教案
授课课程：计算机组成原理
使用教材： 计算机组成原理 唐朔飞主编 课程类别:必修课 授课班级:计算机科学___
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前言
本教案基于“ 面向21世纪课程教材”—普通高等教育“十一五”国家级规划教材唐朔飞编著的“计算机组成原理”第二版。教案包括:课程总体设计；实验内容设计；研究型教学设计；章节设计;单元设计等.
课程总共64学时，其中理论课程48学时，实验16学时.研究型教学内容不占课堂学习学时,在实际教学的执行中，可根据具体情况,选择部分研究型教学内容.
在教学过程中，可综合应用各种教学手段和教学模式，包括混合式教学及翻转课堂等，并充分利用慕课、微课等电子资源.
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目录
一总体教学设计7
1。1教学目的和要求8 1。2教学手段和教学方法8
1.2。1教学手段8 1.2。2 教学方法9 1.3 把前沿内容引进课堂10 1。4教材与参考资料10 1。5教学内容和安排10
1.5.1课堂教学内容及安排12
1）计算机系统概论（2学时）12
(1)．教学内容12 (2）．基本要求12 (3）．重点和难点12
2）运算方法和运算器(10学时）13
（1）．教学内容13 （2）．基本要求13 （3)．重点和难点13
3）存储器及存储系统（10学时）13
（1）．教学内容13 （2）．基本要求14 （3）．重点和难点14 4）指令系统（4学时）14
(1）．教学内容14 （2）．基本要求14 (3)．重点和难点15 5)中央处理器(10学时）15
（1）．教学内容15 （2)．基本要求15 （3）．重点和难点15 6)总线系统（2学时）15
（1)．教学内容15 (2）．基本要求16 （3）．重点和难点16 7）输入输出系统（8学时)16
(1)教学内容16 （2)基本要求16 （3）重点和难点16
1.5.2实践教学及安排16
1）运算器实验I17 2）运算器实验II17 3）．存储器及存储系统18 4）．基础汇编语言程序设计18
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5)．微程序验证实验19 6）．微程序设计实验19 7)．输入输出系统19 1。6 研究型教学20
1.6.1 研究性教学训练载体的设计20 1.6.2 研究性教学实施计划21 1.6。3. 研究性专题指导书22
研究性专题一:多体交叉存储器设计22
研究性专题二：微程序控制器和微程序设计22 研究性专题三：中断控制器及中断服务程序设计24
1.7 成绩考核25
二、章节教学设计26
2.1 第一章计算机系统概论教学设计26
2.1.1教学内容介绍26 2。1。2教学目的26 2。1.3重难点分析26 2。1。4案例27
2.1。5教学方法和手段27 2.1。6小结27 2。1。7作业27
2.2 第二章计算机的发展及应用教学设计28
2.2.1教学内容介绍28 2.2。2教学目的28
2。2。3教学方法和手段28 2.3 第三章系统总线教学设计28
2。3.1教学内容介绍28 2。3.2教学目的28 2.3.3重难点分析29 2.3.4案例29
2。3.5教学方法和手段29 2.3。6小结30 2。3。7作业30
第3章题5、8、1430
2。4 第四章存储器教学设计30
2.4。1教学内容介绍30 2。4.2教学目的30 2.4.3重难点分析31 2.4.4案例31
2。4.5教学方法和手段31 2。4。6小结32 2。4.7作业32
2。5 第五章输入输出系统教学设计32
2.5.1教学内容介绍32 2.5.2教学目的32
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2.5。3重难点分析33 2.5。4案例33
2。5。5教学方法和手段33 2.5。6小结34 2.5。7作业34
2.6 第六章计算机的运算方法教学设计34
2。6。1教学内容介绍34 2。6.2教学目的35 2.6.3重难点分析35 2.6.4案例35
2.6。5教学方法和手段36 2.6.6小结36 2.6。7作业36
2.7 第七章指令系统教学设计36
2.7.1教学内容介绍36 2。7.2教学目的37 2。7.3重难点分析37 2。7。4案例37
2.7。5教学方法和手段37 2。7.6小结38 2。7.7作业38
2.8 第八章 CPU的结构和功能教学设计382。8.1教学内容介绍38 2.8.2教学目的38
2。8。3重难点分析39 2.8。4案例39
2。8。5教学方法和手段39 2。8。6小结39 2.8.7作业39
2。9 第九章控制单元的功能教学设计40
2.9.1教学内容介绍40 2.9.2教学目的40 2.9。3重难点分析40 2。9。4案例40
2。9.5教学方法和手段40 2.9。6小结41 2。9.7作业41
2.10 第十章控制单元的设计教学设计41
2。10.1教学内容介绍41 2.10.2教学目的41 2。10.3重难点分析42 2。10.4案例42
2.10.5教学方法和手段42 2。10。6小结42
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2.10。7作业43
三、教学单元设计43
3。1教学单元143 3。2教学单元243 3.3教学单元344 3。4教学单元444 3。5教学单元545 3.6教学单元646 3.7教学单元746 3。8教学单元847 3。9教学单元948 3.10教学单元1048 3。11教学单元1149 3。12教学单元1249 3.13教学单元1350 3.14教学单元1451 3.15教学单元1552 3.16教学单元1652 3。17教学单元1753 3.18教学单元1854 3。19教学单元1954 3。20教学单元2055 3。21教学单元2155 3.22教学单元2256 3。23教学单元2357 3。24教学单元2457
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一总体教学设计
本课程讲述单机系统计算机各部件和系统的组成原理及其内部工作机制，使学生能够掌握计算机各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成整机系统的技术。课程主要内容包括:计算机的发展概况、计算机的分类和应用、计算机的层次结构;计算机中数据的表示方法及其主要部件；计算机内部的指令系统；如指令格式、指令类型、寻址方式等、计算机内部的存储系统；存储介质的存储原理以及今后的发展方向;CPU的逻辑组成和工作过程;常用输入/输出设备的结构和工作原理：输入/输出系统的组成,CPU与外设间传送数据的控制方式等。
课程首先讲述冯诺依曼结构计算机的五大部件:运算器、控制器、I/O和存储器系统。然后,面向ALU和CU,从数据的表示方法、运算方法、运算部件、控制器讲述计算机的基本运行原理。最后介绍硬布线逻辑和微程序控制器的原理.课程按照由系统整体概貌介绍开始,沿着核心的部件CPU的功能展开,介绍运算器和控制器的工作原理，再分析控制器的设计方法和工作原理,由浅入深、循序渐进，使学生理解计算机各个部件的工作原理,教学整体思路的示意图如图1所示。
图1 课程内容之间的关系图
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1.1教学目的和要求
1、教学目标
计算机组成原理是计算机科学与技术专业的专业基础课程，其教学目标是:理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式,具有完整的计算机系统的整机概念.理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面,掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。
通过本课程的学习，理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。对计算机硬件新技术以及发展方向有一定的了解,为进一步学习计算机专业后继课程打下良好基础。
通过本课程的学习,学生应达到如下能力:
1.掌握计算机组成的基本理论知识和工程基础知识,了解计算机硬件的发展现状和趋势。
2。 能够运用计算机组成的基本原理和方法,对计算机硬件系统中的实际问题进行分析、计算和设计.
3. 具有不断自主学习和适应学科发展的能力。 2、教学要求
（1）了解计算机的发展历史和最新动态,形成对计算机整机系统总体的认识，掌握计算机各个部件的基本工作原理、基本思想与基本设计方法。
（2）理解计算机系统中硬件与软件的关系，具有一定的利用算法设计计算机功能部件的能力。
（3）掌握典型计算机系统中的控制器的设计方法，具备对整机系统进行分析设计的基本能力。
1。2教学手段和教学方法 1.2.1教学手段
（1） 采用多媒体和板书配合，使用图片、视频等丰富教学演示,激发学生的学习兴
趣.
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（2） 采用案例分析的方法,提高对计算机各个部件工作原理的认识.
（3） 理论与实践相结合，加强实践教学，使学生在实验过程中,理解计算机各个部
件的工作原理，提高对部件的设计开发能力。
（4） 创建仿真环境，使学生能够对部件设计中相关的问题进行设计和调试，提高
实验教学的效率。
（5） 采用研究型的教学方法,引导学生进行研究型的学习，拓展学生的探索研究
能力。
（6） 利用网络教学平台进行翻转教学和混合式的教学。
1。2。2教学方法
（1） 启发式和研究型的教学方法
计算机组成原理属于硬件类的课程,而通过语言描述硬件的构成和原理比较抽象，有时也不太好理解。根据上课的同学都有数字电子技术基础的特点，为了提高学习效率，采用启发式的教学模式，以学习过的知识为基础，提出问题,并启发引导同学积极思维，调动学生学习的积极性、主动性和创造性,在引入计算机组成原理的知识点，达到举一反三、触类旁通的目的。同时，设计适中的探索性的研究题目，这些题目在书本、网络上没有直接的答案,促进自主学习的能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。
（2） 任务驱动式的教学法
针对每一章节的教学目标，都设置一定数量的问题和课后习题，采用任务式驱动教学法,增强学习目的性和针对性。充分利用网络，对同学所做习题中出现的问题及时纠正、反馈，提高学习效率.
