计算机组成原理教案授课学时：72学时计算机组成原理教学内容：研究讨论单台计算机的完整硬件系统的基本组成原理与内部运行机制。课程性质：计算机科学与技术及相关专业的基础课程。课程的目的和任务：用层次结构的观点并以信息的加工、处理为主线研究计算机硬件结构及工作原理；使学生掌握计算机硬件系统中各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及互连构成整机的技术；培养学生对硬件系统的分析、设计、开发、使用和维护方面的能力，建立牢固的整机思想。课程特点：内容覆盖面广，基本概念多、抽象，难以建立计算机的整机概念。教学目标：尽可能清晰而完整地介绍当代计算机系统的性质和特征。具有挑战性：计算机系统的多样性：价格、体积、性能和应用等。计算机技术的飞速发展：低层的集成电路计算机和并行组织技术。课程内容的工程性、技术性、实用性都比较强，因此，在学习计算机组成的原理性知识之外，还应有较多的设计与实验技能训练。课程的教学基本要求:使学生学懂简单、完整的单台计算机的基本部件和整机系统组成，以及计算机部件连接关系和运行机理，了解计算机系统结构的入门性知识，掌握使用和简单维护计算机系统的基本技能。教学方法和教学形式建议:本课程采用远程教学和面授辅导相结合的方式开展教学。远程教学包括要求学生收看电视录像课、网上的流媒体（IP）课件、网上教学辅导、实时和非实时答疑等多种教学形式；面授辅导应考虑学生的在职和成人特点和需求，在业余时间进行有针对性的学习指导。平时作业既是学生自我检验学习水平的一种形式，也是很重要的形成性考核手段，各级电大教学点应配合面授辅导教师督促学生独立完成并及时批改和反馈，必要时应要求学生重做。小组讨论课是在教师引领下对预先布置的主题开展讨论的一种教学活动形式。这种教学活动能够很好地激发学生的学习兴趣，各级电大教学点应配合面授辅导教师组织实施。同时，小组讨论课也是一种形成性考核形式，教师应注意把握“引领”、“提问”和“点评”等多个教学指导环节，并依据标准给予每个学生合理的学习评价。课程教学要求的层次:1掌握：属于课程中最重要的内容。要求学生能够熟练运用这部分知识对相关问题做基本的分析、计算和处理，具有基本的应用能力和举一反三的能力。2理解：属于课程中较重要的内容。要求学生能够运用这部分知识对相关问题进行简单的分析、判断和说明，具有区别或区分容易被混淆的概念的能力，以及读懂原理框图、流程图、程序语句和简单逻辑电路图的能力。3了解：属于课程中与上述“掌握”和“理解”部分相关的较复杂的内容，作为提高或扩大知识面的内容。要求学生对这部分知识能够初步认识、学会、记忆或简单理解，具有简要描述、叙述、说明和举例的能力。学时分配教学内容课内学时一、计算机系统概述6二、数据表示和运算方法10三、运算器部件8四、指令系统和汇编程序设计9五、控制器部件9六、存储器系统12七、计算机输入/输出设备与系统12八、并行计算机体系结构6合计72第一章节：计算机系统概述（6学时）主要内容：1、 计算机系统的基本组成和它的层次结构2、 计算机硬件系统的5个功能部件及其功能3、 计算机硬件的主要的技术和性能指标4、 计算机系统的体系结构、组成和实现概述5、 计算机系统的发展、应用与分类教学要求:1了解计算机系统硬软件的组成和它们的层次关系；2理解计算机硬件系统的5大功能部件和各自的功能；3理解计算机部件的连接关系和整机运行过程的入门性知识；4了解3个级别的计算机语言；5理解计算机系统的主要性能与技术指标；6理解计算机“体系结构”、“组成”和“实现”各自面对的主要问题；7了解计算机发展历程和应用领域；8了解计算机系统分类。知 识 结 构 图计算机系统硬件软件主机外部设备外存储器输入设备输出设备中央处理器内存储器运算器控制器系统软件应用软件操作系统语言处理程序服务性程序通用软件用户程序一、 计算机系统的基本组成和它的层次结构构成计算机硬件和软件的6个层次5、高级语言层4、汇编语言层3、操作系统层2、指令系统层1、微体系结构层0、数字逻辑层软件部分硬件部分二、 计算机硬件系统的5个功能部件及其功能计算机主机CPU计算机外围设备接口线路（输出设备）接口线路（输入设备）运算器部件存储器部件控制器部件数据总路线地址总路线控制总路线三、 计算机硬件的主要的技术和性能指标1、 计算机字长计算机普遍使用二进制，只有0和1两个值，相邻数位之间采用“逢二进一”的规则处理，在计算机系统内部，通常选用多少个二进制位来表示一个数据或一条指令是一个关键技术指标，例如16位、32位或者64位，这个位数被称为计算机字长。2、 CPU速度衡量CPU速度，通常有两种方式。第一种方式使用CPU主频。第二种方式使用CPU每一秒钟能执行的指令条数，单位是MIPS。3、 存储容量计算机中的存储器通常包括内存储器和外存储器两大类。四、 算机系统的体系结构、组成和实现概述1、 计算机的体系结构通常是指涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所见到的计算机系统的属性，更多说的是计算机的外特性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。2、 计算机组成是在依据计算机体系结构确定并且分配了硬件子系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成、它们之间的连接关系、实现机器指令级的各种功能和特性。