于主存容量的大小。

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器容量。由于操作系统、编译程序及众多的软件资源往往存放在外存之中，需用时再调入主存运行。在批处理、多道程序方式中，也常将各用户待执行的程序、数据以作业形式先放在外存中，再陆续调入主存运行。所以，联机外存容量也是一项重要指标，一般以字节数表示。

运算速度