（3） 理论与实践相结合
计算机组成原理课程的部分内容比较复杂，如微程序设计部分的内容，比较抽象，不易理解.为了解决这些问题，一方面采用动画演示的方法,使学生提高感性认识.另外，采用仿真的方法，提高教学效果。提供给学生微程序设计的仿真环境,使他们在仿真环境中，通过跟踪指令的执行过程，理解计算机部件的控制过程和原理.充分发挥实验室的作
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用，通过一系列的实验，使理论与实践相结合，同学通过实际的操作、通过电路和程序的设计、调试，达到课程的教学目标。
1.3 把前沿内容引进课堂
在教学中与时俱进，优化课程内容,与计算机发展保持同步,注重介绍计算机系统的最新研究和应用进展.主要介绍：1）Cache;2）流水线；3）多体交叉存储器；4）RISC;5）MIPS等.
1.4教材与参考资料
教材：唐朔飞．计算机组成原理．北京:高等教育出版社，2011． 主要参考资料： [1] [2］
白中英．计算机组成原理．北京：科学出版社,2010．
唐朔飞．计算机组成原理：学习指导与习题解答．北京：高等教育出版社，2006．
［3] 薛胜军．计算机组成原理．武汉:华中科技大学出版社，2010．
［4] 薛胜军．计算机组成原理学习指导与实验．武汉：华中科技大学出版社，
2006．
［5］ Patterson DA，Hennessy J L．Computer Organization and Design：The
Hardware/Software Interface．ChinaMachine Press，2006．
1。5教学内容和安排
本课程总计64课时，其中课堂讲授48课时，实验教学16课时。总体安排如下:
序号 1 知识单元（章节） 计算机系统概论 知识点 冯诺依曼结构计算机硬件系统的基本组成和指令的执行过程 计算机系统层次结构 进位计数制及其相互转换方法;定点小数和整数的表示，包括原码、反码、补码和移码表示 2 运算方法和运算器 定点数的移位运算、原码及补码加减运算的方法、溢出的概念与检测方法 定点乘法运算的工作原理 ALU的功能、设计方法和工作原理 要求 了解 理解 掌握 推荐学时 2 掌握 掌握 理解 10 10
浮点数的表示和规格化表示方法，浮点运算方法 主存储器的技术指标与存储系统的分类、层次化结构特点 SRAM、DRAM的组成和工作原理 flash和只读存储器的组成和工作原理 主存储器与CPU的连接的方法 3 存储器及存储系统 双端口存储器、多模块存储器的组成和工作原理 Cache的基本工作原理，Cache和主存之间的映射方式, 替换策略 虚拟存储器概念，理解段式、页式、段页式虚拟存储器的工作原理， 替换策略 指令的基本格式及各个组成部分的功能 指令字扩展的方法 指令和数据的寻址方式 CPU的基本组成和功能 典型指令的指令周期，能够用方框语言表示指令周期 时序产生器的功能和工作原理 5 中央处理器 微程序控制器的工作原理和设计方法 硬布线控制器的组成和工作原理 流水线的工作原理 总线的功能、组成及性能指标 集中仲裁方式和分布仲裁方式 同步定时方式异步定时方式 6 总线系统 总线的控制方式和总线的通信方式 掌握 了解 了解 了解 掌握 理解 掌握 10 理解 理解 掌握 掌握 理解 掌握 了解 掌握 理解 了解 了解 了解 4 掌握 10 4 4 指令系统 7 输入输出系统 I/O接口的功能和基本结构， I/O端口及其编址的基本方法 I/O的程序查询方式、程序中断了解 8 掌握 11
方式、DMA信息交换方式 通道方式的基本原理 运算方法和运算器 存储器及存储系统 8 指令系统 实验 微程序设计 中断实验 了解 掌握 掌握 了解 掌握 掌握 16 1.5。1课堂教学内容及安排
1）计算机系统概论（2学时） （1)．教学内容
计算机发展历程，计算机软件系统和硬件系统的组成和特点,计算机的工作过程，计算机的层次结构。
（2)．基本要求
（1）了解计算机硬件系统的基本组成和指令的执行过程，了解软件的种类和特点。 (2）掌握描述计算机系统的性能参数，包括:吞吐量、响应时间;CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间、MIPS等.
(3）理解计算机系统层次结构的定义。
（3)．重点和难点
重点：冯诺依曼结构计算机的组成和特点。 难点：计算机系统的层次结构。
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2）运算方法和运算器(10学时) （1）．教学内容
数制与编码，定点数的表示和运算，浮点数的表示和运算，算术逻辑单元ALU。
（2)．基本要求
①掌握进位计数制及其相互转换方法，掌握真值和机器数、BCD码、字符与字符串、校验码的表示方法。
②掌握定点小数和整数的表示,包括原码、反码、补码和移码表示，掌握各种机器码的特点和数的表示范围.
③掌握定点数的移位运算、原码及补码加减运算的方法、溢出的概念与检测方法。 ④理解定点乘法运算和除法运算的工作原理. ⑤理解ALU的功能、设计方法和工作原理. ⑥掌握浮点数的表示和规格化表示方法.
⑦掌握浮点运算方法,了解浮点运算器的组成和原理。 ⑧了解文字与字符串的表示方法. ⑨了解算术逻辑单元ALU的功能和结构.
（3）．重点和难点
重点:机器码的转换，定点和浮点运算算法.
难点：定点运算器和浮点运算器的工作原理和设计方法。
3）存储器及存储系统（10学时） （1）．教学内容
存储器的分类、层次化结构，SRAM、DRAM芯片的结构、工作原理,主存储器与CPU的连接，双端口存储器，多模块存储器，高速缓冲存储器（Cache）和虚拟存储器。
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（2)．基本要求
①了解主存储器的技术指标与存储系统的分类、层次化结构特点。 ②理解SRAM、DRAM的组成和工作原理。 ③了解flash和只读存储器的组成和工作原理。 ④掌握主存储器与CPU的连接的方法.
⑤了解双端口存储器、多模块存储器的组成和工作原理。
⑥掌握Cache的基本工作原理，掌握Cache和主存之间的映射方式,了解各种替换策略的优缺点。
⑦掌握虚拟存储器概念,理解段式、页式、段页式虚拟存储器的工作原理，了解各种替换策略的特点。
(3）．重点和难点
重点:各种存储器的工作原理，结构特点. 难点：存储器系统的组织.
4）指令系统(4学时) （1)．教学内容
指令的基本格式，扩展操作码指令格式,指令的寻址方式、功能和分类,CISC和RISC的基本概念。
（2）．基本要求
①理解指令的基本格式及各个组成部分的功能。 ②掌握指令字扩展的方法。 ③掌握指令和数据的寻址方式。
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（3)．重点和难点
重点：指令格式，寻址方式. 难点:指令字的扩展。
5）中央处理器（10学时) （1)．教学内容
CPU的功能和基本组成，机器指令的执行过程，数据通路的功能和基本结构,控制器的功能和工作原理，指令流水线的基本概念。
（2）．基本要求
①掌握CPU的基本组成和功能。
②掌握典型指令的指令周期，能够用方框语言表示指令周期。 ③了解时序产生器的功能和工作原理. ④掌握微程序控制器的工作原理和设计方法。 ⑤理解硬布线控制器的组成和工作原理. ⑥了解流水线的工作原理。
(3）．重点和难点
重点：CPU的组成和工作原理，指令的执行过程。 难点：微程序设计原理和方法。
6）总线系统(2学时） （1）．教学内容
总线概述，总线仲裁，总线操作和定时，总线标准。
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（2）．基本要求
①了解总线的功能、组成及性能指标。 ②了解集中仲裁方式和分布仲裁方式。 ③了解同步定时方式异步定时方式。 ④掌握总线的控制方式和总线的通信方式.
（3）．重点和难点
重点：总线的组成和功能。 难点:总线的控制方式。
7）输入输出系统（8学时) （1)教学内容
I/O系统的基本概念,I/O接口（I/O控制器），I/O方式.
（2)基本要求
①了解I/O接口的功能和基本结构， I/O端口及其编址的基本方法。②掌握I/O的程序查询方式、程序中断方式、DMA信息交换方式。 ③了解通道方式的基本原理.
