1、山西農(nóng)業(yè)大學2014 2015 學年 第 一 學期學院名稱軟件學院課程名稱計算機組成原理課程性質(zhì)專業(yè)必修課授課對象軟件 1301-1306授課教師郝王麗職稱助教使用教材計算機組成原理 （第 2 版） 高等教育出版社 唐朔飛 編著授課時數(shù)642014年 8 月 25 日教案課程名稱計算機組成原理課程編號總學時： 64講課： 64 學時 實驗： 0 學時 實習： 0 學時學分數(shù)4課型專業(yè)基礎(chǔ)必修課任課教師郝王麗職稱助教授課對象軟件 1301-1306基本教材 和主要參 考資料使用教材：計算機組成原理 （第 2 版），唐朔飛 編著，高等教育出版社 參考資料：1 計算機組成原理 ，白中英編著，科學出版

2、社， 2000.12 計算機組成原理 ，張新榮，李雪威，于瑞國著，機械工業(yè)出版社， 2009.33 計算機組成原理 （第 2 版），羅克露，俸志剛編著，電子工業(yè)出版社， 2010.24 電子計算機組成原理 , 蔣本珊著，北京理工大學出版社， 2004.85 計算機組成原理 （第 2 版），蔣本珊編著，清華大學出版社， 2008.96 John L. Hennessy and David A. Patterson, "Computer organization and design, the hardware/software interface", Morgan Kaufm

3、ann, Second Edition, 19987 Patterson and Hennessy, "Computer Organization & Design: the Hardware/Software Interface （2nd edition）",Morgan Kaufmann Publishers.教學目的 和要求計算機組成原理 是軟件工程專業(yè)本科教學中的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課， 是計算 機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 、操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用等課程的先驅(qū)課程。在計算機、 網(wǎng)絡(luò)工程和軟件工程等專業(yè)的教學計劃中占有重要地位和作用。學習本課程旨在使學生掌握運算器、控制器

4、、存儲器的構(gòu)成原理、指令流程、組 合邏輯控制、微程序控制、 I/O 控制等內(nèi)容；了解數(shù)據(jù)信息的表示、運算方法與各類半 導(dǎo)體存儲器、輔助存儲器，為更深入地學習后繼課程打下基礎(chǔ)。教學重點、 難點了解： 計算機的軟硬件概念， 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)， 計算機的發(fā)展史，總線概念 及分類， RISC 技術(shù)， CPU 的功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，微操作命令的分析，微程序設(shè)計。理解：計算機的工作過程， 總線特性及性能指標， 靜態(tài)和動態(tài) RAM 、ROM 、Cache， I/O 設(shè)備與主機的聯(lián)系方式和信息傳送控制方式，組合邏輯設(shè)計。掌握： 馮諾依曼計算機的特點，總線結(jié)構(gòu)，存儲器的分類和層次結(jié)構(gòu)， I/O 接口 的功能和組

5、成及類型， 機器指令的一般格式及其在存儲器中的存放方式， 機器指令中的 尋址方式。熟練掌握 ：計算機硬件的主要技術(shù)指標，總線的判優(yōu)控制和通信控制，Cache-主存地址映射及替換策略， 主機與 I/O 交換的三種控制方式， 計算機的運算方法， 指令周期， 指令流水及多發(fā)技術(shù)，中斷系統(tǒng)的處理過程，控制單元的功能。教學方式電子講義為主 ：概念和原理、程序及說明； 教材為輔 。 通過典型例題講授基本概念和原理授課時間 20142015 學年第一學期教案編寫時間 2014 年 8 月教學進程章序講課時數(shù)實驗時數(shù)共計時數(shù)第 1 章 計算機系統(tǒng)概述22第 2 章 計算機的發(fā)展及應(yīng)用22第 3 章 系統(tǒng)總線6