3、 计算机实现是计算机组成的物理实现。五、 算机系统的发展、应用与分类计算机发展：自计算机诞生以来，大约每58年，计算机的运算速度可提高10倍，可靠性可提高10倍，体积可缩小至原来的1/10，成本也降低为原来的1/10。自20世纪70年代以来，计算机的产量以每年25的速度递增。具体可分为五个发展阶段：第一阶段：电子管计算机（19461959）第二阶段：晶体管计算机（19591964）第三阶段：中小规模集成电路计算机(19641975)第四阶段：大规模集成电路计算机（19751990）第五阶段：新一代计算机（1990现在）计算机的分类按照功能划分：通用计算机：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机专用计算机：有效、经济、快速按照信息的形式和处理方法分：电子模拟计算机电子数字计算机第六章：数据表示和运算方法（10学时）主要内容：1、 二进制码与不同进制数之间的转换2、 定点数在计算机内的表示与编码3、 浮点数在计算机内的表示4、 文字和多媒体信息的表示与编码5、 数据校验码6、 二进制数值数据的运算算法教学要求:1掌握数制及数制转换的基本概念，熟练运用各种进制数间的转换规则进行手工转换运算；2掌握原码、反码和补码的基本概念和定义，并能熟练完成定点数的原码、反码和补码之间的转换；3理解常用二-十进制数编码的特点，能够说明各种不同编码的实用意义；4理解浮点数在计算机内的表示方法，能够说明阶码和尾数的位数与数值范围和数值精度的关系；5了解浮点数的规格化和隐藏位的含义，会判断浮点数的溢出；6掌握十进制数与浮点数间的转换运算；7了解文字和多媒体信息的表示的基本概念；8理解检错纠错编码的用途，能够区分几种常见的校验码，能够说明奇偶校验码的实现方法，能够说明海明码及循环码实现检错和纠错的道理；9掌握运用定点数的补码加减法运算规则进行基本的运算和溢出检查的方法；10了解定点数的原码一位乘、除法的可行算法数据表示和运算方法各种数制间的转换定点数的编码非数值数据的编码纠错码和检错码浮点数的编码与规格化补码加减法、原码一位乘除法的运算方法原码补码反码浮点数的编码浮点数的规格化浮点数的IEEE754标准西文字符的编码汉字的编码多媒体信息的编码奇偶校验码海明码CRC编码知 识 结 构 图一、 进制码与不同进制数之间的转换1、 十进制到二进制数的转换十进制与二进制数的转换要分为整数与小数两种情况分别转换。整数的转换：采用除2取余，高位至下，直到商为0时结束。小数的转换：采用乘2取整，高位至上，位数达到要求或小数部分为0时结束。2、 二进制到十进制数的转换二进制到十进制数的转换通常按公式（2、2）对二进制数各位的实际值累加求和完成。例：（10110）2=124+023+122+121+020=223、 八进制到二进制数的转换因为23=8，故1个八进制位对应3个二进制位，可以把1个八进制位数的整数部分和小数部分的每一位分别转换成3个二进制数。4、 二进制到八进制数的转换因为23=8，故3个二进制位对应1个八进制位，可以从小数点位置分别向左和向右把每3位二进制数划分为一组，并转换成1位八进制数。注意：小数部分分组时若低位不足3位时要用0补足，否则会出错。5、 十六进制到二进制数的转换因为24=16，故1个十六进制位对应4个二进制位，可以把1个十六进制数的整数的整数部分和小数部分的每一位分别转换成4位二进制数。6、 二进制制到十六进数的转换因为24=16，故4个二进制位对应1个十六进制位，可以从小数点位置分别向左和向右把每4位二进制数划分为一组，并转换成1位十六进制数。注意：小数部分分组时若低位不足4位要用0补足，否则会出错。7、八、十六到十进制数的转换按照公式2、2的规定，用对各位实际值累加求和的方法完成。8、十到八、十六进制数的转换可先将十进制数转换为二进制，再转换成对应的八、十六进制数；也可以将1个十进制数直接转换为对应的八进制或十六进制，例如对整数，采用除8取余、高位在下的原则得到八进制数；或采用除16取余、高位在下的原则得到十六进制数。二、 定点数在计算机内的表示与转换定点数定点数是指小数点固定在某个位置上的数据，一般有小数和整数两种表示形式。定点小数是把小数点固定在数据数值部分的左边，符号位的右边；整数是把小数点固定在数据数值部分的右边。我们在前面讨论的数据都是定点数。原码、反码、补码结束了各种进制的转换，我们来谈谈另一个话题：原码、反码、补码。我们已经知道计算机中，所有数据最终都是使用二进制数表达。我们也已经学会如何将一个10进制数如何转换为二进制数。不过，我们仍然没有学习一个负数如何用二进制表达。比如，假设有一 int 类型的数，值为5，那么，我们知道它在计算机中表示为： 00000000 00000000 00000000 00000101 5转换成二制是101，不过int类型的数占用4字节（32位），所以前面填了一堆0。现在想知道，-5在计算机中如何表示？在计算机中，负数以其正值的补码形式表达。什么叫补码呢？这得从原码，反码说起。原码：一个整数，按照绝对值大小转换成的二进制数，称为原码。比如 00000000 00000000 00000000 00000101 是 5的 原码。反码：将二进制数按位