（3）重点和难点
重点:外部设备和系统进行信息交换的原理、接口组成。 难点：中断和DMA控制器的组成和工作原理。
1.5。2实践教学及安排
实验教学安排7个实验，共16个学时,具体时间安排如下：
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序号 1 2 3 4 5 6 7 时间 内容 备注 2学时 2学时 2学时 2学时 3学时 3学时 2学时 6周周三（4。15） 运算器实验I 7周周三（4.22） 9周周三（5.6) 10周周三(5.13） 12周周三（5.27) 运算器实验II 存储器及存储系统 基础汇编语言 微程序验证实验 13周周三（6。3） 微程序设计实验 15周周三（6。17） 中断实验 实验内容介绍： 1)运算器实验I
实验目的：
了解脱机操作下AM2901运算器的功能与控制信号的使用，了解运算器AM2901的内部结构及工作时序，观察运算器运算的结果对状态标志的影响。 实验内容：
AM2901运算器的功能，AM2901的级联用法，运算器的组成和控制原理。
2）运算器实验II
实验目的：
深入了解AM2901运算器的功能与具体用法，掌握用AM2901完成各种运算操作时各控制信号的使用，观察指令执行的结果对状态标志的影响；了解4片AM2901的级联方式，深化运算器部件的组成、设计、控制与使用等诸项知识. 实验内容：
①寄存器的立即数赋值; ②寄存器算数运算；
③逻辑运算
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④移位运算 ⑤联合移位运算
3)．存储器及存储系统
实验目的:
在教学计算机上设计、实现并调试出存储器容量扩展的实验内容。要求: 1) 理解计算机内存储器的功能、组成知识；
2) 掌握静态存储器芯片的读写原理及其组成教学计算机存储器系统的方法(即字、
位扩展技术），控制其运行的方式； 实验内容：
①要完成存储器容量扩展的教学实验，需为扩展存储器选择一个地址,并注意读写和OE等控制信号的正确状态;
②用监控程序的D、E命令对存储器进行读写,比较RAM（6116）、EEPROM（28系列芯片）在读写上的异同；
③用监控程序的A命令编写一段程序，对RAM（6116)进行读写，用D命令查看结果是否正确;
④用监控程序的A命令编写一段程序,对扩展存储器EEPROM（28系列芯片)进行读写,用D命令查看结果是否正确；如不正确,分析原因，改写程序,重新运行。
4)．基础汇编语言程序设计
实验目的：
①学习和了解TH-union教学实验系统硬件组成； ②学习和了解TH—union教学实验系统监控命令的用法; ③学习和了解TH-union教学实验系统的指令系统； ④学习简单的TH-union教学实验系统汇编程序设计；
实验内容：
①学习联机使用TH-union教学实验系统和仿真终端软件PCEC.
②使用监控程序的R命令显示/修改寄存器内容、D命令显示存储器内容、E命令修改存储器内容；
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③使用A命令写一小段汇编程序,U命令反汇编刚输入的程序，用G命令连续运行该程序,用T、P命令单步运行并观察程序单步执行情况.
5）．微程序验证实验
实验目的：
①了解微程序控制器的功能、组成； ②理解典型机器指令的控制流程； 实验内容：
看懂TH—union教学计算机的功能部件组成和线路逻辑关系，然后分析教学计算机中已经设计好并正常运行的几条典型指令（例如,ADD、MVRR、OUT、MVRD、JRC、CALA、RET等指令）的功能、格式和执行流程，注意各操作功能所对应的控制信号的作用。
6）．微程序设计实验
实验目的： 掌握微程序控制的设计方法 实验内容:
设计实验系统中不存在的机器指令,写出其指令格式、各个字段的含义、功能描述，并在教学计算机上进行调试，验证其正确性。
7）．输入输出系统
实验目的：
加深理解计算机系统中断工作的原理及处理过程。学习和掌握中断产生、响应、处理等技术； 实验内容：
①扩展开中断指令EI、关中断指令DI、中断返回指令IRET不能用汇编命令输入，只能用E命令输入指令的机器代码.
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②确定中断向量表地址。中断向量表的高12位由数据开关确定为（0010 0100
0000）。三级中断对应的中断向量为2404H、2408H、240CH。当有中断请求且被响应后，将执行存放在该中断的中断向量所指向的内存区的指令。 ③填写中断向量表。在上述的2404H、2408H、240CH地址写入三条JR 转移指令，JR指令的OFFSET是偏移量，但在PCEC16中输入时，用户不需要计算偏移量，直接输入要转向的绝对地址即可。
④编写中断服务程序。中断服务程序可以放在中断向量表之后，中断服务程序可实现在程序正常运行时在计算机屏幕上显示与优先级相对应的不同字符; ⑤写主程序。可编写一死循环程序，要求先开中断。
1.6研究型教学
计算机组成原理研究性教学是针对《计算机组成原理》的理论和实验教学内容的拓展和延伸，是计算机组成原理教学的重要环节。
研究性教学的指导思想是在本课程理论和基本实验的基础上,创造学生独立思考和工程设计的实践环境，使学生在掌握计算机各部件的基本结构和工作原理的基础上，帮助同学建立计算机时间-空间和整机系统的概念，培养学生的实验操作能力和分析解决问题能力.通过研究性教学,开阔学生对计算机领域的知识面，尤其是硬件领域；了解硬件设计的基本工具和基本知识，掌握计算机硬件的设计方法，加深对计算机系统的认识。
1.6.1研究性教学训练载体的设计
配合理论教学和实验，在考虑学生的能力和时间的情况下，本课程安排了综合性的研究性专题，专题名称、研究内容及相关的知识点如下表所示:
专题名称 1。交叉存储器设计 研究内容及要求 设计一个容量为64KB的采用低位交叉编址的8体并行结构存储器。画出CPU和存储芯片(芯片容量自定）的连接图，并写出图中每个存储芯片的地址范围（用十六进制数表示）。 相关知识点 交叉存储器结构和存储器并行工作原理。 译码电路设计 地址、数据和控制电路设设置章节 第4章 20
计。 2.微程序控制器及微指令设计 研究微程序控制器的设计过程和相关技术。研究机器指令格式和微程序的关系,对多种寻址方式的指令，设计相应的微程序。 机器指令和微程序的关系,微程序和微指令微命令的关系,微程序的设计方法，控制器的结构和设计方法. 第10章 3.中断控制器及中断服务程序设计 研究多级中断系统的结构和工作原理,中断向量,中断服务程序的设计方法，扩展中断隐指令、开中断指令、关中断指令、中断返回指令。 计算机系统中断工作的原理,中断产生、响应、处理等技术;中断嵌套。 第5章
1。6。2研究性教学实施计划
研究性教学的实施，需要与理论课和基础实验课程的教学密切结合.具体实施计划的详细时间见下表。学生按照教师布置的题目进行深入探讨，查阅文献资料，提交研究报告和实验报告。
专题名称 交叉存储器设计 实验周次 第十周第十一周 设置章节 第4章 第10章 微程序控制器及微指第十三周第十四周 令设计 中断控制器及中断服第十四周第十五周 务程序设计 第5章 21
1.6.3. 研究性专题指导书
研究性专题一：多体交叉存储器设计
问题的提出：
并行性是提高计算机系统效率的重要途径.交叉存储器是采用相同的存储器，利用并行结构设计方法，提高存储器工作效率的一种特殊存储器.
