教案-计算机组成原理

计算机组成原理教案（数字媒体专业）1教师姓名所在系、教研室出生年月职称学位课程名称计算机组成原理授课时数72教学目的通过本课程的学习，使学生掌握计算机与外部设备之间的接口技术与原理；了解计算机外部设备的基本结构与工作原理。并能够用课程中学到的知识，对计算机系统硬件进行初步设计、组装和调试。培养学生的竞争意识、合作意识以及逻辑想象能力。为学生以后学习微机原理，嵌入式等技术等相关专业课程打好基础，并使学生毕业后能胜任计算机、多媒体、自动化及电子工程等方面工作。课程性质必修讲授对象（专业、年级、班级）2第一章计算机系统概论内容简介：计算机系统的层次结构，冯·诺伊曼计算机的硬件结构和主要功能，计算机的工作步骤以及计算机的主要技术指标。教学目标：了解计算机系统的层次结构；了解冯·诺伊曼计算机的特点及硬件构成；理解计算机的工作步骤，了解计算机的主要技术指标的含义及其对计算机的影响。教学重点和难点：虚拟机的概念；计算机的硬件构成；计算机的工作步骤。教学媒体和教学方法：使用幻灯片在多媒体教室进行教学；教学中采用讲授与讨论相结合的方法。教学过程：一、计算机系统简介1．计算机的软硬件概念（1）硬件（2）软件（3）软硬件的关系2．计算机系统的层次结构3（1）虚拟机的概念（2）各层虚拟机及与真实机器的层次关系3．计算机的基本组成（1）冯·诺伊曼计算机的特点（2）计算机硬件结构，总线的构成。讨论、分析直连结构的问题，提出总线思想，并简单介绍总线结构。（3）计算机的工作步骤提出计算机解决问题的基本步骤计算机基本构成部件的介绍（运算器、存储器、控制器）以计算ax2+bx+c为例分析计算机工作的过程4．计算机的主要技术指标（1）机器字长计算机同时处理的二进制位机器字长与数据总线宽度、存储字长的关系（2）存储容量存储容量的单位主存容量辅存容量（3）运算速度几种计算运算速度的方法并对它们进行比较运算速度的表示单位4第二章计算机的发展及应用内容简介：计算机的发展史；计算机的应用领域；计算机的发展展望。教学目标：了解计算机的产生和发展以及发展思路；了解计算机的应用领域；了解计算机的发展趋势。教学重点和难点：计算机的应用领域。教学媒体和教学方法：使用幻灯片在多媒体教室进行教学；教学中采用讲授与讨论相结合的方法。教学过程：一、计算机的发展史1．计算机的产生和发展现代计算机的研究工作第一台电子计算机的产生计算机的发展阶段计算机的发展规律计算机的发展趋势2．微型计算机的出现和发展微型计算机的发展阶段5微型计算机的发展带来的工作、学习、生活方式的变化3．软件技术的兴起和发展软硬件的融合，简介嵌入式发展方向二、计算机的应用1．科学计算和数据处理通过ENIAC进行计算的一个案例，直观体会计算机的计算能力2．工业控制和实时控制3．网络技术应用4．虚拟现实介绍虚拟现实技术的一些应用5．办公自动化和管理信息系统6．多媒体技术7．人工智能三、计算机发展的展望6第三章系统总线内容简介：总线的概念；总线的分类；总线的特性和性能指标；总线结构；总线控制。教学目标：理解总线的概念；了解总线的分类；了解总线的结构及几种常用总线结构；掌握总线的判优控制机制和通信控制过程。教学重点和难点：总线的判优控制和通信控制。教学媒体和教学方法：使用幻灯片在多媒体教室进行教学；教学中采用讲授与讨论相结合的方法。教学过程：一、总线的基本概念1．分散连接结构的计算机分散连接结构的缺点：增删设备不方便扩展性差2．总线结构的计算机工作效率提高7要解决总线的使用冲突的问题二、总线的分类1．片内总线芯片内部的的总线，用于连接芯片内部的各部件，如CPU内部总线。2．系统总线根据传输信息的不同，分为三类：数据总线、地址总线、控制总线数据总线：传输数据，双向地址总线：传输地址，单向控制总线：传输控制信号和状态信息号，双向3．通信总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。远距离传输。三、总线特性及性能指标1．