1、教 案授課課程： 計算機組成原理 使用教材： 計算機組成原理 唐朔飛主編 課程類別： 必修課 授課班級： 計算機科學 _ 前 言本教案基于“ 面向21世紀課程教材”-普通高等教育“十一五”國家級規劃教材唐朔飛編著的“計算機組成原理”第二版。教案包括：課程總體設計；實驗內容設計；研究型教學設計；章節設計；單元設計等。課程總共64學時，其中理論課程48學時，實驗16學時。研究型教學內容不占課堂學習學時，在實際教學的執行中，可根據具體情況，選擇部分研究型教學內容。在教學過程中，可綜合應用各種教學手段和教學模式，包括混合式教學及翻轉課堂等，并充分利用慕課、微課等電子資源。目錄一 總體教學設計71.1教

2、學目的和要求81.2教學手段和教學方法81.2.1教學手段81.2.2 教學方法91.3 把前沿內容引進課堂101.4教材與參考資料101.5教學內容和安排101.5.1課堂教學內容及安排121）計算機系統概論（2學時）12（1）教學內容12（2）基本要求12（3）重點和難點122）運算方法和運算器（10學時）13（1）教學內容13（2）基本要求13（3）重點和難點133）存儲器及存儲系統（10學時）13（1）教學內容13（2）基本要求14（3）重點和難點144）指令系統（4學時）14（1）教學內容14（2）基本要求14（3）重點和難點155）中央處理器（10學時）15（1）教學內容15（2）

3、基本要求15（3）重點和難點156）總線系統（2學時）15（1）教學內容15（2）基本要求16（3）重點和難點167）輸入輸出系統（8學時）16（1）教學內容16（2）基本要求16（3）重點和難點161.5.2實踐教學及安排161）運算器實驗I172）運算器實驗II173）存儲器及存儲系統184）基礎匯編語言程序設計185）微程序驗證實驗196）微程序設計實驗197）輸入輸出系統191.6 研究型教學201.6.1 研究性教學訓練載體的設計201.6.2 研究性教學實施計劃211.6.3. 研究性專題指導書22研究性專題一：多體交叉存儲器設計22研究性專題二：微程序控制器和微程序設計22研究性

4、專題三：中斷控制器及中斷服務程序設計241.7 成績考核25二、章節教學設計262.1 第一章 計算機系統概論教學設計262.1.1教學內容介紹262.1.2教學目的262.1.3重難點分析262.1.4案例272.1.5教學方法和手段272.1.6小結272.1.7作業272.2 第二章 計算機的發展及應用教學設計282.2.1教學內容介紹282.2.2教學目的282.2.3教學方法和手段282.3 第三章 系統總線教學設計282.3.1教學內容介紹282.3.2教學目的282.3.3重難點分析292.3.4案例292.3.5教學方法和手段292.3.6小結302.3.7作業30第3章題 5

5、、8、14302.4 第四章 存儲器教學設計302.4.1教學內容介紹302.4.2教學目的302.4.3重難點分析312.4.4案例312.4.5教學方法和手段312.4.6小結322.4.7作業322.5 第五章輸入輸出系統教學設計322.5.1教學內容介紹322.5.2教學目的322.5.3重難點分析332.5.4案例332.5.5教學方法和手段332.5.6小結342.5.7作業342.6 第六章 計算機的運算方法教學設計342.6.1教學內容介紹342.6.2教學目的352.6.3重難點分析352.6.4案例352.6.5教學方法和手段362.6.6小結362.6.7作業362.7

6、第七章 指令系統教學設計362.7.1教學內容介紹362.7.2教學目的372.7.3重難點分析372.7.4案例372.7.5教學方法和手段372.7.6小結382.7.7作業382.8 第八章 CPU的結構和功能教學設計382.8.1教學內容介紹382.8.2教學目的382.8.3重難點分析392.8.4案例392.8.5教學方法和手段392.8.6小結392.8.7作業392.9 第九章控制單元的功能教學設計402.9.1教學內容介紹402.9.2教學目的402.9.3重難點分析402.9.4案例402.9.5教學方法和手段402.9.6小結412.9.7作業412.10 第十章控制單元

7、的設計教學設計412.10.1教學內容介紹412.10.2教學目的412.10.3重難點分析422.10.4案例422.10.5教學方法和手段422.10.6小結422.10.7作業43三、教學單元設計433.1教學單元1433.2教學單元2433.3教學單元3443.4教學單元4443.5教學單元5453.6教學單元6463.7教學單元7463.8教學單元8473.9教學單元9483.10教學單元10483.11教學單元11493.12教學單元12503.13教學單元13503.14教學單元14513.15教學單元15523.16教學單元16533.17教學單元17543.18教學單元185

8、43.19教學單元19553.20教學單元20553.21教學單元21563.22教學單元22573.23教學單元23573.24教學單元2458一 總體教學設計本課程講述單機系統計算機各部件和系統的組成原理及其內部工作機制，使學生能夠掌握計算機各大部件的組成原理、邏輯實現、設計方法及其互連構成整機系統的技術。課程主要內容包括：計算機的發展概況、計算機的分類和應用、計算機的層次結構；計算機中數據的表示方法及其主要部件；計算機內部的指令系統；如指令格式、指令類型、尋址方式等、計算機內部的存儲系統；存儲介質的存儲原理以及今后的發展方向；CPU的邏輯組成和工作過程；常用輸入/輸出設備的結構和工作原理