交叉存储器的结构复杂，在随堂存储器扩充的基础上，展开研究性教学，便于学生拓展知识面，提高分析问题解决问题的能力。
设CPU共有16根地址线,8根数据线，并用M/-IO作为访问存储器或I/O的控制信号(高电平为访存，低电平为访I/O），-WR（低电平有效)为写命令，—RD（低电平有效）为读命令。设计一个容量为64KB的采用低位交叉编址的8体并行结构存储器。画出CPU和存储芯片（芯片容量自定）的连接图，并写出图中每个存储芯片的地址范围(用十六进制数表示)。
要求:参考教材中关于交叉存储器的原理，给出系统设计方案。包括译码芯片的
选择、各个芯片的工作时序设计。 考查知识点：
（1）片选信号的产生电路设计; （2）地址锁存电路设计； (3）数据信号线的电路设计； (4）控制信号线的设计； （5）交叉存储的实现。 需要注意的问题：
（1)多体存储器是如何实现1/8存储器周期就能够读取一次数据的； （2）各个存储器提的启动信号和地址、数据、片选信号的关系； (3）交叉存储器并行工作原理,与普通存储器结构上的主要差别。
研究性专题二:微程序控制器和微程序设计
问题的提出：
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控制器是计算机的核心，是计算机组成原理的重要内容.微程序控制器将全部指令的每个执行步骤所需要的全部控制信号保存在微程序的控制存储器中，并在控制信号中明确给出下一条使用的微指令的地址，这样,控制器可通过读取微程序的控制存储器来得到指令的控制信号.微程序控制器具有结构简单、便于调试和修改控制器功能等功能。本专题的内容为:设计存储器寻址或存储器间接寻址机器指令的微程序,并在教学计算机上加以实现、通过调试，得到正确结果. 要求：
微程序存放在控制存储器中，控制器中的指令寄存器IR和程序计数器PC选用运算器内部的寄存器实现,微程序的后继地址由Am2910（微程序定序器）和配套线路（微指令转移条件判断线路、微指令地址映射部件）实现。对每一条指令，合理划分指令的执行步骤。 考查知识点：
（1)微指令格式；
（2）微堆栈功能和使用方法； （3)微地址形成逻辑； （4)控制字段功能； （5）微程序方框图 需要注意的问题：
（1）微指令转移所依据的判断条件 (2）CPU内部总线数据来源的控制 （3）控制字段中,ALU中通用寄存器的使用 （4） 微程序的节拍控制 微程序控制的结构如下图所示:
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微下地址微命令.../VECT/PLCI3~CI0微地址映射部件MAPROM/MAPCP微程序定序器Am2910/OE/CC微地址/CCEN控制存储器16位 32位 微指令寄存器CP指令寄存器CP条件判断线路程序计数器IRHSCC
研究性专题三:中断控制器及中断服务程序设计
问题的提出：
图2-10 微程序控制器的基本组成中断是现代计算机中普遍采用的技术，是外设与计算机系统进行数据交换的重要途径.中断技术的实现，既涉及中断控制器硬件电路,也涉及中断服务程序的软件编程。本专题的内容为：分析由分立元件构成的中断控制器的工作原理，研究中断向量的产生和排队器的实现问题，设计相应的中断服务程序实现中断嵌套。 要求：
针对分立元件构成的中断控制器的结构和工作原理，编写主程序和中断服务程序。达到的效果如下：主程序显示某个字符，当按下某个键盘时，主程序被中断，显示与按键所对应的另外一个字符.持续一段时间后，在回到主程序,显示原来的字符.定义另外一个按键，使其能够在第一个按键按下时，按第二个键时，终止第一个键显示的字符，而显示第二个键所对应的字符，实现中断嵌套。参考教材中关于交叉存储器的原理,给出系统设计方案.包括译码芯片的选择、各个芯片的工作时序设计。
考查知识点: （1）现场和屏蔽字； （2）中断服务程序寻址；
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（3)中断嵌套；
（4）中断服务程序设计； （5）中断向量表 需要注意的问题：
（1）什么时间开中断，什么时间关中断？ （2）中断向量和中断服务程序的关系; （3）中断嵌套的现场保护问题 由分立元件构成的中断控制器结构图如下：
1。7成绩考核
为培养学生的研究意识，提高学生学习的主动性,在本门课程的教学过程中增加综合性研究性专题，学生利用课余时间，做出设计方案，以研究报告和实验报告的形式,进行总结。
研究性教学的考核，包括研究报告或实验报告，接受教师和同学提问和答疑等环
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节.研究报告能够准确把握所研究的问题，全面、系统地阐述相关内容,观点新颖，论据充分，计算正确。
《计算机组成原理》课程教学时间为每周4学时，共计16周。教学环节主要包括：课堂讲授、实验、研究性专题、作业和答疑。分数比例见下表。
平时作业,研究性专题 30％ 实验 20％ 期末考试 50％ 二、章节教学设计
2.1 第一章 计算机系统概论教学设计 2.1。1教学内容介绍
（1）计算机的发展与应用。 (2）计算机系统的层次结构。
（3）计算机的特点：快速性、通用性、准确性和逻辑性。 （4）性能指标。 (5）计算机的分类方法。 2.1.2教学目的
理解冯诺依曼计算机中的五大部件在计算机系统中所起的作用，每个部件的基本工作原理.掌握存储器地址和存储单元的关系。理解计算机系统的层次结构及各个层次间的相互依存关系。 2.1.3重难点分析
教学重点：
（1） 计算机的层次结构。 （2） 存储器地址和单元的关系。
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2。1。4案例
通过对两种机器结构：冯诺依曼的基本结构和改进型的冯诺依曼结构的分析和对比,说明两种结构的区别和各自的特点，从并行性角度，分析不同系统结构对机器性能的影响. 2.1.5教学方法和手段
1）用视图的方法,让学生对计算机各个部件的关系和原理建立直观和形象的认识。 2）采用启发式教学法，从数字电子技术课程已经学过的对基本运算部件的控制,引导学生理解从一般器件层依次向更高的层次：汇编语言层次、操作系统层次和高级语言层次。再从组合逻辑和时序电路控制角度，启发学生由一般机器层次向下理解微程序控制层次. 2.1。6小结
（1）从系统的观点，理解计算机的层次结构。计算机系统由硬件和软件两大部分所构成，而如果按功能再细分，可分为第零级是硬联逻辑级，第一级是微程序级,第二级是传统机器级，第三级是操作系统级，第四级是汇编语言级，第五级是高级语言级，第六级是应用语言级。把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作用.
(2）随着计算机的发展计算机的常用指标会不断的提高.
(3）组成原理是讲解计算机的一般组成方法，而不是针对某一类计算机而言。 2.1.7作业
1.2 计算机系统从功能上可划分为哪些层次？各层次在计算机系统中起什么作用？
1.5 冯。诺依曼计算机体系的基本思想是什么？按照此思想设计的计算机硬件系统应由哪些部件组成？各起什么作用?
1.11. 指令和数据都存于存储器中，计算机如何区分它们?【计算机内部由哪两种信息在流动？它们彼此有什么关系？】
27
2。2 第二章 计算机的发展及应用教学设计 2.2。1教学内容介绍
（1）计算机的发展史； （2)计算机的应用领域； (3）计算机的展望。
2。2.2教学目的
（1)了解计算机的发展史 （2）了解计算机的应用领域 （3）了解计算机的发展趋势
2.2.3教学方法和手段
自学
2.3第三章 系统总线教学设计 2。3.1教学内容介绍
（1）总线及分类。 （2)总线特性及性能指标。
（3）总线结构:单总线结构、双总线结构和三总线结构. (4）总线连接方式：串行传送、并行传送和分时传送.
（5）总线的控制：链式查询方式、计数定时查询方式和独立请求方式。（6）总线的通信:同步通信和异步通信.
2。3。2教学目的
①了解总线的功能、分类、性能指标和典型的结构。
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②了解集中仲裁方式和分布仲裁方式。 ③掌握总线的控制方式
④了解同步、异步、半同步通信、分离式通信方式。
2。3.3重难点分析
使用总线的关键在于判别连接到总线的各个设备或部件的优先权;设备或部件取得总线控制权后，以什么通信方式与总线进行数据交换。
总线的控制包括链式查询方式、计数定时查询方式和独立请求方式。要讲清楚他们的工作原理和总线的控制过程，并比较它们的优缺点.链式查询方式：使用的线数少，优先级固定不能改变，对查询链的敏感性强。计数定时查询方式：使用的线数中，优先级容易改变，但速度比较慢。独立请求方式：使用的线数多，优先级容易改变，速度也快。
总线的通信方式包括：同步、半同步、异步等通信方式。同步通信由统一时标控制数据传送;异步通信采用应答方式,没有公共时钟;半同步通信方式是同步和异步的结合。
2。3.4案例
介绍微机系统中常用的PCI总线。PCI的中文意思是“外围器件互联”是一种局部并行总线标准，由ISA总线发展而来的，ISA并行总线有8位和16位两种模式,时钟频率为8MHz,工作频率为33MHz/66MHz。是一种同步的独立于处理器的32位或64位局部总线.从结构上看，PCI是在CPU的供应商和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。PCI总线已成为了计算机的一种标准总线.已成为局部总线的新标准,主要用于连接显示卡、网卡、声卡.