总线特性四个基本特性：机械特性电气特性功能特性时间特性2．总线性能指标8主要性能指标有：总线宽度总线带宽时钟同步/异步总线复用信号线数总线控制方式其他指标3．总线标准（1）总线标准的概念系统与模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面（2）介绍常见的总线标准简介ISA、MCA、EISA、VESA、STD、PCI、AGP、USB、IEEE1394四、总线结构1．单总线结构所有设备和部件都使用一组总线。优点：结构简单，便宜于扩充，成本低缺点：设备冲突成为瓶颈，系统带负载能力差适用：小型或微型计算机2．多总线结构不同的设备连接在几条总线上。几种多总线结构：9双总线结构三总线结构3．总线结构举例（1）举例传统微机总线结构VL-BUS总线结构PCI总线结构（2）总线分层的优点减少设备使用决线的冲突提高系统整体带负载能力五、总线控制1．为什么要进行总线控制？绘制一个用总线连接的局部示意图，分析数据传输的过程，明确控制在总线传输中的作用。2．判优控制（1）基本概念主设备、从设备、判优控制（2）链式查询方式原理：由响应信号决定使用总线的优先顺序。优点：电路简单缺点：判优速度慢（3）计数器定时查询10原理：由计数值决定响应哪个设备优点：电路较简单，有一定灵活性缺点：判优速度慢（4）独立请求方式原理：由判优电路决定优先顺序优点：判优速度快缺点：电路复杂，成本低2．通信控制（1）总线周期的4个阶段申请分配阶段寻址阶段传数阶段结束阶段（2）总线通信的4种方式同步通信外同步，内同步异步通信半同步通信分离式通信11第四章存储器内容简介：主存储器，高速缓冲存储器，辅助存储器。教学目标：理解主存储器（RAM和ROM）基本工作原理；熟练掌握内存芯片的扩展连接方法；理解高整缓存的作用及Cache-主存地址映射方式；理解辅助存储器的原理基本工作原理。教学重点和难点：主存储器的原理、CPU与存储器的连接、Cache-主存地址映射、辅助存储器的原理。教学媒体和教学方法：使用幻灯片在多媒体教室进行教学；教学中采用讲授与讨论相结合的方法。教学过程：一、存储器概述1．存储器的分类介绍存储器分类的几种方法以及每一类存储器的基本特性。2．存储器的层次结构介绍计算机的存储器按层次分布情况和特点。二、主存储器1．主存概述12主存的基本构成主存中的存储单元地址的分配主存的主要技术指标2．半导体存储器芯片简介半导体存储芯片的基本结构半导体存储芯片的译码驱动方式3．随机存取存储器（1）静态RAM静态RAM的基本单元电路组成静态RAM的基本存储原理静态RAM的芯片举例静态RAM的读/写时序分析（2）动态RAM动态RAM的基本单元电路组成：三管动态RAM的基本单元电路、单管动态RAM的基本单元电路动态RAM芯片举例动态RAM读/写时序动态RAM的刷新4．只读存储器ROM掩膜ROMPROMEPROM13EEPROMEPROM芯片简介5．存储器与CPU的连接存储容量扩展的方法存储器的几类线与CPU的连接（地址线、数据线、读/写控制线、片选线）芯片的选择内存连接举例6．存储器的校验纠错理论汉明码的形成步骤、方法及举例汉明码的纠错过程7．提高访存速度的措施（1）三类方法采用高速元件改变存储系统的层次结构调整主存结构（2）单体多字系统（3）多体并行系统（4）高性能存储芯片简介三、高速缓冲存储器1．概述14问题的提出高速缓存的理论依据高速缓存的工作原理命中率和平均访问时间的计算高速缓存的基本构成高速缓存的读写操作高速缓存的改进措施2．Cache与主存的地址映射直接映射全相联映射组相联映射3．替换策略先进先出算法近期最少使用算法四、辅助存储器1．概述辅助存储器的特点及类型磁表面存储器的主要技术指标2．磁记录原理和记录方式读写操作的基本原理六种常用的记录方式3．硬磁盘存储器15（1）硬磁盘存储器的类型从磁头考虑：固定磁头、移动磁头从盘片考虑：固定盘片、可换盘片（2）硬磁盘存储器的结构磁盘驱动器磁盘控制器盘片（3）硬磁盘存储器的发展（4）磁道记录格式4．