1、計算機組成原理Principles of Computer Composition一、課程基本情況課程類別：學科基礎課課程學分：4學分課程總學時：64學時，其中講課：48學時，實驗：16學時課程性質(zhì)：必修開課學期：第5學期先修課程：計算機導論、電子技術基礎適用專業(yè)：計算機科學與技術、軟件工程、網(wǎng)絡工程教 材：計算機組成原理（第三版），華中科技大學出版社，薛勝軍，2010.3。開課單位：計算機與軟件學院二、課程性質(zhì)、教學目標和任務本課程是計算機專業(yè)的核心專業(yè)基礎課程，在計算機專業(yè)的各門課程中起著承上啟下的重要作用。通過本課程的學習，使學生理解單處理器計算機系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及

2、相互連接方式，具有完整的計算機系統(tǒng)的整機概念。同時理解計算機系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識和基本實現(xiàn)方法。并能夠運用計算機組成的基本原理和基本方法，對有關計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行計算、分析，并能對一些基本部件進行簡單設計。學生通過本課程的學習，還可以培養(yǎng)學生從形象思維向抽象思維過渡，掌握自頂向下分析和解決問題的能力，為后續(xù)課程的學習及畢業(yè)后從事計算機開發(fā)應用和科研工作打下基礎。三、教學內(nèi)容和要求第一章 概述（2學時）1.1計算機的發(fā)展及系統(tǒng)組成（1.5學時）（1）了解計算機的發(fā)展歷史。（2）熟悉傳統(tǒng)上將運算器和控制器稱為CPU，而將CPU

3、和存儲器稱為主機。存儲程序并按地址順序執(zhí)行，這是馮諾依曼型計算機的工作原理，也是計算機自動化工作的關鍵。（3）理解計算機系統(tǒng)是一個由硬件、軟件組成的多級層次結(jié)構(gòu)，它通常由微程序級、一般機器級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級、高級語言級組成，每一級上都能進行程序設計，且得到下面各級的支持；理解計算機系統(tǒng)是一個由硬件、軟件組成的多級層次結(jié)構(gòu)，它通常由微程序級、一般機器級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級、高級語言級組成，每一級上都能進行程序設計，且得到下面各級的支持；（4）掌握計算機的硬件是由有形的電子器件等構(gòu)成的，它包括運算器、存儲器、控制器、適配器、輸入輸出設備；掌握計算機的軟件是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，

4、也是計算機不同于一般電子設備的本質(zhì)所在。計算機軟件一般分為系統(tǒng)程序和應用程序兩大類。系統(tǒng)程序用來簡化程序設計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能和用途，它包括：各種服務程序、語言類程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。應用程序是針對某一應用課題領域開發(fā)的軟件；1.2計算機的特點、性能指標及分類（0.5學時）（1）了解電子數(shù)字計算機，它分為專用計算機和通用計算機兩大類。專用和通用是根據(jù)計算機的效率、速度、價格、運行的經(jīng)濟性和適應性來劃分的；了解通用計算機又分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機、單片機六類，其結(jié)構(gòu)復雜性、性能、價格、依次遞減；了解計算機的生命在于它的廣泛應用

5、，應用的范圍幾乎涉及人類社會的所有領域。歸納起來，在科學計算、自動控制、測量與測試、信息處理、教育衛(wèi)生、家庭電器、人工智能等領域的應用成就最為突出；了解計算機的特點；了解多媒體計算機；（2）熟悉計算機性能指標；1.3多媒體技術簡介（自學）（1）了解多媒體技術要解決的主要問題重點：計算機的硬件組成，馮諾依曼型計算機的工作原理，計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)難點：馮諾依曼型計算機的工作原理第二章 運算方法與運算器（8學時）2.1數(shù)據(jù)信息的表示方法及定點加減法運算（2學時）（1）了解字符信息屬于符號數(shù)據(jù)，是處理非數(shù)值領域的問題。國際上采用的字符系統(tǒng)是七單位的ASCII碼；了解直接采用西文標準鍵盤輸入漢字，