2。3.5教学方法和手段
（1）结合图片形象地演示总线的结构，帮助学生理解总线的工作原理。 （2）结合案例教学，理解总线在实际系统中的应用。
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(3)采用翻转教学的方法，留一定的时间，给同学进行讨论和提问,促进学生自主学习和独立思考，加深对于相关知识点的理解。
2.3.6小结
总线是连接各个部件的信息传输线，总线包括：片内总线、系统总线和通信总线. 总线的性能指标包括机械特性、电气特性、功能特性和时间特性。 总线结构:单总线，双总线，三总线。
总线判优有两种方法:集中仲裁方式和分布仲裁方式。集中仲裁方式的具体实现有三种：包括链式查询方式、计数定时查询方式和独立请求方式。
总线的通信方式包括:同步、半同步、异步等通信方式。
2。3。7作业
第3章题5、8、14
2.4第四章 存储器教学设计 2。4.1教学内容介绍
存储器是现代计算机的五大组成部分之一，本章主要介绍存储器的基本工作原理。首先从存储器概述入手，介绍存储器的分类和层次结构，通过主存的单元、地址、技术指标等概念引入半导体存储器芯片，静态RAM和动态RAM的读写时序以及动态刷新的基本原理.重点介绍存储器与 CPU 的连接，掌握主存储器的组织方法.然后介绍提高访存速度的两个措施：Cache和多体交叉存储器，重点掌握Cache的原理和地址映射方法.
2。4。2教学目的
本章教学的目的是通过对主存储器，高速缓冲存储器，辅助存储器等的介绍，使得学生掌握主存储器的技术指标、基本结构和基本操作，掌握主存储器组织,掌握CACHE的功能、基本原理、地址映像(直接映像方式）和替换策略，掌握多体交叉存储器的基
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本原理及地址交叉方法。具体要求为：
（1)理解存储器的分类和分级结构；
（2)掌握主存储器的技术指标、基本结构和基本操作; （3）理解半导体存储器的基本组成和工作原理； （4）掌握主存储器组织;
(5）掌握CACHE的功能、基本原理、地址映像（直接映像方式）和替换策略； （6）掌握多体交叉存储器的基本原理及地址交叉方法.
2。4.3重难点分析
重点：缓存-主存及主存-辅存结构的特点、读写时序、存储器字位扩展时与CPU的连接方式、Cache的原理和地址映像方法、多体并行系统的高位交叉编址的多体存储器和低位交叉编址的多体存储器的存储原理、编址方式以及对存储带宽的影响。
难点：静态RAM的读写时序、动态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的读写时序案例：静态RAM (SRAM)：Intel2114外特性、Intel2114 RAM矩阵、静态RAM （2114）读写时序；动态RAM芯片：三管动态RAM芯片（Intel 1103)读写、单管动态RAM 4116外特性、4116芯片读写原理；
（2)存储器组织案例：通过位并联法和地址串联法实现小容量的存储芯片构成大容量的存储空间。
（3）Cache地址映像案例：直接映像和全相联映像方式下，CPU与Cache和主存的连接方式和访问方式。
2。4。5教学方法和手段
（1）结合多媒体资源，形象地演示存储器的结构和访存过程,帮助学生理解存储器的工作原理。
（2）结合案例教学,通过读写时序案例、存储器组织案例、Cache地址映像案例从理论到实践，由简入难的递进理解基本原理，并掌握实际设计方法。
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（3)结合实验教学，通过存储器扩展实验提高实际动手能力,掌握实践技能。 (4）采用混合式教学,充分利用数字化教学资源包括文本、电子课件、视频等帮助学生提高自学习能力,加深对于相关知识点的理解。
2.4。6小结
本章主要讲授存储器的分类和分级结构、主存储器的技术指标、基本结构和基本操作、半导体存储器的基本组成和工作原理、主存储器组织、CACHE的功能、基本原理、地址映像（直接映像方式）和替换策略、多体交叉存储器的基本原理及地址交叉方法等。
2.4。7作业
配合知识点(缓存—主存及主存-辅存结构的特点、静态RAM的读写时序、存储器字位扩展时与CPU的连接方式、Cache的原理和地址映射方法等)完成配套教材习题.习题：第4章题1、3、5、6、7、9、11、14、15、16、23、24、28、29、31.
2。5第五章输入输出系统教学设计
2.5。1教学内容介绍
输入输出是计算机中的重要组成部件，它提供了人与计算机的交互的接口.本章主要内容是计算机输入输出系统的硬件工作原理和软件设计思路.首先介绍了输入输出系统的概念和组成，I/O设备和主机的信息传输与控制方式;在此基础上对查询方式、中断方式和DMA方式的硬件组成和接口的数据传输控制过程进行了讨论，重点针对中断的概念、中断排队、中断入口地址的形成、中断系统的分级和中断的屏蔽技术进行了讲解。
2.5。2教学目的
本章教学的目的是通过对输入输出系统的介绍,使学生掌握计算机中信息交互过程中的控制方式以及硬件接口电路的工作原理.具体要求为：
(1）理解输入输出系统的概念和组成，I/O设备和主机的信息传输与控制方式;
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（2）掌握程序查询方式的工作流程和查询接口电路的工作原理； （3)掌握中断的基本概念、中断排队、中断向量地址的形成方法； (4）掌握中断接口电路的工作原理和数据传输过程; （5)掌握中断系统的构成与中断屏蔽技术；
（6)理解DMA方式的特点、DMA的工作过程和DMA接口的功能与组成。 2。5。3重难点分析
重点：程序查询方式的工作流程和查询接口电路的工作原理，中断的基本概念、中断排队、中断向量地址的形成方法，中断接口电路的工作原理和数据传输过程，中断屏蔽技术,DMA控制数据传输特点等。
难点：中断向量地址的形成方法,中断接口电路的工作原理和中断屏蔽技术。 2。5。4案例
(1）查询接口案例:说明在程序查询方式下，查询接口如何完成数据的交换。 （2）中断向量地址的形成案例：通过中断排队电路、中断向量地址形成部件和中断向量表完成进入中断服务程序的方法.
（3)中断接口案例：通过中断接口电路输入数据的工作过程，描述了当中断发生时，外设的数据如何通过中断接口电路进入到CPU的全过程。
（4）中断屏蔽技术案例:通过屏蔽技术来改变中断源的优先级，从而改变CPU的运行轨迹。
(5）DMA接口案例:通过多路外设（磁盘、磁带、打印机)申请DMA请求，描述多路型 DMA 接口的工作原理. 2.5.5教学方法和手段
1，结合多媒体资源，形象地演示中断入口地址的形成过程和进入中断服务程序的方法,帮助学生理解中断的过程和中断接口的工作原理。
2，结合案例教学，通过查询接口案例、中断向量地址的形成案例、中断接口案例、中断屏蔽技术案例、DMA接口案例,描述计算机输入输出接口的工作原理和数据空是方法。
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3，结合实验教学，通过中断实验加深了对中断接口工作原理的认识，提高实际动手能力，掌握实践技能.