软磁盘存储器概述盘片软盘驱动器和控制器5．光盘存储器光盘存储器的三种类型光盘的存取原理16第五章输入输出系统内容简介：输入输出系统概述，I/O设备，I/O接口，程序查询方式，程序中断方式，DMA方式。教学目标：了解输入输出系统的发展；了解输入输出系统的构成及工作原理；掌握三种典型的输入输出控制方式的工作原理；了解常用的I/O设备及其基本的工作原理；理解I/O接口的作用、构成及工作原理。教学重点：程序查询方式、程序中断方式、DMA方式。教学难点：周期窃取、CPU响应中断和允许周期挪用的时间。教学媒体和教学方法：使用幻灯片在多媒体教室进行教学；教学中采用讲授与讨论相结合的方法。教学过程：一、输入输出系统概述1．输入输出系统的发展早期阶段接口模块和DMA阶段17具有通道结构的阶段IOP阶段2．输入输出系统的组成（1）I/O软件I/O指令通道指令（2）I/O硬件3．I/O设备与主机的联系方式（1）编址方式统一编址不统一编址（独立编址）（2）设备寻址（3）传送方式并行方式串行方式（4）联络方式立即响应方式异步应答方式同步方式（5）连接方式辐射式总线式184．信息传送的控制方式程序查询方式程序中断方式DMA方式二、I/O设备1．I/O设备概述三类：人机交互设备，计算机信息的存储设备，机—机信息设备2．输入设备键盘鼠标触摸屏其他输入设备3．输出设备显示设备打印设备4．其他I/O设备终端设备A/D、D/A转换器汉字处理设备5．多媒体技术（1）定义（2）多媒体技术的特点19（3）多媒体计算机的关键技术压缩与解压缩多媒体专用芯片大容量存储器多媒体软件三、I/O接口1．概述接口的定义设备接口的原因2．接口的功能和组成（1）总线连接方式的I/O接口电路数据线设备选择线命令线状态线（2）接口的功能和组成选址功能传送命令的功能传送数据的功能反映I/O设备工作状态的功能3．接口类型按数据传送方式分：并行接口、串行接口20按功能选择的灵活性分：可编程接口、不可编程接口按通用性分：通用接口、专用接口按数据传送的控制方式分：程序型接口、DMA型接口四、程序查询方式1．程序查询流程讨论程序查询方式中的踏步现象2．程序查询方式的接口电路五、程序中断方式1．中断的概念2．I/O中断的产生3．程序中断方式的接口电路中断请求触发器和中断屏蔽触发器排队器中断向量地址形成部件程序中断方式接口电路的基本组成4．I/O中断处理过程（1）CPU响应中断的条件和时间条件：中断触发器EINT为“1”时间：每条指令执行阶段的结束时间（2）I/O中断处理过程5．中断服务程序的流程（1）保护现场21保存程序的断点：由中断隐指令完成保存通用寄存器和状态寄存器的内容：中断服务程序中的堆栈指令完成（2）中断服务中断服务程序的主体部分（3）恢复现场出栈指令完成（4）中断返回返回原程序的断点处六、DMA方式1．DMA方式的特点主存与DMA接口之间有一条数据通路，交换信息时，不通过CPU，也不需要CPU暂停现行程序为设备服务工作速度比程序中断方式高2．DMA与主存交换数据时采用的三种方法停止CPU访问主存周期挪用DMA与CPU交替访问。3．DMA接口的功能和组成（1）DMA接口的功能（2）DMA接口基本组成主存地址寄存器AR22字计数器WC数据缓冲寄存器BRDMA控制逻辑中断机构设备地址寄存器4．DMA的工作过程（1）DMA传送过程预处理数据传送后处理（2）DMA接口与系统的连接方式具有公共请求线的DMA请求方式独立的DMA请求方式（3）DMA方式与程序中断方式比较的特点5．DMA接口的类型选择型DMA接口多路型DMA接口23第六章计算机的运算方法内容简介：无符号数和有符号数，数的定义表示和浮点表示，定点运算，浮点运算，算术逻辑单元。教学目标：理解机器数的定点表示和浮点表示；熟练掌握定点数的运算；理解浮点数运算的基本方法和步骤；理解运算器进位链电路。教学重点：定点数加减法运算的溢出判断，定点数乘法运算，定点数补码除法运算。教学难点：定点数原码两位乘，定点数补码加减交替法除法，运算器的并行进位链。教学媒体和教学