9、：輸入/輸出系統的組成，CPU與外設間傳送數據的控制方式等。課程首先講述馮諾依曼結構計算機的五大部件：運算器、控制器、I/O和存儲器系統。然后，面向ALU和CU，從數據的表示方法、運算方法、運算部件、控制器講述計算機的基本運行原理。最后介紹硬布線邏輯和微程序控制器的原理。課程按照由系統整體概貌介紹開始，沿著核心的部件CPU的功能展開，介紹運算器和控制器的工作原理，再分析控制器的設計方法和工作原理，由淺入深、循序漸進，使學生理解計算機各個部件的工作原理，教學整體思路的示意圖如圖1所示。 圖1 課程內容之間的關系圖1.1教學目的和要求1、教學目標計算機組成原理是計算機科學與技術專業的專業基礎課程，

10、其教學目標是：理解單處理器計算機系統中各部件的內部工作原理、組成結構以及相互連接方式，具有完整的計算機系統的整機概念。理解計算機系統層次化結構概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結構的基本知識和基本實現方法。通過本課程的學習，理解單處理器計算機系統中各部件的內部工作原理、組成結構以及相互連接方式，具有完整的計算機系統的整機概念。對計算機硬件新技術以及發展方向有一定的了解，為進一步學習計算機專業后繼課程打下良好基礎。通過本課程的學習，學生應達到如下能力：1. 掌握計算機組成的基本理論知識和工程基礎知識，了解計算機硬件的發展現狀和趨勢。2. 能夠運用計算機組成的基本原理和方法，對計算機硬

11、件系統中的實際問題進行分析、計算和設計。3. 具有不斷自主學習和適應學科發展的能力。2、教學要求（1）了解計算機的發展歷史和最新動態，形成對計算機整機系統總體的認識，掌握計算機各個部件的基本工作原理、基本思想與基本設計方法。（2）理解計算機系統中硬件與軟件的關系，具有一定的利用算法設計計算機功能部件的能力。（3）掌握典型計算機系統中的控制器的設計方法，具備對整機系統進行分析設計的基本能力。1.2教學手段和教學方法1.2.1教學手段（1） 采用多媒體和板書配合，使用圖片、視頻等豐富教學演示，激發學生的學習興趣。（2） 采用案例分析的方法，提高對計算機各個部件工作原理的認識。（3） 理論與實踐相結

12、合，加強實踐教學，使學生在實驗過程中，理解計算機各個部件的工作原理，提高對部件的設計開發能力。（4） 創建仿真環境，使學生能夠對部件設計中相關的問題進行設計和調試，提高實驗教學的效率。（5） 采用研究型的教學方法，引導學生進行研究型的學習，拓展學生的探索研究能力。（6） 利用網絡教學平臺進行翻轉教學和混合式的教學。1.2.2 教學方法（1） 啟發式和研究型的教學方法計算機組成原理屬于硬件類的課程，而通過語言描述硬件的構成和原理比較抽象，有時也不太好理解。根據上課的同學都有數字電子技術基礎的特點，為了提高學習效率，采用啟發式的教學模式，以學習過的知識為基礎，提出問題，并啟發引導同學積極思維，調動

13、學生學習的積極性、主動性和創造性，在引入計算機組成原理的知識點，達到舉一反三、觸類旁通的目的。同時，設計適中的探索性的研究題目，這些題目在書本、網絡上沒有直接的答案，促進自主學習的能力，提高學生分析問題和解決問題的能力。（2） 任務驅動式的教學法針對每一章節的教學目標，都設置一定數量的問題和課后習題，采用任務式驅動教學法，增強學習目的性和針對性。充分利用網絡，對同學所做習題中出現的問題及時糾正、反饋，提高學習效率。（3） 理論與實踐相結合計算機組成原理課程的部分內容比較復雜，如微程序設計部分的內容，比較抽象，不易理解。為了解決這些問題，一方面采用動畫演示的方法，使學生提高感性認識。另外，采用仿

14、真的方法，提高教學效果。提供給學生微程序設計的仿真環境，使他們在仿真環境中，通過跟蹤指令的執行過程，理解計算機部件的控制過程和原理。充分發揮實驗室的作用，通過一系列的實驗，使理論與實踐相結合，同學通過實際的操作、通過電路和程序的設計、調試，達到課程的教學目標。1.3 把前沿內容引進課堂在教學中與時俱進，優化課程內容，與計算機發展保持同步，注重介紹計算機系統的最新研究和應用進展。主要介紹：1）Cache；2）流水線；3）多體交叉存儲器；4）RISC ；5）MIPS等。1.4教材與參考資料教材：唐朔飛計算機組成原理北京：高等教育出版社，2011主要參考資料：1白中英計算機組成原理北京：科學出版社，

15、20102唐朔飛計算機組成原理：學習指導與習題解答北京：高等教育出版社，20063薛勝軍計算機組成原理武漢：華中科技大學出版社，20104薛勝軍計算機組成原理學習指導與實驗武漢：華中科技大學出版社，20065Patterson D A，Hennessy J LComputer Organization and Design：The Hardware/Software InterfaceChina Machine Press，20061.5教學內容和安排本課程總計64課時，其中課堂講授48課時，實驗教學16課時。總體安排如下：序號知識單元（章節）知識點要求推薦學時1計算機系統概論馮諾依曼結構計算