6、進行處理，并顯示打印漢字的過程；了解定點運算器和浮點運算器的結(jié)構(gòu)復雜程度有所不同。早期微型機中浮點運算器放在CPU芯片外，隨著高密度集成電路技術的發(fā)展，現(xiàn)已移至CPU內(nèi)部（2）掌握一個定點數(shù)由符號位和數(shù)值域兩部分組成。按小數(shù)點位置不同，定點數(shù)有純小數(shù)和純正數(shù)兩種表示方法；掌握按 IEEE754標準，一個浮點數(shù)由符號位、階碼、尾數(shù)三個域組成。其中階碼的值等于指數(shù)的真值加上一個固定偏移值；掌握為了計算機能直接處理十進制形式的數(shù)據(jù)，采用兩種表示形式：其中字符串形式，主要用在非數(shù)值計算的應用領域，壓縮的十進制數(shù)串形式，用于直接完成十進制數(shù)的算術運算；掌握數(shù)的真值變成機器碼時有四種表示方法：原碼表示法，

7、反碼表示法，補碼表示法，移碼表示碼。其中移碼主要用于表示浮點數(shù)的階碼，以利于比較兩個指數(shù)的大小和對階操作；2.2定點加減乘除法的運算（4學時）（1）掌握定點數(shù)的位移運算；原碼定點數(shù)的加/減運算；補碼定點數(shù)的加/減運算；定點數(shù)的乘/除運算；溢出概念和判別方法；2.3定點運算器的組成與結(jié)構(gòu)（1學時）（1）了解運算器的基本結(jié)構(gòu)和設計方法，了解芯片功能；（2）理解為運算器構(gòu)造的簡單性，運算方法中算術運算通常采用補碼加、減法，原碼乘除法或補碼乘除法。為了運算器的高速性和控制的簡單性，采用了先行進位、陣列乘除法、流水線等并行技術措施；2.4浮點運算方法和浮點運算器（1學時）（1）熟悉算術移位規(guī)則與舍入規(guī)則

8、；熟悉尾數(shù)的規(guī)格化；浮點數(shù)的表示范圍；浮點數(shù)的運算步驟；重點：定點數(shù)的表示與加減乘除運算，運算中的相應規(guī)則難點：定點數(shù)的表示，定點數(shù)的加法運算第三章 存儲器及存儲系統(tǒng)（12學時）3.1存儲器概述（0.5學時）熟悉存儲器的分類；存儲器的層次化結(jié)構(gòu) ；3.2 主存儲器及半導體存儲器芯片（5.5學時）（1）了解對存儲器的要求是容量大、速度快、成本低。為了解決了這三方面的矛盾，計算機采用多級存儲體系結(jié)構(gòu)，即cache、主存和外存。CPU能直接訪問內(nèi)存(cache、主存)，但不能直接訪問外存；了解存儲器的技術指標存儲容量、存取時間、存儲周期、存儲器帶寬；了解cache是一種高速緩沖存儲器，是為了解決CP

9、U和主存之間速度不匹配而采用的一項重要的硬件技術，并且發(fā)展為多級cache體系，指令cache與數(shù)據(jù)cache分設體系 。要求cache的命中率接近于1；了解按照主存-外存層次的信息傳送單位不同，虛擬存儲器有頁式、段式、段頁式三類；（2）理解廣泛使用的SRAM和DRAM都是半導體隨機讀寫存儲器，前者速度比后者快， 但集成度不如后者高。二者的優(yōu)點是體積小，可靠性高，價格低廉，缺點是斷電后不能保存信息；理解只讀存儲器和閃速存儲器正好彌補了SRAM和DRAM的缺點，即使斷電也仍然保存原先寫入的數(shù)據(jù)。特別是閃速存儲器能提供高性能、低功耗、高可靠性以及瞬時啟動能力，因而有可能使現(xiàn)有的存儲器體系結(jié)構(gòu)發(fā)生重