6、6第 4 章 存儲器66第 5 章 輸入輸出系統(tǒng)88第 6 章 計算機的運算方法1010第 7 章 指令系統(tǒng)88第 8 章 CPU 的結(jié)構(gòu)和功能1010第 9 章 控制單元的功能66第 10 章控制單元的設(shè)計66總計64064備注：該課程在講授期間，結(jié)合實例進行分析，所 以對應(yīng)的課時安排中需要靈活安排，具體放在哪次 課中，根據(jù)學生的實際接受情 況而定。教案 1第 1 次課 2 學 時課目、課題第一章 計算機系統(tǒng)概論教學目的 和要求教學目的： 使學生對計算機的基本組成有個大概的認知， 為以后各個部分具體的知識講 解奠定基礎(chǔ)。教學要求： 要求學生掌握計算機軟硬件的概念， 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)， 了

7、解計算機組 成和計算機體系結(jié)構(gòu)，掌握馮 .諾依曼計算機的特點，熟悉計算機的硬件框圖，了解計 算機的工作步驟。掌握計算機硬件主要技術(shù)指標的原理及運算方法。重點 難點重點：計算機軟硬件的概念 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 馮.諾依曼計算機的特點 計算機硬件的主要技術(shù)指標 難點：計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機硬件主要技術(shù)指標的運算方法教學進程教學內(nèi)容輔助手段教學方法時間分配計算機軟硬件的概念多媒體講授法5min計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)多媒體講授法 舉例法15min計算機組成和體系結(jié)構(gòu)多媒體講授法 舉例法10min馮.諾依曼計算機特點多媒體講授法 舉例法15min計算機的硬件框圖多媒體講授法 舉例法5min計算機解決

8、問題上機前的準確多媒體講授法 舉例法5min計算機解決問題上機運行多媒體講授法25min計算機的硬件指標多媒體講授法15min小結(jié)多媒體講授法5min作業(yè)布置1.3，1.4，1.5，1.7， 1.11， 1.12主要 參考資料計算機系統(tǒng)概論 ， Yale N. Patt, Sanjay J. Patel 主編，梁阿磊等譯，機械工業(yè)出版社PPT+ 講解+ 實例1.1 計算機系統(tǒng)簡介 1、計算機的軟硬件概念 計算機系統(tǒng)由軟件和硬件兩大部分組成。 硬件指計算機的實體部分。 軟件是具有各類特殊功能的程序。 軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 系統(tǒng)軟件的作用是管理整個計算機系統(tǒng)， 監(jiān)視服務(wù)， 使系統(tǒng) 資源得到

9、合理調(diào)度，高效運行。應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)需要所編寫的程序。2. 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 微程序機器 M0 （微指令系統(tǒng)） 傳統(tǒng)機器 M1 （機器語言機器） 操作系統(tǒng) M2 虛擬機器 M3 （匯編語言機器） 虛擬機器 M4 （高級語言機器）3. 計算機組成和計算機體系結(jié)構(gòu)的區(qū)別 結(jié)構(gòu)是程序員所能看到的計算機系統(tǒng)的屬性， 如指令集、 數(shù)據(jù) 類型、存儲器尋址技術(shù)、 I/O 處理。組成是如何實現(xiàn)這些屬性。1.2 計算機的基本組成1. 馮.諾依曼計算機的特點2. 計算機的硬件框圖3. 計算機的工作步驟 上機前準備建立模型 確定計算方法 編寫程序上機運行1.3 計算機硬件指標機器字長CPU 一次能處理的信息的