16、機硬件系統的基本組成和指令的執行過程了解2計算機系統層次結構理解2運算方法和運算器進位計數制及其相互轉換方法；定點小數和整數的表示，包括原碼、反碼、補碼和移碼表示掌握10定點數的移位運算、原碼及補碼加減運算的方法、溢出的概念與檢測方法掌握定點乘法運算的工作原理掌握ALU的功能、設計方法和工作原理理解浮點數的表示和規格化表示方法，浮點運算方法掌握3存儲器及存儲系統主存儲器的技術指標與存儲系統的分類、層次化結構特點了解 10SRAM、DRAM的組成和工作原理了解flash和只讀存儲器的組成和工作原理了解主存儲器與CPU的連接的方法掌握雙端口存儲器、多模塊存儲器的組成和工作原理理解Cache的基本工

17、作原理，Cache和主存之間的映射方式, 替換策略掌握虛擬存儲器概念，理解段式、頁式、段頁式虛擬存儲器的工作原理, 替換策略理解4指令系統指令的基本格式及各個組成部分的功能理解4指令字擴展的方法掌握指令和數據的尋址方式掌握5中央處理器CPU的基本組成和功能理解10典型指令的指令周期，能夠用方框語言表示指令周期掌握時序產生器的功能和工作原理了解微程序控制器的工作原理和設計方法掌握硬布線控制器的組成和工作原理理解流水線的工作原理了解6總線系統總線的功能、組成及性能指標了解4集中仲裁方式和分布仲裁方式同步定時方式異步定時方式了解總線的控制方式和總線的通信方式掌握7輸入輸出系統I/O接口的功能和基本結

18、構， I/O端口及其編址的基本方法了解8I/O的程序查詢方式、程序中斷方式、DMA信息交換方式掌握通道方式的基本原理了解8實驗運算方法和運算器掌握16存儲器及存儲系統掌握指令系統了解微程序設計掌握中斷實驗掌握1.5.1課堂教學內容及安排1）計算機系統概論（2學時）（1）教學內容計算機發展歷程，計算機軟件系統和硬件系統的組成和特點，計算機的工作過程，計算機的層次結構。（2）基本要求（1）了解計算機硬件系統的基本組成和指令的執行過程，了解軟件的種類和特點。（2）掌握描述計算機系統的性能參數，包括：吞吐量、響應時間；CPU時鐘周期、主頻、CPI、CPU執行時間、MIPS等。（3）理解計算機

19、系統層次結構的定義。（3）重點和難點重點：馮諾依曼結構計算機的組成和特點。難點：計算機系統的層次結構。2）運算方法和運算器（10學時）（1）教學內容數制與編碼，定點數的表示和運算，浮點數的表示和運算，算術邏輯單元ALU。（2）基本要求掌握進位計數制及其相互轉換方法，掌握真值和機器數、BCD碼、字符與字符串、校驗碼的表示方法。掌握定點小數和整數的表示，包括原碼、反碼、補碼和移碼表示，掌握各種機器碼的特點和數的表示范圍。掌握定點數的移位運算、原碼及補碼加減運算的方法、溢出的概念與檢測方法。理解定點乘法運算和除法運算的工作原理。理解ALU的功能、設計方法和工作原理。掌握浮點數的表示和規格化表示方法。

20、掌握浮點運算方法，了解浮點運算器的組成和原理。了解文字與字符串的表示方法。了解算術邏輯單元ALU的功能和結構。（3）重點和難點重點：機器碼的轉換，定點和浮點運算算法。難點：定點運算器和浮點運算器的工作原理和設計方法。3）存儲器及存儲系統（10學時）（1）教學內容存儲器的分類、層次化結構，SRAM、DRAM芯片的結構、工作原理，主存儲器與CPU的連接，雙端口存儲器，多模塊存儲器，高速緩沖存儲器（Cache）和虛擬存儲器。（2）基本要求了解主存儲器的技術指標與存儲系統的分類、層次化結構特點。 理解SRAM、DRAM的組成和工作原理。了解flash和只讀存儲器的組成和工作原理。掌握主存儲器與CPU的

21、連接的方法。了解雙端口存儲器、多模塊存儲器的組成和工作原理。掌握Cache的基本工作原理，掌握Cache和主存之間的映射方式，了解各種替換策略的優缺點。掌握虛擬存儲器概念，理解段式、頁式、段頁式虛擬存儲器的工作原理，了解各種替換策略的特點。（3）重點和難點重點：各種存儲器的工作原理，結構特點。難點：存儲器系統的組織。4）指令系統（4學時）（1）教學內容指令的基本格式，擴展操作碼指令格式，指令的尋址方式、功能和分類，CISC和RISC的基本概念。（2）基本要求理解指令的基本格式及各個組成部分的功能。掌握指令字擴展的方法。掌握指令和數據的尋址方式。（3）重點和難點重點：指令格式，尋址方式。難點：指

