计算机组成与体系结构 教学计划书.docx
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计算机组成与体系结构教学计划书
《计算机组成与体系结构》教学计划书
（2004-2005学年第二学期）
信息学院
一、一、 课程简介
《计算机组成与体系结构》是信息管理与信息系统、电子商务、计算机科学与技术、信息与计算科学等专业的专业基础课程，必修课，授课学时数54，实验课时数18。
预修课程有：
《计算机导论》、《程序设计基础》等。
本课程主要由计算机系统的组成、运算方法与运算器、存储器与存储系统、计算机指令系统、中央处理器技术、系统总线、I/O系统等内容组成。
二、二、 课程教学要求
通过本课程的学习，使学生深入了解计算机系统的体系结构，理解和掌握系统各个组成部分的工作原理及实现方法。
重点是使学生建立计算机硬件系统及整机的概念，掌握计算机在指令（寄存器）级上的工作过程。
为后续专业课程的学习及今后适应计算机新技术的发展打下扎实和良好的基础。
三、三、 课程教学各部分的重点和难点
第一章计算机系统概论
教学内容：
1.1. 计算机发展与应用
2.2. 计算机系统的组成（硬件系统、软件系统、系统的层次结构）
3.3. 计算机的特点、性能指标及分类
基本要求：
了解计算机的发展历史；理解计算机的特点以及分类和应用，和计算机系统的层次结构；掌握诺伊曼计算机硬件系统的组成和工作原理；以期建立初步的整机概念。
教学重点：
其中②③为重点掌握内容，①为一般掌握内容。
第二章运算方法与运算器
教学内容：
1.1. 数据信息（数值数据、非数值数据）的表示方法
2.2. 定点加法/减法运算的及运算器实现
3.3. 定点乘法/除法运算及运算器实现
4.4. 定点运算器的组成与结构
5.5. 浮点运算方法和浮点运算器实现
基本要求：
了解计算机信息的分类、特点；重点理解和掌握数据信息的表示方法、运算和处理方法及硬件实现。
教学重点：
其中①②④及③⑤中的运算方法为重点掌握内容，③⑤中的运算器实现为一般掌握内容。
第三章存储器与存储系统
教学内容：
1.1. 存储器的分类及存储系统的分级结构
2.2. 主存储器的基本结构、基本操作、主要技术指标
3.3. 主存储器芯片（SRAM、DRAM、ROM）的结构及组成特点
4.4. 主存储器组织（主存CPU的连接与扩展、Cache的组成与工作原理虚存的组成与工作原理）
5.5. 存储保护与校检技术（奇偶、海明、CRC校检方法）
基本要求：
理解计算机存储系统分层结构设计思想；重点掌握各种类型存储器存储信息的基本原理和存储器的逻辑设计及工作过程；了解最新存储器的发展。
教学重点：
其中②③④为重点掌握内容，①⑤为一般掌握内容。
第四章指令系统
教学内容：
1.1. 指令系统的发展与性能
2.2. 指令格式（操作码部分的基本格式及编码的方法，地址码部分的格式）
3.3. 寻址方式（指令寻址和数据寻址）
4.4. 典型指令系统与指令分类
基本要求：
了解指令系统的基本概念、设计方法和发展趋势；重点理解和掌握计算机中机器指令的格式、指令和操作数的寻址方式及典型指令系统的组成与分类。
教学重点：
其中②③④为重点掌握内容，①为一般掌握内容。
第五章中央处理器
教学内容：
1.1. CPU的总体结构（CPU的组成与功能，操作控制器CU与时序发生器TU）
2.2. 指令的执行与时序（指令周期、时序部件及CPU的时序控制方式）
3.3. 微程序设计技术与微程序控制器
4.4. 硬布线控制器的结构与组成
5.5. CPU的新技术（流水线技术、多发射技术、RISC技术简介）
基本要求：
在计算机指令系统的基础上，理解CPU的组成原理、基本功能和控制方式；重点理解和掌握计算机在指令级的工作过程，了解最新CPU技术。
教学重点：
其中①②③为重点掌握内容，④⑤为一般掌握内容。
第六章系统总线
教学内容：
1.1. 总线的结构与连接方式，总线接口
2.2. 总线的控制与通信
3.3. 常用总线的类型及标准接口类型
基本要求：
了解总线的作用、结构和接口的基本概念，掌握总线通讯和控制的基本方法和应用，重点掌握PCI总线。
教学重点：
其中②为重点掌握内容，①③为一般掌握内容。
四、四、 课程性质：
必修课
五、五、 课程教学时间安排
周次
教学内容
计划授课时数
上机教学内容
计划授课时数
第1周
计算机发展与应用
计算机系统的组成（硬件系统、）
3
第2周
计算机系统的组成（软件系统、系统的层次结构）