10、大變化；理解雙端口存儲器和多模塊交叉存儲器屬于并行存儲器。前者采用空間并行技術，后者采用時間并行技術；（3）掌握SRAM存儲器的工作原理；DRAM存儲器的工作原理；動態(tài)存儲器的刷新；主存儲器與CPU的連接；雙口RAM和多模塊存儲器；Cache的基本工作原理； Cache中主存塊的替換算法；Cache寫策略；3.3 主存儲器組織（4學時）（1）理解虛擬存儲器的基本概念；頁式虛擬存儲器 ；段式虛擬存儲器；段頁式虛擬存儲器；TLB（快表）；虛擬存儲器的工作過程；（2）掌握相聯(lián)存儲器不是按地址而是按內(nèi)容訪問的存儲器，在cache中用來存放行地址表，在虛擬存儲器中用來存放段表、頁表和快表。在這兩種應用中

11、，都需要快速查找；掌握主存與cache的地址映射有全相聯(lián)、直接、組相聯(lián) 三種方式。其中組相聯(lián)方式是前二者的折衷，適度兼顧了二者的優(yōu)點又盡量避免其缺點，從靈活性、命中率、硬件投資來說較為理想，因而得到了普遍采用；掌握虛擬存儲器指的是主存-外存層次，它給用戶提供了一個比實際主存空間大得多的虛擬地址空間。因此虛擬存儲器只是一個容量非常大的存儲器的邏輯模型，不是任何實際的物理存儲器；3.4存儲保護和校驗技術（2學時）（1）了解當多個用戶共享主存時，系統(tǒng)應提供存儲保護。通常采用的方法是存儲區(qū)域保護和訪問方式保護，并用硬件來實現(xiàn)。有些機器中提供特權(quán)指令來實現(xiàn)某種保護；（2）掌握奇偶校驗編碼；掌握常用的糾錯

12、碼中的海明碼和循環(huán)碼的編碼和糾錯能力；重點：存儲器的分類，存儲器的層次化結(jié)構(gòu)，存儲器的組成與工作原理，存儲器地址映射方式，校驗編碼與糾錯碼，多級存儲體系結(jié)構(gòu)難點：存儲器的分類，存儲器的層次化結(jié)構(gòu)，存儲器的組成與工作原理，存儲器地址映射方式，校驗編碼與糾錯碼，多級存儲體系結(jié)構(gòu)第四章 指令系統(tǒng)（6學時）4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能（1學時）（1）了解一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也影響到系統(tǒng)軟件；了解不同機器有不同的指令系統(tǒng)。一個較完善的指令系統(tǒng)應當包含數(shù)據(jù)傳送類指令、算術運算類指令、

13、邏輯運算類指令、程序控制類指令、I/O類指令、字符串類指令、系統(tǒng)控制類指令；4.2指令格式（2學時）（1）熟悉指令的基本格式、定長操作碼指令格式、擴展操作碼指令格式；（2）掌握指令格式是指令字用二進制代碼表示的結(jié)構(gòu)形式，通常由操作碼字段和地址碼字段組成。操作碼字段表征指令的操作特性與功能，而地址碼字段指示操作數(shù)的地址。目前多采用二地址、單地址、零地址混合方式的指令格式；掌握指令字長度分為：單字長、半字長、雙字長三種形式。高檔微型機中目前多采用32位長度的單字長形式；掌握堆棧是一種特殊的數(shù)據(jù)尋址方式，采用“先進后出”原理。按結(jié)構(gòu)不同，分為寄存器堆棧和存儲器堆棧；4.3尋址方式（2學時）（1）熟悉

14、基本尋址技術及其工作原理，各種尋址方式中操作數(shù)有效地址的形成規(guī)律，各種尋址方式下的指令特點分析；（2）理解有效地址的概念；理解形成指令地址的方式，稱為指令尋址方式。有順序?qū)ぶ泛吞S尋址兩種，由指令計數(shù)器來跟蹤。形成操作數(shù)地址的方式，稱為數(shù)據(jù)尋址方式。操作數(shù)可放在專用寄存器、通用寄存器、內(nèi)存和指令中。數(shù)據(jù)尋址方式有隱含尋址、立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、相對尋址、基址尋址、變址尋址、塊尋址、段尋址等多種。按操作數(shù)的物理位置不同，有RR型和RS型。前者比后者執(zhí)行的速度快；4.4指令系統(tǒng)的要求與指令分類（1學時）（1）了解RISC指令系統(tǒng)是CISC指令系統(tǒng)的改進，它的最大