22、令字的擴展。5）中央處理器（10學時）（1）教學內容CPU的功能和基本組成，機器指令的執行過程，數據通路的功能和基本結構，控制器的功能和工作原理，指令流水線的基本概念。（2）基本要求掌握CPU的基本組成和功能。掌握典型指令的指令周期，能夠用方框語言表示指令周期。了解時序產生器的功能和工作原理。掌握微程序控制器的工作原理和設計方法。理解硬布線控制器的組成和工作原理。了解流水線的工作原理。（3）重點和難點重點：CPU的組成和工作原理，指令的執行過程。難點：微程序設計原理和方法。6）總線系統（2學時）（1）教學內容總線概述，總線仲裁，總線操作和定時，總線標準。（2）基本要求了解總線的功能、組成及性能

23、指標。了解集中仲裁方式和分布仲裁方式。了解同步定時方式異步定時方式。掌握總線的控制方式和總線的通信方式。（3）重點和難點重點：總線的組成和功能。難點：總線的控制方式。7）輸入輸出系統（8學時）（1）教學內容I/O系統的基本概念，I/O接口（I/O控制器），I/O方式。（2）基本要求了解I/O接口的功能和基本結構， I/O端口及其編址的基本方法。掌握I/O的程序查詢方式、程序中斷方式、DMA信息交換方式。了解通道方式的基本原理。（3）重點和難點重點：外部設備和系統進行信息交換的原理、接口組成。難點：中斷和DMA控制器的組成和工作原理。1.5.2實踐教學及安排實驗教學安排7個實驗，共16

24、個學時，具體時間安排如下：序號 時間 內容 備注 1 6周周三（4.15）運算器實驗I2學時2 7周周三（4.22）運算器實驗II2學時3 9周周三（5.6）存儲器及存儲系統2學時4 10周周三（5.13）基礎匯編語言 2學時5 12周周三（5.27）微程序驗證實驗3學時6 13周周三（6.3）微程序設計實驗3學時7 15周周三（6.17）中斷實驗2學時實驗內容介紹：1）運算器實驗I實驗目的：了解脫機操作下AM2901運算器的功能與控制信號的使用，了解運算器AM2901的內部結構及工作時序，觀察運算器運算的結果對狀態標志的影響。實驗內容：AM2901運算器的功能，AM2901的級聯用法，運算器

25、的組成和控制原理。2）運算器實驗II實驗目的：深入了解AM2901運算器的功能與具體用法，掌握用AM2901完成各種運算操作時各控制信號的使用，觀察指令執行的結果對狀態標志的影響；了解4片AM2901的級聯方式，深化運算器部件的組成、設計、控制與使用等諸項知識。實驗內容： 寄存器的立即數賦值； 寄存器算數運算；邏輯運算移位運算聯合移位運算3）存儲器及存儲系統實驗目的：在教學計算機上設計、實現并調試出存儲器容量擴展的實驗內容。要求：1) 理解計算機內存儲器的功能、組成知識；2) 掌握靜態存儲器芯片的讀寫原理及其組成教學計算機存儲器系統的方法（即字、位擴展技術），控制其運行的方式；實驗內容：要完成

26、存儲器容量擴展的教學實驗，需為擴展存儲器選擇一個地址，并注意讀寫和OE等控制信號的正確狀態；用監控程序的D、E命令對存儲器進行讀寫，比較RAM（6116）、EEPROM（28系列芯片）在讀寫上的異同；用監控程序的A命令編寫一段程序，對RAM（6116）進行讀寫，用D命令查看結果是否正確；用監控程序的A命令編寫一段程序，對擴展存儲器EEPROM（28系列芯片）進行讀寫，用D命令查看結果是否正確；如不正確，分析原因，改寫程序，重新運行。4）基礎匯編語言程序設計實驗目的：學習和了解TH-union教學實驗系統硬件組成；學習和了解TH-union教學實驗系統監控命令的用法；學習和了解TH-union教

27、學實驗系統的指令系統；學習簡單的TH-union教學實驗系統匯編程序設計；實驗內容：學習聯機使用TH-union教學實驗系統和仿真終端軟件PCEC.使用監控程序的R命令顯示/修改寄存器內容、D命令顯示存儲器內容、E命令修改存儲器內容；使用A命令寫一小段匯編程序，U命令反匯編剛輸入的程序，用G命令連續運行該程序，用T、P命令單步運行并觀察程序單步執行情況。5）微程序驗證實驗實驗目的： 了解微程序控制器的功能、組成； 理解典型機器指令的控制流程；實驗內容：看懂TH-union教學計算機的功能部件組成和線路邏輯關系，然后分析教學計算機中已經設計好并正常運行的幾條典型指令（例如，ADD、MVRR、OU

28、T、MVRD、JRC、CALA、RET等指令）的功能、格式和執行流程，注意各操作功能所對應的控制信號的作用。6）微程序設計實驗實驗目的： 掌握微程序控制的設計方法實驗內容：設計實驗系統中不存在的機器指令，寫出其指令格式、各個字段的含義、功能描述，并在教學計算機上進行調試，驗證其正確性。7）輸入輸出系統實驗目的：加深理解計算機系統中斷工作的原理及處理過程。學習和掌握中斷產生、響應、處理等技術；實驗內容：擴展開中斷指令EI、關中斷指令DI、中斷返回指令IRET不能用匯編命令輸入，只能用E命令輸入指令的機器代碼。 確定中斷向量表地址。中斷向量表的高12位由數據開關確定為（0010 0100 0000