10、位數(shù)，通常與 CPU 內(nèi)寄存器的位 數(shù)有關(guān)。各種 語 言 的例子存儲容量主存容量 =存儲字長*存儲單元個數(shù) 賦存容量運算速度1.4 本書結(jié)構(gòu) 本書分四篇： 第一篇：計算機系統(tǒng)概論 第二篇：計算機的組成，包括 CPU，存儲器， I/O 以及連接 它們的系統(tǒng)總線。第三篇： CPU 第四篇：控制單元 自頂向下，由表及里的層次結(jié)構(gòu)， 向讀者戰(zhàn)士計算機的組成 及其工作原理。課后自我總結(jié)分析教案 3第 3 次課 2 學 時課目、課題第三章 系統(tǒng)總線教學目的 和要求教學目的：要求學生能對系統(tǒng)總線在計算機硬件結(jié)構(gòu)中的地位和作用有所了解 教學要求：要求學生掌握總線概念，總線作用，總線連接部件的方式（兩種） ；掌

11、 握總線的分類：片內(nèi)總線，系統(tǒng)總線，通信總線。掌握總線的特性，性能指標，總線標 準的概念，了解各個標準總線。重點 難點重點： 總線的作用，概念，連接各部件的方式 總線的分類：片內(nèi)總線，系統(tǒng)總線，通信總線 總線的特性及性能指標難點： 總線中的系統(tǒng)總線教學進程教學內(nèi)容輔助手段教學方法時間分配總線的作用及概念多媒體講授法10min各部件之間的互聯(lián)方式多媒體講授法 舉例法25min總線的分類：片內(nèi)總線多媒體講授法 舉例法5min總線的分類：系統(tǒng)總線多媒體講授法 舉例法15min總線的分類：通信總線多媒體講授法 舉例法5min總線的功能多媒體講授法 舉例法20min總線的性能指標多媒體講授法 舉例法10

12、min總線標準多媒體講授法 舉例法5min小結(jié)多媒體講授法5min作業(yè)布置3.1, 3.2, 3.5, 3.10, 3.13, 3.14主要 參考資料計算機系統(tǒng)概論 ， Yale N. Patt, Sanjay J. Patel 主編，梁阿磊等譯，機械工業(yè)出版社課后自我總 結(jié)分析上來直接分析這三種組合邏輯的電路圖， 讓學生有些疑惑， 下次應(yīng)先介紹背景， 再 分析電路圖，再寫真值表。教案 8第 8 次課 2 學 時課目、課題第三章 存儲單元教學目的 和要求講授計算機中 N 型和 P-型 MOS 晶體管的基本原理以及由它們組成的邏輯門， 邏輯 結(jié)構(gòu)。通過本章的學習，使同學們理解N 型和 P-型 M

13、OS 晶體管的基本原理，掌握由 P型和 N 型 MOS 晶體管如何組成邏輯門，包括非門、或門、或非門、與門和與非門。掌 握兩種邏輯結(jié)構(gòu)， 組合邏輯結(jié)構(gòu)和存儲單元。 掌握如何由組合邏輯與存儲單元構(gòu)成時序 邏輯電路。 掌握有限狀態(tài)機。 最后， 使同學們會看電路圖， 以及根據(jù)真值表會畫電路圖。重點 難點重點： R-S鎖存器的三種狀態(tài)，門控 D 鎖存器，由門控 D 鎖存器組成的寄存器及內(nèi)存。 難點：由門控 D 鎖存器組成的內(nèi)存的讀寫和存取。教學進程教學內(nèi)容輔助手段教學方法時間分配R-S 鎖存器的簡介多媒體講授法5minR-S 鎖存器三種有效狀態(tài)多媒體講授法 舉例法5min門控 D 鎖存器的簡介多媒體講

14、授法 舉例法20min門控 D 鎖存器的兩種狀態(tài)，寫和讀多媒體講授法 舉例法5min寄存器的簡介多媒體講授法 舉例法5min寄存器的寫多媒體講授法 舉例法20min寄存器的讀取多媒體講授法 舉例法5min內(nèi)存的簡介多媒體講授法5min內(nèi)存的寫與讀取多媒體講授法25min小結(jié)多媒體講授法5min作業(yè)布置23,27主要 參考資料計算機系統(tǒng)概論 ， Yale N. Patt, Sanjay J. Patel 主編，梁阿磊等譯，機械工業(yè)出版社課后自我總 結(jié)分析只分析了 R-S 鎖存器和門控 D 鎖存器的電路圖，沒有介紹它們的區(qū)別，下次課復(fù) 習的時候加上。教案 9第 9 次 課 2 學時課目、課題第三章