计算机的特点、性能指标及分类
3
第3周
数据信息（数值数据、非数值数据）的表示方法
3
第4周
定点加法/减法运算的及运算器实现
3
第5周
定点乘法/除法运算及运算器实现
3
第6周
定点运算器的组成与结构
3
第7周
浮点运算方法和浮点运算器实现
3
第8周
存储器的分类及存储系统的分级结构
3
第9周
主存储器的基本结构、基本操作、主要技术指标
主存储器芯片（SRAM、DRAM、ROM）的结构及组成特点
3
第10周
主存储器组织（主存CPU的连接与扩展、Cache的组成与工作原理虚存的组成与工作原理）
3
实验一
运算器组成实验
4
第11周
存储保护与校检技术（奇偶、海明、CRC校检方法）
3
第12周
指令系统的发展与性能指标
指令格式（操作码部分的基本格式及编码的方法，地址码部分的格式）
3
实验二
存储器实验
3
第13周
寻址方式（指令寻址和数据寻址）
典型指令系统与指令分类
3
第14周
CPU的总体结构（CPU的组成与功能，操作控制器CU与时序发生器TU）
3
实验三
总线控制实验
3
第15周
指令的执行与时序（指令周期、时序部件及CPU的时序控制方式）
3
第16周
微程序设计技术与微程序控制器
3
实验四
微控制器实验
4
第17周
硬布线控制器的结构与组成
CPU的新技术（流水线技术、多发射技术、RISC技术简介）
3
第18周
总线的结构与连接方式，总线接口；总线的控制与通信；
常用总线的类型及标准接口类型
3
实验五
基本模型机设计与实现
4
六、六、 选用的教材和主要参考书目
教材：
薛胜军《计算机组成原理》华中科技大学出版社2000年
参考书目：
唐朔飞《计算机组成原理》高等教育出版社2000年
白中英《计算机组成原理》科学出版社2000年
WilliamStallings:
《ComputerOrganizationandArchitectureDesignForPer-Formance》,FourthEditionPreticeHall,1996,（清华大学出版社曩印出版）
七、七、 课程考核办法
本课程的考核根据教学大纲要求命题，采用闭卷方式统一考试，重点考核有关基本概念、基础知识和基本工作原理，其中重点掌握内容占65%。
一般掌握内容占35%，使考核内容尽可能函概整个课程知识体系。
总评成绩构成为：
平时成绩占10%，实验占20%，期末笔试占70%。
八、八、 对学生学习的要求
《计算机组成与体系结构》课程是计算机硬件系统设计的技术基础，本课程的教学要求之一使学生深入了解计算机系统的体系结构，理解和掌握系统各个组成部分的工作原理及现实方法。
因此，完成习题作业和上机实验是两个至关重要的环节。
习题作业和上机实验1/3以上未按时完成者，平时成绩和上机实验成绩不合格，不得参加期末考试。
《计算机组成与体系结构》课程特点是涉及的知识面广、内容多、难度大、更新快，在基础课与专业课之间起着重要的承上启下的作用。
因此，要想理解知识的要点、掌握技术的核心，就要利用课外时间进行预习、复习、完成习题和实验，课外学习时间应不少于72学时。
本课程理论性较强，在学习的过程中，学生要多实践，勤思考，真正达到教学目的。
第一章概述
1.1计算机系统的组成
1.1.1关于系统的基本概念
一、关于计算机的定义：
具有特定结构（冯氏），能自动、高速地完成数学和逻辑运算的二进制（电子）装置。
二、关于计算机系统：
由硬件系统和软件系统构成的复杂组合体，由软件来驱动和控制系统的运行，由硬件来保证系统功能的实现。
三、关于硬件系统
1.1. 硬件：
构成计算机所需的各种实体部件的总称（泛指）。
2.2. 硬件系统：
构成某特定计算机所需的实体部件的集合。
3.3. 系统组成：
外设+主机（CPU、存储器、I/O接口、总线）
四、关于软件系统
1.1. 软件：
在计算机系统中使用的各种程序、数据及其有关文档的总称。
（无形的，存放于各种载体之中的）
2.2. 软件系统：
在某台特定计算机上使用的全部程序和数据的集合（一般以文件形式存放于系统的内外存之中）。
3.3. 系统的组成：
1① 系统软件：
（具有管理系统资源，控制系统高效运行，方便用户使用系统<服务>功能的程序）→操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、服务性程序、网络管理软件等。
2② 应用软件：
（用户为解决特定问题，利用系统软件平台编制的程序）→科学计算程序、数据处理程序、计算机控制程序、计算机辅助技术程序（CAD设计，CAM制造，CAT测试，CAI教学）