15、特點其一是指令條數(shù)少；其二是指令長度固定，指令格式和尋址種類少；其三是只有取數(shù)存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令的操作均在寄存器之間進行；重點：指令格式，基本尋址技術及其工作原理難點：指令格式，有效地址，尋址技術及其工作原理第五章 中央處理器（12學時）5.1 CPU的總體結(jié)構(gòu)（1學時）（1）了解CPU是計算機的中央處理部件，具有指令控制、操作控制、時間控制、數(shù)據(jù)加工等基本功能；了解早期的CPU由運算器和控制器兩大部分組成。隨著高密度集成電路技術的發(fā)展，當今的CPU芯片變成運算器、cache和控制器三大部分，其中還包括浮點運算器、存儲管理部件等。CPU至少要有如下六類寄存器：指令寄存器、程序計數(shù)器、

16、地址寄存器、緩沖寄存器、通用寄存器、狀態(tài)條件寄存器。；（2）熟悉CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)；指令執(zhí)行過程；數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)；5.2 指令的執(zhí)行與時序產(chǎn)生器（4學時）（1）了解與時序有關的實現(xiàn)電路的設計、改錯、分析、描述，對微指令集合的確定；（2）理解時序信號產(chǎn)生器提供CPU周期(也稱機器周期)所需的時序信號。操作控制器利用這些時序信號進行定時，有條不紊地取出一條指令并執(zhí)行這條指令；理解不論微型機還是巨型機，并行處理技術已成為計算機技術發(fā)展的主流。并行處理技術可貫穿于信息加工的各個步驟和階段。概括起來，主要有三種形式：(1)時間并行，(2)空間并行， (3)時間并行+空間并行；（3）掌握CP

17、U從存儲器取出一條指令并執(zhí)行這條指令的時間和稱為指令周期。由于各種指令的操作功能不同，各種指令的指令周期是不盡相同的。劃分指令周期，是設計操作控制器的重要依據(jù)；5.3 微程序設計技術和微程序控制器（4學時）（1）熟悉微程序、微指令和微命令；微指令的編碼方式；微地址的形成方式；CPU周期與微指令周期的關系；機器指令與微指令的關系；用方框圖語言表示指令周期；微程序控制器原理框圖（2）掌握微程序設計技術是利用軟件方法設計操作控制器的一門技術，具有規(guī)整性、靈活性、可維護性等一系列優(yōu)點，因而在計算機設計中得到了廣泛應用，并取代了早期采用的硬布線控制器設計技術。但是隨著VLSI技術的發(fā)展和對機器速度的要求

18、，5.4 硬布線控制器與門陣列控制器（2學時）（1）熟悉硬布線控制器的功能和工作原理5.5 CPU的新技術（1學時）（1）了解指令流水線的基本概念；超標量和動態(tài)流水線的基本概念；了解流水技術中的主要問題是資源相關、數(shù)據(jù)相關和控制相關，為此需要采取相應的技術對策，才能保證流水線暢通而不斷流（2）掌握流水CPU是以時間并行性為原理構(gòu)造的處理器，是一種非常經(jīng)濟而實用的并行技術。目前的高性能微處理器幾乎無一例外地使用了流水技術；重點：微程序設計技術，硬布線控制器的基本思想，CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)，微指令周期難點：微程序設計技術，CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)，微指令周期第六章 系統(tǒng)總線（2學時）6.1系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)（0.5學時）（1）熟悉總線的連接方式單總線結(jié)構(gòu)、雙總線結(jié)構(gòu)、三總線結(jié)構(gòu)；（2）理解總線結(jié)構(gòu)對計算機系統(tǒng)性能的影響；總線的性能指標；1）掌握總線基本概念及總線標準化；掌握信息傳送的方式；6.2總線