15、 時序邏輯電路教學目的 和要求講授計算機中 N 型和 P-型 MOS 晶體管的基本原理以及由它們組成的邏輯門， 邏輯 結(jié)構(gòu)。通過本章的學習，使同學們理解N 型和 P-型 MOS 晶體管的基本原理，掌握由 P型和 N 型 MOS 晶體管如何組成邏輯門，包括非門、或門、或非門、與門和與非門。掌 握兩種邏輯結(jié)構(gòu)， 組合邏輯結(jié)構(gòu)和存儲單元。 掌握如何由組合邏輯與存儲單元構(gòu)成時序 邏輯電路。 掌握有限狀態(tài)機。 最后， 使同學們會看電路圖， 以及根據(jù)真值表會畫電路圖。重點 難點重點：時序邏輯電路和組合邏輯電路的區(qū)別，組合鎖，密碼鎖，有限狀態(tài)機，狀態(tài)圖。 難點：時序鎖的狀態(tài)圖，交通燈的狀態(tài)圖。教學進程教學內(nèi)

16、容輔助手段教學方法時間分配時序邏輯電路的簡介多媒體講授法5min時序邏輯電路的組成多媒體講授法 舉例法15min時序邏輯電路和組合邏輯電路區(qū)別多媒體講授法 舉例法10min組合鎖和密碼鎖多媒體講授法 舉例法5min有限狀態(tài)機多媒體講授法 舉例法15min狀態(tài)圖多媒體講授法 舉例法10min時鐘多媒體講授法 舉例法5min時序鎖的狀態(tài)圖多媒體講授法5min交通燈的狀態(tài)圖和電路圖多媒體講授法25min小結(jié)多媒體講授法5min作業(yè)布置28,30,31,34主要 參考資料計算機系統(tǒng)概論 ， Yale N. Patt, Sanjay J. Patel 主編，梁阿磊等譯，機械工業(yè)出版社課后自我總 結(jié)分析基

17、本講述清楚，下次在有限狀態(tài)機的概念及表示上多用一些時間。教案 10第 10 次 課 2 學 時課目、課題第四章 馮 .諾依曼模型教學目的 和要求講授馮諾依曼模型的五個重要組成部分： 輸入設(shè)備，內(nèi)存，處理器，控制器和輸出 設(shè)備； LC-3 相應(yīng)的五個組成部分；計算機的執(zhí)行單元指令，指令周期的六個節(jié)拍：取 指令，譯碼，地址計算，取操作數(shù)，執(zhí)行，存儲結(jié)果。重點 難點重點：馮諾曼模型的五個組成部分，內(nèi)存的兩個接口( MAR,MDR )，處理器和控制器 的組成部分及控制器的工作原理， LC-3 的五個組成部分，指令周期。 難點：控制器的工作原理，指令周期。教學進程教學內(nèi)容輔助手段教學方法時間分配復(fù)習上節(jié)

18、課內(nèi)容多媒體講授法5min馮.諾依曼模型多媒體講授法 舉例法15min輸入設(shè)備和輸出設(shè)備多媒體講授法 舉例法10min內(nèi)存的組成部分： MAR, MDR, 存儲單 元；內(nèi)存的讀寫步驟，尋址空間、能 力。多媒體講授法 舉例法25min處理器的組成部分：邏輯功能單元和臨時寄存器。多媒體講授法 舉例法20min控制單元的組成部分： IR 和 PC，以 及其工作原理。多媒體講授法 舉例法15minLC-3 的五個組成部分多媒體講授法 舉例法10min指令的概念及注意事項多媒體講授法10min作業(yè)布置4.3,4.5,4.8主要 參考資料計算機系統(tǒng)概論 ， Yale N. Patt, Sanjay J.