29、）。三級中斷對應的中斷向量為2404H、2408H、240CH。當有中斷請求且被響應后，將執行存放在該中斷的中斷向量所指向的內存區的指令。填寫中斷向量表。在上述的2404H、2408H、240CH地址寫入三條JR 轉移指令，JR指令的OFFSET是偏移量，但在PCEC16中輸入時，用戶不需要計算偏移量，直接輸入要轉向的絕對地址即可。編寫中斷服務程序。中斷服務程序可以放在中斷向量表之后，中斷服務程序可實現在程序正常運行時在計算機屏幕上顯示與優先級相對應的不同字符；寫主程序。可編寫一死循環程序，要求先開中斷。1.6 研究型教學計算機組成原理研究性教學是針對計算機組成原理的理論和實驗教學內容的拓展和

30、延伸，是計算機組成原理教學的重要環節。研究性教學的指導思想是在本課程理論和基本實驗的基礎上，創造學生獨立思考和工程設計的實踐環境，使學生在掌握計算機各部件的基本結構和工作原理的基礎上，幫助同學建立計算機時間-空間和整機系統的概念，培養學生的實驗操作能力和分析解決問題能力。通過研究性教學，開闊學生對計算機領域的知識面，尤其是硬件領域；了解硬件設計的基本工具和基本知識，掌握計算機硬件的設計方法，加深對計算機系統的認識。 1.6.1 研究性教學訓練載體的設計配合理論教學和實驗，在考慮學生的能力和時間的情況下，本課程安排了綜合性的研究性專題，專題名稱、研究內容及相關的知識點如下表所示：專題名稱 研究內

31、容及要求 相關知識點 設置章節 1.交叉存儲器設計設計一個容量 為64KB的采用低位交叉編址的8體并行結構存儲器。畫出CPU和存儲芯片（芯片容量自定）的連接圖，并寫出圖中每個存儲芯片的地址范圍（用 十六進制數表示）。交叉存儲器結構和存儲器并行工作原理。 譯碼電路設計地址、數據和控制電路設計。第4章2.微程序控制器及微指令設計研究微程序控制器的設計過程和相關技術。研究機器指令格式和微程序的關系，對多種尋址方式的指令，設計相應的微程序。機器指令和微程序的關系，微程序和微指令微命令的關系，微程序的設計方法，控制器的結構和設計方法。 第10章 3.中斷控制器及中斷服務程序設計研究多級中斷系統的結構和工

32、作原理，中斷向量，中斷服務程序的設計方法，擴展中斷隱指令、開中斷指令、關中斷指令、中斷返回指令。計算機系統中斷工作的原理，中斷產生、響應、處理等技術；中斷嵌套。第5章1.6.2 研究性教學實施計劃 研究性教學的實施，需要與理論課和基礎實驗課程的教學密切結合。具體實施計劃的詳細時間見下表。學生按照教師布置的題目進行深入探討，查閱文獻資料，提交研究報告和實驗報告。 專題名稱 實驗周次設置章節 交叉存儲器設計第十周第十一周第4章微程序控制器及微指令設計第十三周第十四周第10章 中斷控制器及中斷服務程序設計第十四周第十五周第5章1.6.3. 研究性專題指導書 研究性專題一：多體交叉存儲器設計問題的提出

33、：并行性是提高計算機系統效率的重要途徑。交叉存儲器是采用相同的存儲器，利用并行結構設計方法，提高存儲器工作效率的一種特殊存儲器。交叉存儲器的結構復雜，在隨堂存儲器擴充的基礎上，展開研究性教學，便于學生拓展知識面，提高分析問題解決問題的能力。 設CPU共有16根地址線，8根數據線，并用M/-IO作為訪問存儲器或I/O的控制信號（高電平為訪 存，低電平為訪I/O)，-WR（低電平有效）為寫命令，-RD（低電平有效）為讀命令。設計一個容量 為64KB的采用低位交叉編址的8體并行結構存儲器。畫出CPU和存儲芯片（芯片容量自定）的連接圖，并寫出圖中每個存儲芯片的地址范圍（用 十六進制數表示）。l 要求：

34、參考教材中關于交叉存儲器的原理，給出系統設計方案。包括譯碼芯片的選擇、各個芯片的工作時序設計。 l 考查知識點： （1）片選信號的產生電路設計； （2）地址鎖存電路設計； （3）數據信號線的電路設計； （4）控制信號線的設計； （5）交叉存儲的實現。 l 需要注意的問題： （1）多體存儲器是如何實現1/8存儲器周期就能夠讀取一次數據的； （2）各個存儲器提的啟動信號和地址、數據、片選信號的關系； （3）交叉存儲器并行工作原理，與普通存儲器結構上的主要差別。 研究性專題二：微程序控制器和微程序設計問題的提出：控制器是計算機的核心，是計算機組成原理的重要內容。微程序控制器將全部指令的每個執行步驟所