4,采用混合式教学，充分利用数字化教学资源包括文本、电子课件、视频等帮助学生提高自学习能力，加深对于相关知识点的理解。
2。5。6小结
本章主要讲授了计算机输入输出系统的硬件工作原理和软件设计思路.包括输入输出系统的概念和组成，I/O设备和主机的信息传输与控制方式；查询方式、中断方式和DMA方式的硬件组成和接口的数据传输控制过程，中断的概念、中断排队、中断入口地址的形成、中断系统的分级和中断的屏蔽技术等内容。
2.5。7作业
配合知识点（查询方式、中断方式和DMA方式的硬件组成和接口的数据传输控制过程，中断的概念、中断排队、中断入口地址的形成、中断系统的分级和中断的屏蔽技术）完成配套教材习题。
习题：第5章题1、2、3、12、13、16、17、21、22、23、27、28、29、30、31、33;
习题：第8章题24、25、26、27、28；
2.6第六章 计算机的运算方法教学设计 2.6。1教学内容介绍
计算机之所以能够有效地进行运算是由于CPU中有快速地ALU，以及ALU采用了高效的运算方法。本章主要讨论了运算方法和运算器的工作原理。首先介绍了原码、补码、反码和移码的表示方法，各种码制与真值间的转换关系和它们的表示范围，以及定点数和浮点数的格式和范围。在此基础上介绍了加减运算方法、原码和补码的乘法运算，浮点数的加减乘运算，讨论了定点数溢出和浮点数溢出的判断方法.最后从硬件的角度讲解了影响ALU运算速度的进位过程，介绍了提高进位速度的各种手段。
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2.6。2教学目的
本章教学的目的是通过对运算方法和运算器的介绍,使得学生掌握计算机中数的表示,定点数和浮点数的加、减、乘等运算方法，定点数和浮点数的溢出判别，以及提高进位速度的ALU的工作原理。具体要求为：
（1）掌握定点数的真值、原码、补码、反码和移码的表示和相互转换方法； (2)掌握定点数的移位运算、原码及补码加减运算以及溢出的概念与检测方法; (3）掌握定点原码和补码的乘法运算方法；
(4）掌握浮点数的表示和规格化表示方法,浮点数的运算方法； （5）掌握ALU的功能、设计方法和工作原理。
2.6.3重难点分析
重点：定点数的原码、补码、反码和移码的表示和相互转换方法,补码加减运算以及溢出的概念与检测方法，原码和补码的乘法运算方法，浮点数的表示和规格化表示方法，浮点数的运算方法，ALU的设计方法和工作原理。
难点：原码和补码的乘法运算、浮点数的规格化、ALU的设计方法和工作原理。
2。6。4案例
（1)真值转换成原码、补码、反码和移码案例：通过这些案例，理解真值到各种码制的变换以及各种码制的转换方法；
（2）定点数的加减及溢出判别案例：通过补码加减运算来深化理解判断溢出的“一位符号法”和“二位符号法\"的含义，理解运算溢出后的现象以及运算溢出的实质。
（3）定点数原码一位乘法案例:通过原码乘法运算过程描述原码的符号位和数值为分开运算，移位是按逻辑右移进行。
（4)定点数补码一位乘法案例：通过补码乘法运算过程描述补码的符号位和数值为一起参加运算，移位是按算术右移进行。
(5)浮点数补码加减运算案例：通过浮点数补码加减运算过程描述了对阶、尾数加减、规格化、舍入等过程。
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2。6.5教学方法和手段
1，结合多媒体资源，形象地演示运算方法的具体步骤,ALU的进位过程,帮助学生理解运算方法和ALU的工作原理。
2，结合案例教学，通过真值转换成原码、补码、反码和移码案例，定点数的溢出判断案例，定点数原码和补码一位乘法案例，浮点数加减运算案例，仔细的描述了运算过程，以便尽快的掌握这些运算方法。
3，结合实验教学，通过运算器脱机实验加深了对运算方法和ALU工作原理的认识，提高实际动手能力,掌握实践技能。
4，采用混合式教学，充分利用数字化教学资源包括文本、电子课件、视频等帮助学生提高自学习能力，加深对于相关知识点的理解。
2.6.6小结
本章主要讲授了运算方法和运算器的工作原理.包括原码、补码、反码和移码的表示方法,各种码制与真值间的转换关系和它们的表示范围，加减运算方法、原码和补码的乘法运算，浮点数的四则运算,讨论了定点数溢出和浮点数溢出的判断方法，并从硬件的角度讲解了影响ALU运算速度的进位过程以及提高进位速度的各种方法。
2.6。7作业
配合知识点（计算机中数的表示、定点加法和溢出判断、定点原码和补码一位乘法、浮点数的加减乘运算等）完成配套教材习题。
习题:第6章题4、5、9、10、12、16、17、19、20、26、29；
2.7 第七章 指令系统教学设计 2.7。1教学内容介绍
指令系统是计算机的基本属性,位于硬件和软件的交界面上，与计算机的五大基本组
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成都有着密切关系.本章重点介绍指令系统的基本概念和基础问题，帮助学生建立起指令系统的基本框架，加深软硬件结合的理解。
2。7。2教学目的
本章通过对机器指令，操作数类型和操作类型，寻址方式，指令格式,RISC技术 的介绍,使学生掌握指令的一般格式、多地址指令格式和指令的扩展方法,掌握操作数类型和操作类型，掌握指令寻址和数据寻址方式，掌握指令格式的举例。具体要求:
(1）掌握指令的一般格式，多地址指令格式和指令的扩展方法； (2）掌握操作数类型和操作类型； （3)掌握指令寻址和数据寻址方式； （4）掌握指令格式的举例。
2.7。3重难点分析
重点：指令的一般格式及多地址指令格式和指令的扩展方法、操作数类型和操作类型、指令的寻址和数据的寻址、指令的格式举例。
难点：各种寻址方式。
2.7.4案例
(1)指令扩展案例：定长、变长操作码的设计实例。 (2）寻址方式案例:指令寻址、数据寻址；
2.7.5教学方法和手段
（1） 多媒体电子课件结合案例教学：以寻址方式举例介绍指令的寻址和数据的寻址。 （2） 理论与实践相结合：以具体的指令系统为例帮助学生理解指令系统设计的原则
以及各种指令系统产品的特点。
（3） 翻转式课堂教学:由学生自主预习实际指令系统中各种寻址方式的工作原理和特
点，采用先学后教的模式，提高学生的学习能力。
37
2.7.6小结
本章主要讲授指令的一般格式及多地址指令格式和指令的扩展方法、操作数类型和操作类型、指令的寻址和数据的寻址、指令的格式举例等.
2.7。7作业
配合知识点（指令的格式、操作数类型和操作类型、指令的寻址和数据的寻址等）完成配套教材习题。
第7章题6、7、12、13、14、16。
2。8 第八章 CPU的结构和功能教学设计 2.8。1教学内容介绍
CPU是计算机系统的核心.CPU主要由运算器、控制器和中断控制器构成。控制器部分包含:程序计数器PC、数据缓冲寄存器DR、指令寄存器IR、指令译码器ID、地址寄存器AR等。运算器部分包括：算术逻辑单元ALU、累加器AC、数据缓冲寄存器DR、状态寄存器等。
计算机中每一条指令的执行,都需要时序的控制.时序信号产生器发出符合指令周期、CPU周期和节拍脉冲的基准信号.指令的执行需要从指令周期、机器周期（CPU周期）和节拍脉冲来理解。
多条指令重叠运行，构成指令流水线。
2。8.2教学目的
①理解CPU的基本组成和各个部件的基本功能。
②了解时序产生器的功能,掌握典型指令的指令周期，机器周期（CPU周期)和节 拍脉冲的关系。
③了解指令流水线的工作原理*(会计算：吞吐率、加速比和效率）
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2。8。3重难点分析
重点是CPU的组成结构和其基本功能.CPU在取指令周期、间址周期、执行周期和中断周期，发布各种微命令控制数据流按照预定的通路传送，实现对指令的控制。
难点是流水线概念的理解。
2.8。4案例
把指令分为六个阶段FI、DI、CO、FO、EI、WO 和FO，构成六级流水线，介绍
指令重叠的工作过程。
2.8.5教学方法和手段
（1）采用启发式教学方法，通过回顾手动方式使运算器执行R0+R1R1所涉及的数据及控制操作,引申到机器自动控制。说明时序信号的作用。
（2）通过图片直观地介绍取指令周期的数据流、间址周期的数据流、执行周期的数据流和中断周期的数据流。
（3）通过具体的案例,说明流水线的工作原理。
2。8。6小结
计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行.即取指令—分析指令-执行指令。取指令的任务是：根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。分析指令阶段的任务是：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令可循环等待指令。
2.8。7作业
第8章题2、4、5、24、25、26、27、28
39
2。9 第九章控制单元的功能教学设计 2.9。1教学内容介绍
（1）微操作命令的分析:包括取指令周期、间接寻址周期、执行周期和中断周
期的微操作命令序列。
（2）控制单元的外特性：输入信号、指令寄存器、标志、来自总线的控制信号
和输出信号。
（3）多级时序系统：指令周期、机器周期、节拍和时钟周期。 (4）控制方式：包括同步控制、异步控制、联合控制和人工控制.
2。9。2教学目的
（1）理解数据通路的概念。
（2）掌握取指周期、间址周期、执行周期和中断周期的操作命令系列。 （3）理解控制器的控制方式。
2.9.3重难点分析
控制器的控制信号繁多，是本单元的教学难点。面向ALU、寄存器、存储器和IO设备等不同的部件,有不同的控制信号；即使是面向同一个部件，在执行同一指令的不同阶段，其数据通路和控制信号也不同。
2.9。4案例
通过非总线结构和总线结构的两个案例，分析微操作命令序列。
2.9.5教学方法和手段
（1)结合图片，直观地介绍取指令周期、间址周期、执行周期和中断周期的控制序列.
（2）以案例的形式,面向具体的结构，说明不同指令的控制序列。
40
2.9。6小结
数据通路就是数据的流动路径.一个任务可编制一个程序来完成，一个程序是由很多指令构成，每条指令又由很多微操作命令来完成，每条指令又包括取指令周期、间接寻址周期、执行周期和中断周期的微操作命令序列。
CPU的控制方式包括同步控制、异步控制、联合控制和人工控制。同步控制方式：有统一的时钟,各个部件在同一时标下有序工作，适合设备之间速度差别不大的情况； 异步控制方式:通过应答方式，适合远距离，设备之间速度差别大的情况;联合控制方式：同步控制和异步控制的综合控制方式.
2.9.7作业
第9章题9、10、11、12
2。10 第十章控制单元的设计教学设计 2。10。1教学内容介绍
（1）微程序控制单元的工作原理. （2）微指令的编码方式。 （3）微指令序列地址的形成。 （4)微指令格式
(5）静态和动态微程序设计 （6）毫微程序设计 (7）串行和并行微程序控制 (8）组合逻辑控制单元的工作原理
（9）微操作的节拍安排和组合逻辑控制器的设计步骤
2。10.2教学目的
（1）理解机器指令与微程序的关系。 （2)了解微程序控制单元结构.