五、关于指令系统
1.1. 指令：
规定计算机的操作与操作对象，并能为计算机所识别并执行的二进制命令，其格式为操作的OP+操作数或操作数地址。
2.2. 指令系统：
某特定处理器（计算机）所能识别并执行的全部指令的集合（不同处理器具有不同的指令系统）。
例指令系统：
取数LDAD；存数STAD；加法ADDAD；乘法MULAD；打印PR（OUT）D；停机HLT。
3.3. 程序：
为解决特定问题而编制的指令（语句）序列。
1.1.2计算机硬件系统
一、冯氏原理及冯氏结构计算机的特点
1.1. 冯.诺伊曼原理（计算机组成的基本原理）：
基于二进制的程序存储和程序控制原理，也称指令驱动原理。
2.2. 冯氏结构计算机及其工作过程
①冯氏结构计算机：
根据冯氏原理为基础实现的计算机称为冯.诺伊曼机。
②工作过程：
编程→存储器→（*）取出第i条指令→控制器（形成控制信号）→运算器运算/处理数据→结果送M或I/O接口→i=i+1，继续执行（*），即程序存储与程序控制过程，完成指令流的控制和数据流的处理。
3.3. 冯.诺伊曼机的特点：
①组成特点：
计算机由运算器、控制器、存储器和输入设备、输出设备五大部件组成。
②存储特点：
指令和数据以同等地位和二进制形式存放于存储器，并可按地址寻访。
③指令格式：
指令由操作码和地址码组成，操作码用于规定做何操作？
地址码用于规定对谁进行操作。
④指令执行：
指令在存储器中按顺序存放。
通常指令按顺序执行；在特定条件下由运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
⑤结构特点：
以运算器为中心，I/O设备与存储器之间的数据传送必须通过运算器。
二、硬件系统的结构与组成
1.1. 组成：
CPU（运算器、控制器）+存储器+I/O接口（适配器）+外设+总线
2.2. 硬件系统的结构
①典型的冯.诺伊曼结构（以运算器为中心）
②以存储器为中心的现代计算机结构
③现代微机的结构：
3.3. 系统中各部件的组成及功能
1① 运算器：
组成——ALU，通用寄存器（例如MQ、ACC），暂存器TMP（X）
状态寄存器（F或PSW）
功能——对数据信息进行加工和处理（算术/逻辑运算）
2② 控制器
控制器组成：
*1指令部件IU（IP、IR、ID）——用于完成取指和分析指令。
*2时序部件TU——用于提供时标信号。
*3操作控制部件CU（也称控制信号形成部件）——用于形成或完成指令所需的全部控制信号。
控制器功能：
*1定序功能——由IP或PC协调，按规定顺序执行指令（指令周期）。
*2定时功能——由TU为各部件提供统一节拍（微指令、微操作），使其按规定时间表执行（机器、时钟周期）。
*3操作控制功能——由TU产生计算机工作（指令执行）所需的全部控制。
3③ 存储器：
存储器功能——用于存放程序和数据；分类——内存和外存。
存储器（内存）组成与结构——MAR（地址寄存器）；MAD（地址译码器）；M（存储体）；MDR（数据寄存器）；R/W（读写控制电路）。
*1与存储器有关的几个基本概念：
存储元（由触发器构成的记忆一位b二进制信息的结构）；
存储单元（由n位存储元并行构成的存储结构，在计算机中作为整体处理的信息单位，n=8称为Byte字节）；
存储地址（存储单元在存储器中的位置编号）；
存储容量（存储器中所有存储单元的总数，常用KB、MB、GB、TB作为单位）；
字WORD（计算机并行处理的二进制信息宽度，一般为字节的整数倍，有数据字和控制字两种形式，以表述数据信息和控制信息）。
*2存储器的工作过程：
读过程：
地址→MAR，RD→RW/，M→MDR，读完成。
写过程：
地址→MAR，数据→MDR，WR→R/W，写完成。
4④ I/O接口（适配器）与I/O设备（外设）：
I/O接口的功能：
完成外设与主机间进行信息传送时速度适配与信号适配的中间环节（转换器）；
I/O接口的组成：
数据寄存器（端口）、状态寄存器、控制寄存器；
外设的功能：
将计算机中处理的信息形式（二进制）与用户习惯的形式（图像、文字、声音等）进行交换。
5⑤ 总线BUS：
功能：
连接系统各部件，并在各部件间进行（地址、数据、控制）信息的传送的公共同路，具有信息的唯一性特点；
定义：
具有锁存、缓冲结构的一组特定信号线的集合；
分类：
芯片总线、内总线（系统总线、局部总线、前端总线、host总线）和外总线（例：