35、需要的全部控制信號保存在微程序的控制存儲器中，并在控制信號中明確給出下一條使用的微指令的地址，這樣，控制器可通過讀取微程序的控制存儲器來得到指令的控制信號。微程序控制器具有結構簡單、便于調試和修改控制器功能等功能。本專題的內容為：設計存儲器尋址或存儲器間接尋址機器指令的微程序，并在教學計算機上加以實現、通過調試，得到正確結果。要求：微程序存放在控制存儲器中，控制器中的指令寄存器IR和程序計數器PC選用運算器內部的寄存器實現，微程序的后繼地址由Am2910（微程序定序器）和配套線路（微指令轉移條件判斷線路、微指令地址映射部件）實現。對每一條指令，合理劃分指令的執行步驟。l 考查知識點： （1）微

36、指令格式； （2）微堆棧功能和使用方法；（3）微地址形成邏輯； （4）控制字段功能； （5）微程序方框圖l 需要注意的問題： （1）微指令轉移所依據的判斷條件 （2）CPU內部總線數據來源的控制（3）控制字段中，ALU中通用寄存器的使用（4） 微程序的節拍控制微程序控制的結構如下圖所示：研究性專題三：中斷控制器及中斷服務程序設計問題的提出：中斷是現代計算機中普遍采用的技術，是外設與計算機系統進行數據交換的重要途徑。中斷技術的實現，既涉及中斷控制器硬件電路，也涉及中斷服務程序的軟件編程。本專題的內容為：分析由分立元件構成的中斷控制器的工作原理，研究中斷向量的產生和排隊器的實現問題，設計相應的中斷

37、服務程序實現中斷嵌套。l 要求：針對分立元件構成的中斷控制器的結構和工作原理，編寫主程序和中斷服務程序。達到的效果如下：主程序顯示某個字符，當按下某個鍵盤時，主程序被中斷，顯示與按鍵所對應的另外一個字符。持續一段時間后，在回到主程序，顯示原來的字符。定義另外一個按鍵，使其能夠在第一個按鍵按下時，按第二個鍵時，終止第一個鍵顯示的字符，而顯示第二個鍵所對應的字符，實現中斷嵌套。參考教材中關于交叉存儲器的原理，給出系統設計方案。包括譯碼芯片的選擇、各個芯片的工作時序設計。 l 考查知識點： （1）現場和屏蔽字； （2）中斷服務程序尋址； （3）中斷嵌套； （4）中斷服務程序設計； （5）中斷向量表l

38、 需要注意的問題： （1）什么時間開中斷，什么時間關中斷？ （2）中斷向量和中斷服務程序的關系； （3）中斷嵌套的現場保護問題由分立元件構成的中斷控制器結構圖如下：1.7 成績考核 為培養學生的研究意識，提高學生學習的主動性，在本門課程的教學過程中增加綜合性研究性專題，學生利用課余時間，做出設計方案，以研究報告和實驗報告的形式，進行總結。研究性教學的考核，包括研究報告或實驗報告，接受教師和同學提問和答疑等環節。研究報告能夠準確把握所研究的問題，全面、系統地闡述相關內容，觀點新穎，論據充分，計算正確。 計算機組成原理課程教學時間為每周4學時，共計16周。教學環節主要包括：課堂講授、實驗、研究性專

39、題、作業和答疑。分數比例見下表。 平時作業,研究性專題實驗 期末考試 30 20 50 二、章節教學設計2.1 第一章 計算機系統概論教學設計2.1.1教學內容介紹（1）計算機的發展與應用。（2）計算機系統的層次結構。（3）計算機的特點：快速性、通用性、準確性和邏輯性。（4）性能指標。（5）計算機的分類方法。2.1.2教學目的理解馮諾依曼計算機中的五大部件在計算機系統中所起的作用，每個部件的基本工作原理。掌握存儲器地址和存儲單元的關系。理解計算機系統的層次結構及各個層次間的相互依存關系。2.1.3重難點分析教學重點：（1） 計算機的層次結構。（2） 存儲器地址和單元的關系。2.1.4案例 通過

40、對兩種機器結構：馮諾依曼的基本結構和改進型的馮諾依曼結構的分析和對比，說明兩種結構的區別和各自的特點，從并行性角度，分析不同系統結構對機器性能的影響。2.1.5教學方法和手段1）用視圖的方法，讓學生對計算機各個部件的關系和原理建立直觀和形象的認識。2）采用啟發式教學法，從數字電子技術課程已經學過的對基本運算部件的控制，引導學生理解從一般器件層依次向更高的層次：匯編語言層次、操作系統層次和高級語言層次。再從組合邏輯和時序電路控制角度，啟發學生由一般機器層次向下理解微程序控制層次。2.1.6小結（1）從系統的觀點，理解計算機的層次結構。計算機系統由硬件和軟件兩大部分所構成，而如果按功能再細分，可分

41、為第零級是硬聯邏輯級，第一級是微程序級，第二級是傳統機器級，第三級是操作系統級，第四級是匯編語言級，第五級是高級語言級，第六級是應用語言級。把計算機系統按功能分為多級層次結構，就是有利于正確理解計算機系統的工作過程，明確軟件，硬件在計算機系統中的地位和作用。（2）隨著計算機的發展計算機的常用指標會不斷的提高。（3）組成原理是講解計算機的一般組成方法，而不是針對某一類計算機而言。2.1.7作業1.2 計算機系統從功能上可劃分為哪些層次？各層次在計算機系統中起什么作用？ 1.5 馮.諾依曼計算機體系的基本思想是什么？按照此思想設計的計算機硬件系統應由哪些部件組成？各起什么作用？1.11. 指令和數