41
(3）理解微指令格式，掌握微指令的编码方式。 （4）掌握微程序控制器的工作原理和设计方法。 （5)理解组合逻辑控制器的组成和工作原理。
2.10。3重难点分析
重点是对相容性和相斥性的理解，微指令的编码方式；难点是微指令地址的形成。
2.10。4案例
通过具体的设计案例，结合具体的机器模型，说明微程序的设计原理。实现的案例包括:CLA，COM，SHR，ADD,STA， LDA 等。
2。10。5教学方法和手段
（1）采用启发式教学方法，说明传统上由硬件电路产生的微操作控制信号可以通过软件设计的方法-微程序来实现，进而得到结论：软硬件之间没有严格的界限。从实际的例子说明微程序的开发方法,并配合我们自己用Java语言设计的仿真环境，引导学生进行微程序的设计。
（2)通过实验系统，使学生通过对十六教学计算机对机器指令的设计、调试,理解微程序控制的设计方法。
（3）通过研究型学习，以教学计算机实验平台为基础，拓展思路，提出系统中没有的机器指令的设计方案，训练学生分析问题和解决问题的能力。
2。10。6小结
控制器有两种实现方式:通过组合逻辑电路的方式和通过微程序设计的方式。在微程序控制器的系统中，一条机器指令对应一个微程序,微程序存放在控制存储器中。从宏观上看,CPU在执行一条机器指令;但从微观上看,CPU在执行一段微指令.
微指令格式，包括水平微指令和垂直微指令的格式。微程序包括静态微程序、动态微程序的设计和毫微程序的设计。从执行方式上，包括串行微程序和并行微程序两种控制方式.
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组合逻辑控制器设计的包括微操作的节拍安排、微操作综合、化简及逻辑电路实现等步骤。
2。10。7作业
第10章题11、15、21、22
三、教学单元设计
3.1教学单元1
授课时间：第一周周一第2节 授课内容：第一章 计算机系统概论 内容提纲：
1、 计算机的发展与应用。 2、 计算机系统的层次结构。
3、 计算机的特点：快速性、通用性、准确性和逻辑性。4、 性能指标。
5、 计算机的分类方法。 教学重点： 1、 计算机系统的层次结构。 2、
存储器地址和单元的关系。
教学组织：
1、课堂讲授电子教案;
2、多媒体教学：视频资源(计算机各部件的工作原理） 作业：
第1章习题7、8、9、11
3.2教学单元2
授课时间：课下自学
43
授课内容：第2章 计算机的发展及应用
内容提纲: 1、 计算机的发展史； 2、 计算机的应用领域；
3、 计算机的展望。
教学组织:自学
3。3教学单元3
授课时间：第一周周三第1节 授课内容:无符号数和有符号数 课程复习:
复习内容：回顾计算机的基本组成，引入计算机的五大组成与本章运算方法和运算器之间的关系.
内容提纲:
1、无符号数和有符号数：介绍机器数与真值、原码表示、补码表示、反码和移码表示,重点理解各种码制的定义和表示范围；
2、码制之间的转换：各种码制相互变换的方法以及各种码制对应的真值范围. 教学重点：各种码制的转换和表示范围。 教学组织：
1、课堂讲授电子教案；
2、案例教学：真值转换成原码、补码、反码和移码案例用于说明各种码制的变换。 作业:
第6章题4、5、9、10。
3.4教学单元4
授课时间：第二周周一第2节
授课内容：数的定点表示和浮点表示，移位、加减法运算以及溢出判断方法. 课程复习
复习内容：回顾计算机中各种码制的定义和转换，引入定点数和浮点表示，移位、
44
加减法运算以及溢出判断方法.
内容提纲：
1、定点数和浮点表示:定点数和浮点数的定义和表示；
2、移位、加减法运算:移位过程中的空位补位问题，补码的加减运算方法； 3、溢出判断方法：用一位符号位和两位符号位判断溢出的方法。 教学重点:
移位过程中的空位补位和溢出判断方法。 教学组织：
1、课堂讲授电子教案结合混合式教学（视频资源:定点数与浮点数的补码加减运算)；
2、案例教学：定点数的加减及溢出判别案例说明补码加减法和溢出判断方法。 作业：
第6章题12、16、17、19。
3.5教学单元5
授课时间:第2周周三第1节 授课内容：乘法运算方法 课程复习
复习上次课程的内容，引入本次课程学习的内容。
复习内容：回顾移位和加减法运算，溢出判断方法，引入定点数乘法运算。 内容提纲：
1、原码的一位乘法运算：符号位和数值分开运算,移位采用逻辑右移；
2、原码的两位乘法运算：符号位和数值分开运算，移位采用补码右移，被乘数采用绝对值补码表示;
3、补码的一位乘法运算：符号位和数值一同参与运算，移位采用补码右移. 教学重点：原码和补码的一位乘法运算方法。 教学组织:
1、课堂讲授电子教案；
2、案例教学:定点数原码一位乘法案例和定点数补码一位乘法案例说明原码、补码
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乘法运算过程和方法。
作业：第6章题20。
3.6教学单元6
授课时间：第3周周一第2节 授课内容:浮点数加减乘运算方法 课程复习：
复习上次课程的内容，引入本次课程学习的内容。
复习内容:回顾定点数补码的乘法运算方法,引入浮点数的加减乘运算方法。 内容提纲：
1、浮点数的加减运算:介绍浮点数加减运算中的对阶、尾数加减、规格化和舍入等内容，理解和掌握浮点加减运算的基本方法；
2、浮点数的乘法运算：介绍阶码相加，尾数相乘（采用定点乘法运算）,理解浮点乘法运算的基本方法;
教学重点：浮点数的加减运算方法。 教学组织:
1、课堂讲授电子教案结合混合式教学（视频资源：定点数与浮点数的补码加减运算）； 2、案例教学:浮点数补码加减运算案例描述了浮点数的对阶、尾数加减、规格化、舍入等问题。
作业：第6章题26、29。
3。7教学单元7
授课时间：第3周周三第1节 授课内容：算术逻辑单元 课程复习：
复习上次课程的内容，引入本次课程学习的内容。
复习内容：回顾定点数和浮点数的运算方法，引入算术逻辑单元的结构和工作原理。 内容提纲：
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1、组内并行进位链：从串行进位到组内并行进位； 2、单重分组跳跃进位链：组内并行，组间串行的进位链； 3、双重分组跳跃进位链：组内和组间都采用并行进位链. 教学重点:进位链以及进位传递过程。 教学组织:
1、课堂讲授电子教案;
2、案例教学:进位链的传递演示。 作业：无。
3。8教学单元8
授课时间：第4周周一第2节 授课内容：概述及主存储器 课程复习
复习上次课程的内容，引入本次课程学习的内容。
复习内容：计算机的基本组成，回顾刚刚结束的运算器工作原理，引入运算器与本章存储器之间的关系。
内容提纲：
1、存储器概述：介绍存储器的分类及存储器的层次结构，重点理解缓存—主存与主存-辅存结构的特点；
2、主存储器：主存储单元与地址，技术指标，半导体存储芯片Intel2114的内部结构，静态RAM基本元的原理和读写时序。
教学重点：缓存-主存、主存—辅存结构的特点及静态RAM的读写时序。 教学组织：
1、 微视频资源：存储器的结构和访存过程；
2、 案例教学：以Intel2114 RAM芯片为例说明静态RAM基本元原理和读写时序. 作业：
第4章题1、3、5、6、7。
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3.9教学单元9
授课时间：第4周周三第1节 授课内容:动态RAM及只读存储器 课程复习
复习上次课程的内容，引入本次课程学习的内容。
复习内容：缓存—主存、主存—辅存结构的特点及静态RAM的读写时序。 内容提纲：
1、动态RAM：动态RAM元的原理，动态RAM芯片和读写时序，在动态RAM的刷新中包括集中、分散和异步刷新等方式。理解静态RAM和动态SRAM的差别，动态刷新的基本原理;
2、只读存储器：介绍掩模ROM，PROM、EPROM等工作原理，电路构成等. 教学重点:动态RAM读写时序。 教学组织：
1、课堂讲授电子教案；
2、案例教学：以三管动态RAM芯片Intel 1103、单管动态RAM芯片4116为例说明动态RAM芯片和读写时序，以2716 EPROM为例介绍EPROM。
作业：第4章题9、11。
3.10教学单元10
授课时间：第5周周三第1节 授课内容：存储器与 CPU的连接 课程复习
复习上次课程的内容,引入本次课程学习的内容。 复习内容：动态RAM读写时序. 内容提纲：
1、存储器与CPU的连接：包括存储容量的扩展（位扩展、字扩展和字位扩展）,存储器与CPU的连接（地址线、数据线、控制线的连接）;
2、存储器字位扩展时与CPU的连接方式：重点讲述CPU的地址线的分配，译码方