19、Patel 主編，梁阿磊等譯，機械工業(yè)出版社課后自我總 結(jié)分析該部分講述比較清楚， 下次讓學生自己介紹內(nèi)存單元的讀寫過程， 增強他們的理解。教案 11第 11 次 課 2 學 時課目、課題第四章 馮 .諾依曼模型教學目的 和要求講授馮諾依曼模型的五個重要組成部分： 輸入設(shè)備，內(nèi)存，處理器，控制器和輸出 設(shè)備； LC-3 相應(yīng)的五個組成部分；計算機的執(zhí)行單元指令，指令周期的六個節(jié)拍：取 指令，譯碼，地址計算，取操作數(shù)，執(zhí)行，存儲結(jié)果。重點 難點重點：馮諾曼模型的五個組成部分，內(nèi)存的兩個接口( MAR,MDR )，處理器和控制器 的組成部分及控制器的工作原理， LC-3 的五個組成部分，指令周期。

20、 難點：控制器的工作原理，指令周期。教學進程教學內(nèi)容輔助手段教學方法時間分配復(fù)習上節(jié)課內(nèi)容多媒體講授法5min指令的基本概念多媒體講授法 舉例法15min指令周期之取指令多媒體講授法 舉例法10min指令周期之譯碼多媒體講授法 舉例法25min指令周期之地址計算多媒體講授法 舉例法20min指令周期之取操作數(shù)多媒體講授法 舉例法15min指令周期之執(zhí)行及存儲結(jié)果多媒體講授法 舉例法10min如何停機多媒體講授法10min作業(yè)布置4.11， 4.13 ， 4.15主要 參考資料計算機系統(tǒng)概論 ， Yale N. Patt, Sanjay J. Patel 主編，梁阿磊等譯，機械工業(yè)出版社課后自我

21、總 結(jié)分析停機過程講的很倉促，下次放慢一些。教案 12第 12 次 課 2 學 時課目、課題第五章 LC-3 結(jié)構(gòu)教學目的 和要求通過本節(jié)課的學習，學生需要掌握ISA（指令集結(jié)構(gòu)）的概念及組成部分：內(nèi)存組織，寄存器和指令集，掌握指令集的組成部分：操作碼，數(shù)據(jù)類型和尋址模式。重點 難點重點： ISA 的概念，內(nèi)存和寄存器的組織形式，指令集的組成部分。 難點：指令集的數(shù)據(jù)類型和尋址模式。教學進程教學內(nèi)容輔助手段教學方法時間分配復(fù)習上節(jié)課內(nèi)容多媒體講授法15minISA 的概念多媒體講授法 舉例法5min內(nèi)存組織（尋址空間，尋址能力）多媒體講授法 舉例法20min寄存器（ LC-3 有 8 個通用寄

22、存器）多媒體講授法 舉例法15min指令集的操作碼多媒體講授法 舉例法20min指令集的數(shù)據(jù)類型（補碼）多媒體講授法 舉例法15min指令集的尋址模式的概念及作用多媒體講授法 舉例法10min指令集的尋址模式的分類（內(nèi)存，寄存器和立即數(shù)）多媒體講授法10min作業(yè)布置5.1,5.3,5.7,5.9主要 參考資料計算機系統(tǒng)概論 ， Yale N. Patt, Sanjay J. Patel 主編，梁阿磊等譯，機械工業(yè)出版社課后自我總 結(jié)分析指令集的數(shù)據(jù)類型都是補碼，下次將為什么是補碼詳細介紹一下，并再復(fù)習一下補 碼的表示方法。教案 13第 13 次 課 2 學 時課目、課題第五章 LC-3 結(jié)構(gòu)