42、據都存于存儲器中，計算機如何區分它們？【計算機內部由哪兩種信息在流動？它們彼此有什么關系？】2.2 第二章 計算機的發展及應用教學設計2.2.1教學內容介紹（1）計算機的發展史；（2）計算機的應用領域；（3）計算機的展望。2.2.2教學目的（1）了解計算機的發展史（2）了解計算機的應用領域（3）了解計算機的發展趨勢 2.2.3教學方法和手段 自學2.3 第三章 系統總線教學設計2.3.1教學內容介紹（1）總線及分類。（2）總線特性及性能指標。（3）總線結構:單總線結構、雙總線結構和三總線結構。（4）總線連接方式: 串行傳送、并行傳送和分時傳送。（5）總線的控制：鏈式查詢方式、計數定時查詢方式和

43、獨立請求方式。（6）總線的通信：同步通信和異步通信。2.3.2教學目的了解總線的功能、分類、性能指標和典型的結構。了解集中仲裁方式和分布仲裁方式。掌握總線的控制方式了解同步、異步、半同步通信、分離式通信方式。2.3.3重難點分析使用總線的關鍵在于判別連接到總線的各個設備或部件的優先權；設備或部件取得總線控制權后，以什么通信方式與總線進行數據交換。總線的控制包括鏈式查詢方式、計數定時查詢方式和獨立請求方式。要講清楚他們的工作原理和總線的控制過程，并比較它們的優缺點。鏈式查詢方式：使用的線數少，優先級固定不能改變，對查詢鏈的敏感性強。計數定時查詢方式：使用的線數中，優先級容易改變，但速度比較慢。獨

44、立請求方式：使用的線數多，優先級容易改變，速度也快。總線的通信方式包括：同步、半同步、異步等通信方式。同步通信由統一時標控制數據傳送；異步通信采用應答方式 ，沒有公共時鐘；半同步通信方式是同步和異步的結合。2.3.4案例介紹微機系統中常用的PCI總線。PCI的中文意思是“外圍器件互聯”是一種局部并行總線標準，由ISA總線發展而來的，ISA并行總線有8位和16位兩種模式，時鐘頻率為8MHz，工作頻率為33MHz/66MHz。是一種同步的獨立于處理器的32位或64位局部總線。從結構上看，PCI是在CPU的供應商和原來的系統總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現對這一層的管理，并實現上下之間

45、的接口以協調數據的傳送。PCI總線已成為了計算機的一種標準總線。已成為局部總線的新標準，主要用于連接顯示卡、網卡、聲卡。2.3.5教學方法和手段（1）結合圖片形象地演示總線的結構，幫助學生理解總線的工作原理。（2）結合案例教學，理解總線在實際系統中的應用。（3）采用翻轉教學的方法，留一定的時間，給同學進行討論和提問，促進學生自主學習和獨立思考，加深對于相關知識點的理解。2.3.6小結總線是連接各個部件的信息傳輸線，總線包括：片內總線、系統總線和通信總線。總線的性能指標包括機械特性、電氣特性、功能特性和時間特性。總線結構：單總線，雙總線，三總線。總線判優有兩種方法：集中仲裁方式和分布仲裁方式。集

46、中仲裁方式的具體實現有三種：包括鏈式查詢方式、計數定時查詢方式和獨立請求方式。總線的通信方式包括：同步、半同步、異步等通信方式。2.3.7作業 第3章題 5、8、142.4 第四章 存儲器教學設計2.4.1教學內容介紹存儲器是現代計算機的五大組成部分之一,本章主要介紹存儲器的基本工作原理。首先從存儲器概述入手，介紹存儲器的分類和層次結構，通過主存的單元、地址、技術指標等概念引入半導體存儲器芯片，靜態RAM和動態RAM的讀寫時序以及動態刷新的基本原理。重點介紹存儲器與 CPU 的連接，掌握主存儲器的組織方法。然后介紹提高訪存速度的兩個措施：Cache和多體交叉存儲器，重點掌握Cache的原理和地

47、址映射方法。2.4.2教學目的本章教學的目的是通過對主存儲器，高速緩沖存儲器，輔助存儲器等的介紹，使得學生掌握主存儲器的技術指標、基本結構和基本操作，掌握主存儲器組織，掌握CACHE的功能、基本原理、地址映像（直接映像方式）和替換策略，掌握多體交叉存儲器的基本原理及地址交叉方法。具體要求為：（1）理解存儲器的分類和分級結構；（2）掌握主存儲器的技術指標、基本結構和基本操作；（3）理解半導體存儲器的基本組成和工作原理；（4）掌握主存儲器組織；（5）掌握CACHE的功能、基本原理、地址映像（直接映像方式）和替換策略；（6）掌握多體交叉存儲器的基本原理及地址交叉方法。2.4.3重難點分析重點：緩存-

48、主存及主存-輔存結構的特點、讀寫時序、存儲器字位擴展時與CPU的連接方式、Cache的原理和地址映像方法、多體并行系統的高位交叉編址的多體存儲器和低位交叉編址的多體存儲器的存儲原理、編址方式以及對存儲帶寬的影響。難點：靜態RAM的讀寫時序、動態RAM的刷新原理以及Cache的地址映像方法。2.4.4案例（1）RAM和ROM的讀寫時序案例：靜態RAM (SRAM)：Intel2114外特性、Intel2114 RAM矩陣、靜態RAM (2114)讀寫時序；動態RAM芯片：三管動態RAM芯片(Intel 1103)讀寫、單管動態RAM 4116外特性、4116芯片讀寫原理；（2）存儲器組織案例：通