USB总线、1394总线等）。
1.1.3计算机软件系统
一、关于系统软件
1.1. 定义：
对计算机（软、硬件）系统进行调度、管理、监控及服务的程序，其特点为由制造商提供，用户只能使用，不能修改，其属性为只读。
2.2. 组成：
1① 操作系统；
2② 语言处理系统（含标准程序库）；
3③ 数据库管理系统；
4④ 服务性程序（编辑、诊断、调试、链接等）；
5⑤ 网络管理软件。
二、关于操作系统
1.1. 定义：
自动对系统资源的使用进行维护控制和管理的程序。
2.2. 功能：
1① 操作系统；
2② 控制系统运行，增强处理能力；
3③ 提供人机对话接口，方便用户。
3.3. 组成：
1① CPU管理模块（作业与进程调度）；
2② 存储器管理模块（完成实/虚存的调度与管理）；
3③ I/O设备管理模块（自检、初始化、中断管理，例：
BIOS）；
4④ 文件管理模块（利用文件目录表FDT和分配表FAT两类数据结构对文件进行管理，两表保存于特定区域）；
5⑤ 监控模块（对OS中各功能模块进行控制和协调的程序）；
6⑥ 网络管理模块（对网络资源进行管理，利用通信协议，实现相互间的通讯，例：
浏览器软件）
三、关于语言处理程序
1.1. 定义：
将用户习惯使用的高级语言转换成机器语言的翻译程序。
2.2. 组成：
汇编程序，解释程序，编译程序。
3.3. 计算机语言简介：
1① 机器语言（面向机器，二进制，不易掌握，效率高）；
2② 汇编语言（同机器语言，但需助记符表示，需翻译）；
3③ 高级语言（与机器结构无关，易掌握，需翻译，效率低）。
4.4. 语言转换过程：
用户编写的源程序.asm（经编译程序）→汇编语言程序（经编译程序）→目标程序.obj（经链接程序）→可执行程序.exe（经操作系统）→机器执行。
四、关于应用软件
1.1. 定义：
用户利用系统软件，根据需求开发和使用的各种程序。
2.2. 组成：
1① 通用软件（文字编辑WORD、WPS；绘图工具软件AUTOCAD、PHOTOSHOP；表格处理软件EXCEL等）；
2② 专用软件（用户自编或购买的商品化程序）
1.1.4计算机系统的层次结构
一、系统分层（从功能上看可分五个层次）
1.1. 微程序设计级（微程序机M0）：
由硬件直接执行微指令构成的微程序，每条机器指令对应一段微程序，一般指CPU内部的控制层次。
2.2. 一般机器级（实际机器、机器语言机器、传统机器M1）：
用微程序解释机器指令，能识别机器指令，组成M0+微程序。
3.3. 操作系统级（操作系统机器，虚拟机器M2）用机器语言解释操作系统控制语言和命令，组成M1+操作系统。
4.4. 汇编语言级（汇编语言机器，虚拟机器M3）用汇编程序翻译汇编语言程序，组成M2+汇编程序。
5.5. 高级语言级（高级语言机器，虚拟机器M4）用编译程序翻译源程序→汇编语言程序。
二、层次间的相互关系及特点
1.1. 在每一级上都能进行程序设计越往下，掌握难度越大。
2.2. 除第一级外，每一级的工作都需得到运行在下一级上的程序和最低级硬件的支持。
3.3. ①～③级采用的均为机器语言，④、⑤级采用的符号化语言。
4.4. 随着软件硬化和硬件软化的动态变化，层次的界面的不清的。
5.5. 本课程研究的对象是①、②层次的组成原理和设计思想。
三、计算机组成与计算机体系结构
1.1. 体系结构的定义：
程序员见到的计算机系统属性（系统能做什么），或软件人员对计算机系统的要求。
例：
汇编级程序员看到的M1属性（指令系统、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等）；高级语言级程序员看到的M4属性。
*不同层次上的程序员看到的体系结构不尽相同，例如AMD和Intel在M4上相同，但在M1上是不同的；APPLE和Intel+Microsoft在任何层次上都是不同的。
2.2. 计算机组成的定义：
对体系结构的具体实现方式。
*对相同体系结构的实现有可能是不同的，例如AMD和Intel的CPU的组成是不同的。
1.2计算机硬件的主要技术指标
一、机器字长：
CPU一次能处理的二进制位数。
1.1. 字长决定了指令字与数据字的长度（决定了ALU、寄存器、总线的宽度），从而决定了硬件的复杂程度与造价。
2.2. 字长直接决定了运算精度和存储容量。
二、存储容量：
存储器（主存、辅存）中存放二进制代码的总数，具有二进制表示形式。
1.1. 存储容量＝单元数×字长＝bit，Kb、Mb...