23、教學目的 和要求通過本節(jié)課的學習， 使學生們掌握 LC-3 結(jié)構(gòu)三種操作指令的概念， 掌握運算指令， 數(shù)據(jù)遷移指令的步驟及作用。重點 難點重點： LC-3 結(jié)構(gòu)的運算指令和數(shù)據(jù)遷移指令。難點：ADD 與 AND 指令的兩種形式， Load 指令和 Store 指令的區(qū)別及它們的三種實現(xiàn) 方式。教學進程教學內(nèi)容輔助手段教學方法時間分配復(fù)習上節(jié)課內(nèi)容多媒體講授法5min運算指令 ADD 的兩種形式多媒體講授法 舉例法15min運算指令 AND 的兩種形式多媒體講授法 舉例法10min運算指令 NOT 的步驟多媒體講授法 舉例法5min數(shù)據(jù)遷移指令的類型（兩種）多媒體講授法 舉例法20min數(shù)據(jù)遷移

24、的 LD 和 ST 指令的步驟及 內(nèi)存運算方式（ PC+offset ）多媒體講授法 舉例法15min數(shù)據(jù)遷移的 LDI 和 STI 指令的步驟及 內(nèi)存運算方式 （ PC+offset 算得操作數(shù) 的地址的地址）多媒體講授法 舉例法10min數(shù)據(jù)遷移的 LDR 和 STR 指令的步驟 及內(nèi)存運算方式 （ PC+offset 算得操作 數(shù)的地址的地址）多媒體講授法 舉例法10min立即數(shù)尋址指令 LEA 與 LD 指令的區(qū) 別及操作步驟多媒體講授法 舉例法10min講授法小結(jié) 多媒體 舉例法 10min作業(yè)布置5.15, 5.17, 5.19主要 參考資料計算機系統(tǒng)概論 ， Yale N. Pa

25、tt, Sanjay J. Patel 主編，梁阿磊等譯，機械工業(yè)出版社課后自我總 結(jié)分析講述清楚，下次引領(lǐng)學生分析指令的結(jié)構(gòu)。教案 14第 14 次 課 2 學 時課目、課題第五章 LC-3 結(jié)構(gòu)教學目的 和要求通過本節(jié)課的學習，使學生們掌握 LC-3 結(jié)構(gòu)第三種指令控制指令的概念及分 類，掌握條件轉(zhuǎn)移指令的原理及跳轉(zhuǎn)方式， 掌握無條件跳轉(zhuǎn)指令的跳轉(zhuǎn)步驟， 了解 TRAP 指令通過陷入矢量來決定的三種代表性操作（輸入（x23），輸出 （x21） 及停機 （x25） ）。重點 難點重點：條件跳轉(zhuǎn)指令，無條件跳轉(zhuǎn)指令， TRAP 指令。 難點：條件碼和檢測碼的區(qū)別。教學進程教學內(nèi)容輔助手段教學方

26、法時間分配復(fù)習上節(jié)課內(nèi)容多媒體講授法5min條件碼的概念及設(shè)定依據(jù)多媒體講授法 舉例法15min條件碼和檢測碼的區(qū)別多媒體講授法 舉例法10min條件跳轉(zhuǎn)的方式（ BR 指令）多媒體講授法 舉例法25min無條件跳轉(zhuǎn)指令的跳轉(zhuǎn)步驟（ JMP）多媒體講授法 舉例法20minTRAP 指令的簡介多媒體講授法 舉例法15min陷入矢量的作用多媒體講授法 舉例法10min小結(jié)多媒體講授法10min作業(yè)布置5.21， 5.30主要 參考資料計算機系統(tǒng)概論 ， Yale N. Patt, Sanjay J. Patel 主編，梁阿磊等譯，機械工業(yè)出版社課后自我總 結(jié)分析條件碼和檢測碼的區(qū)別是重點難點， 這個知識點應(yīng)花一些時間并通過實例給學生講 清楚。教案 15第 15 次 課