49、過位并聯法和地址串聯法實現小容量的存儲芯片構成大容量的存儲空間。（3）Cache地址映像案例：直接映像和全相聯映像方式下，CPU與Cache和主存的連接方式和訪問方式。2.4.5教學方法和手段（1）結合多媒體資源，形象地演示存儲器的結構和訪存過程，幫助學生理解存儲器的工作原理。（2）結合案例教學，通過讀寫時序案例、存儲器組織案例、Cache地址映像案例從理論到實踐，由簡入難的遞進理解基本原理，并掌握實際設計方法。（3）結合實驗教學，通過存儲器擴展實驗提高實際動手能力，掌握實踐技能。（4）采用混合式教學，充分利用數字化教學資源包括文本、電子課件、視頻等幫助學生提高自學習能力，加深對于相關知識點的

50、理解。2.4.6小結本章主要講授存儲器的分類和分級結構、主存儲器的技術指標、基本結構和基本操作、半導體存儲器的基本組成和工作原理、主存儲器組織、CACHE的功能、基本原理、地址映像（直接映像方式）和替換策略、多體交叉存儲器的基本原理及地址交叉方法等。2.4.7作業配合知識點（緩存-主存及主存-輔存結構的特點、靜態RAM的讀寫時序、存儲器字位擴展時與CPU的連接方式、Cache的原理和地址映射方法等）完成配套教材習題。習題：第4章題1、3、5、6、7、9、11、14、15、16、23、24、28、29、31。2.5 第五章輸入輸出系統教學設計2.5.1教學內容介紹輸入輸出是計算機中的重要組成部件

51、，它提供了人與計算機的交互的接口。本章主要內容是計算機輸入輸出系統的硬件工作原理和軟件設計思路。首先介紹了輸入輸出系統的概念和組成，I/O設備和主機的信息傳輸與控制方式；在此基礎上對查詢方式、中斷方式和DMA方式的硬件組成和接口的數據傳輸控制過程進行了討論，重點針對中斷的概念、中斷排隊、中斷入口地址的形成、中斷系統的分級和中斷的屏蔽技術進行了講解。2.5.2教學目的本章教學的目的是通過對輸入輸出系統的介紹，使學生掌握計算機中信息交互過程中的控制方式以及硬件接口電路的工作原理。具體要求為：（1）理解輸入輸出系統的概念和組成，I/O設備和主機的信息傳輸與控制方式；（2）掌握程序查詢方式的工作流程和

52、查詢接口電路的工作原理；（3）掌握中斷的基本概念、中斷排隊、中斷向量地址的形成方法；（4）掌握中斷接口電路的工作原理和數據傳輸過程；（5）掌握中斷系統的構成與中斷屏蔽技術；（6）理解DMA方式的特點、DMA的工作過程和DMA接口的功能與組成。2.5.3重難點分析重點：程序查詢方式的工作流程和查詢接口電路的工作原理，中斷的基本概念、中斷排隊、中斷向量地址的形成方法，中斷接口電路的工作原理和數據傳輸過程，中斷屏蔽技術，DMA控制數據傳輸特點等。難點：中斷向量地址的形成方法，中斷接口電路的工作原理和中斷屏蔽技術。2.5.4案例（1）查詢接口案例：說明在程序查詢方式下，查詢接口如何完成數據的交換。（2

53、）中斷向量地址的形成案例：通過中斷排隊電路、中斷向量地址形成部件和中斷向量表完成進入中斷服務程序的方法。（3）中斷接口案例：通過中斷接口電路輸入數據的工作過程，描述了當中斷發生時，外設的數據如何通過中斷接口電路進入到CPU的全過程。（4）中斷屏蔽技術案例：通過屏蔽技術來改變中斷源的優先級，從而改變CPU的運行軌跡。（5）DMA接口案例：通過多路外設（磁盤、磁帶、打印機）申請DMA請求，描述多路型 DMA 接口的工作原理。2.5.5教學方法和手段1，結合多媒體資源，形象地演示中斷入口地址的形成過程和進入中斷服務程序的方法，幫助學生理解中斷的過程和中斷接口的工作原理。2，結合案例教學，通過查詢接口案例、中斷向量地址的形成案例、中斷接口案例、中斷屏蔽技術案例、DMA接口案例，描述計算機輸入輸出接口的工作原理和數據空是方法。3，結合實驗教學，通過中斷實驗加深了對中斷接口工作原理的認識，提高實際動手能力，掌握實踐技能。4，采用混合式教學，充分利用數字化教學資源包括文本、電子課件、視頻等幫助學生提高自學習能力，加深對于相關知識點的理解。2.5.6小結本章主要講授了計算機輸入輸出系統的硬件工作原理和軟件設計思路。包括輸入輸出系統的概念和組成，I/O設備和主機的信息傳輸與控制方式；查詢方式、中斷方式和DMA方式的硬件組成和接口的數據傳輸控制過程，中斷的概念