2.2. 存储容量＝单元数×字长/8＝Byte，KB、MB、GB、TB...
三、运算速度：
以每秒钟能执行的指令条数来表示，单位为条/秒，常用MIPS来表示，如50MIPS。
由于指令系统中具体指令的执行时间不尽相同，故常用以下三种表示方法：
1.1. 根据不同类型指令的使用频度求平均运算速度——吉普森法。
TM=
TM：
指令的平均执行时间，fi：
第i种指令的使用频度，ti：
第i种指令的执行时间。
2.2. 以特定指令的执行时间作为速度的衡量标准。
1① 以定点加法指令为标准。
2② 以浮点加法指令为标准，例如FLOPS。
3③ 以执行时间最短的指令为标准。
3.3. 直接以主频（内频）为速度标准（即以时钟周期为标准），例：
PIII500Mhz，600Mhz，800Mhz，1Ghz；P41.2Ghz，1.7Ghz，2Ghz。
第二章运算方法与运算器
2.1数据信息化的表示方法
5.1. 计算机内部流动的信息：
控制信息（指令）；数据信息（数值信息、非数值信息）；
6.2. 数值信息——（定点数、浮点数）→机器数（原码、反码、补码、移码）
7.3. 非数值信息——BCD码（表示十进制数）；ASCII码（表示西文字符）；国标码（表示汉字）；声音；图像（音频、视频）等编码。
8.4. 对于所有信息在传送时进行抗干扰编码→奇偶校验编码、海明校验编码、CRC校验编码。
2.1.1数值数据的二进制表示
掌握不同数制的定义及二、八、十六与十进制之间的相互转换
1.1. 真值与机器数
3① 什么是真值；真值——带符号的任意进制数；
4② 什么是机器数；机器数——符号数码化了的二进制数→原码、反码、补码、移码。
2.2. 数的机器码表示：
定点数→整数部分+小数部分；浮点数→阶码（整数）+尾数（小数）；均可表示成整数与小数两部分构成。
3.3. 机器数的表示：
1① 原码表示法：
定义（整数表示、小数表示）；数的表示范围；零的表示形式；应用。
原码——采用0，1表示符号，数值部分为真值x的绝对值，字长为n+1。
定义：
·整数原码：
·小数原码：
特点：
·数值范围为，整数：
-（2n-1）~2n-1；小数：
-（1-2-n）~1-2-n。
·零有两种表示形式：
+0与-0。
·只适用于表示带符号数，较直观，而不能用于加/减运算。
2② 反码表示法：
定义（整数表示、小数表示）；数的表示范围；零的表示形式；应用。
反码——采用0、1表示符号，正时其数值部分等于原码，负时为原码的数值部分求反。
定义：
·整数反码
·小数反码
特点：
·数值范围、零的表示形式同原码；
·只作为中间代码使用；
·不宜做运算。
3③ 补码表示法：
补码概念的引入；模的概念；同余的概念；定义（整数表示、小数表示）；数的表示范围；零的表示形式；应用。
补码——采用0、1表示符号，正时其数值部分等于原码，负时其数值部分为原码数值部分变反（反码）加1；变形补码，采用多符号，00为正，11
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