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案和片选信号的形成以及控制线连接和作用。
教学重点：存储器字位扩展时与CPU的连接方式. 教学组织：
1、课堂讲授电子教案;
2、研究型教学:以存储器与CPU的连接案例说明存储器容量的扩展及具体连接方式。 作业:第4章题14、15、16。
3。11教学单元11
授课时间:第6周周一第2节
授课内容：提高访存速度的措施与高速缓冲存储器 课程复习
复习上次课程的内容，引入本次课程学习的内容。 复习内容：存储器与CPU的连接。 内容提纲:
1、提高访存速度的措施：多体并行系统的高位交叉编址的多体存储器和低位交叉编址的多体存储器的存储原理，编址方式以及对存储带宽的影响;
2、高性能存储器芯片：介绍一些高性能存储器芯片,如SDRAM、RDRAM等； 3、高速缓冲存储器：介绍Cache的工作原理,命中率，平均访问时间,Cache的访问效率等概念和定义。
教学重点：多体并行系统的高位交叉编址的多体存储器和低位交叉编址的多体存储器的存储原理。
教学组织： 课堂讲授电子教案; 作业:第4章题23、24。
3.12教学单元12
授课时间:第7周周一第2节
授课内容：Cache的基本结构与Cache—主存的地址映射方法，多体交叉存储器
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课程复习
复习上次课程的内容，引入本次课程学习的内容。 复习内容:提高访存速度的措施。 内容提纲:
1、Cache的基本结构:Cache存储体、地址映射变换机构、替换机构、Cache的读写操作等;
2、Cache的改进:两级缓存和分立缓存等；
3、Cache—主存的地址映射方法：直接映射、全相联映射和组相联映射（以直接映射为主）。
4、Cache的替换策略。 5、多体交叉存储器的原理
教学重点：Cache的原理和地址映射方法。 教学组织：
1、 课堂讲授电子教案； 2、 例题讲解. 作业：
1、第4章题28、29、31；
2、研究性教学作业：多体交叉存储器设计。
3.13教学单元13
授课时间：第8周周一第2节
授课内容：机器指令及操作数类型和操作类型 课程复习
复习上次课程的内容，引入本次课程学习的内容。
复习内容：运算器、存储器的工作原理,引入与本章内容指令系统之间的关系。 内容提纲：
1、机器指令：指令的一般格式，多地址指令格式和指令的扩展方法；
2、操作数类型和操作类型:操作数类型（地址、数据、字符和逻辑数据）,数据在存储器的存储方式，操作类型（数据传送、算术逻辑操作、移位、转移等），结合一些具
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体的指令解释操作类型；
教学重点：指令的格式和操作类型。 教学组织:
1、 课堂讲授电子教案; 2、 案例教学：指令扩展. 作业：第7章题6、7。
3.14教学单元14
授课时间：第8周周三第1节
授课内容：寻址方式、指令格式举例及RISC技术 课程复习
复习上次课程的内容，引入本次课程学习的内容。 复习内容：指令的格式和操作类型。 内容提纲:
1、寻址方法：指令的寻址和数据的寻址，前者主要涉及到顺序寻址和跳跃寻址，而后者是重点，涉及到立即数寻址、直接寻址、隐含寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址寻址、变址寻址、相对寻址等；
2、指令格式举例:PDP – 8、PDP – 11、IBM 360、Intel 8086及指令格式设计举例； 3、RISC技术：RISC的产生和发展，RISC和CISC的主要特征，RISC和CISC 的比较.
教学重点:
数据寻址方式，指令格式中形式地址在不同的寻址方式下所代表的意义。 教学组织：
1、 课堂讲授部分电子教案；
2、 翻转课堂：实际指令系统中各种寻址方式的工作原理和特点。
在本次课程上课之前，要求学生下载本单元的课件,结合教材相关的内容，自主学习.如果遇到问题，充分利用网络进行相关检索。针对各种寻址方式，在教学平台上提出疑问，课堂上对所有问题进行分类答疑、并组织讨论，引导同学学习和探讨寻址方式的特点及应用。
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作业：第7章题12、13、14、16。
3。15教学单元15
授课时间：第9周周四第一节 授课内容：CPU的结构和功能 内容提纲：
1、 CPU主要由运算器、控制器以及中断控制器组成.
2、 控制器单元包含：程序计数器PC、数据缓冲寄存器DR、指令寄存器IR、指令译码
器ID、地址寄存器AR等.
3、 运算器部分包括：算术逻辑单元ALU、累加器AC、数据缓冲寄存器DR、状态寄存器
等。
4、 指令周期，包括指令周期的基本概念,指令周期的数据流。5）流水线基本概念。
教学重点：
CPU各个组成部件的功能和控制各个部件的过程； 指令周期、机器周期和节拍脉冲的概念.时序发生器
重点是指令周期的4种数据流：取指周期数据流、间址周期数据流、执行周期的数据流和中断周期的数据流。
教学难点：
CPU控制各个部件的过程;机器周期和节拍脉冲的作用；流水线。 教学组织:
1、 在讲CPU的功能时，主要强调CPU对指令的控制。重点包括由发布各种微命令引起
的数据链路和微命令发布的时间控制等。这里可以提醒大家在讲运算器时举的例子R0+R1R1，微命令的动作是如何完成这条指令的执行. 2、 结合多媒体,用图片演示流水线的工作原理.
作业:第8章题2、4、5
3。16教学单元16
授课时间：第10周周三第1节 授课内容:控制单元的功能
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课程复习
复习上次课程CPU的功能，引入本次课程学习的内容. 内容提纲：
1、 微操作命令的分析，包括取指周期、间指周期、执行周期和中断周期的微操作
命令.
2、 控制单元的功能,包括控制单元的外部特性，控制信号的种类. 3、 多级时序系统,包括机器周期、时钟周期和节拍脉冲等. 4、 控制方式，包括同步控制、异步控制、联合控制和人工控制。
教学重点：取指周期、间指周期、执行周期和中断周期4种周期的微操作过程 教学难点：理解时序信号的体制，时序信号与微操作的关系 教学组织:
1、 以可视化的方法,通过图形直观地解释各种周期和微操作的关系。
2、 通过具体的例子，说明计算机系统中同步控制、异步控制、联合控制和人工控
制的应用场合.
作业：第9章题9、10、11、12
3.17教学单元17
授课时间:第11周周一第2节
授课内容：控制单元的设计 -微程序设计 内容提纲：
1、 微程序设计思想；
2、 微程序控制单元框图及工作原理;
3、 微指令的编码方式，微指令序列地址的形成。 教学重点：微指令的编码方式和微指令地址的形成 教学组织：
1、 采用启发式方法，通过在数字电子技术课程中学习过的三态门控制数据通路以
及基本运算器控制的例子，说明微程序控制的原理。 2、 结合多媒体资源,形象地演示机器指令和微程序的关系。 3、 通过案例设计,说明微程序的设计方法.
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4、 部分采用翻转教学方式,在微程序设计部分引导激发同学思考并提出问题,加深
对微程序设计思想的理解。 作业：第10章题11、15、21、22
3。18教学单元18
授课时间:第11周周三第1节
授课内容：控制单元的设计 -微程序设计举例 内容提纲：
CLA，COM,SHR，ADD，STA， LDA 指令的微程序设计
教学重点:微程序设计方法 教学组织：
1、 采用启发式教学,利用多媒体资源,形象地演示微程序设计的基本原则。 2、 通过案例设计,说明微程序的设计方法。 作业：研究型学习:微程序设计
3.19教学单元19
授课时间：第12周周三第1节 授课内容:控制单元的设计 内容提纲:
1、 节拍发生器工作原理
指令周期-机器周期—节拍—工作脉冲 2、 微操作时序的编排原则
①微操作先后顺序不得随意更改
②被控对象不同的微操作，尽量安排在一个节拍内完成
③占用时间较短的微操作尽量安排在一个节拍内完成并允许有先后顺序3、 组合逻辑控制器设计方法
①列出各个机器周期的操作时间表 ②写出微操作命令的最简表达式 ③逻辑化简、综合 ④画出逻辑图
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教学重点：组合逻辑控制器设计 教学组织:
1、 结合多媒体资源，形象地演示组合逻辑控制器的设计步骤。
2、 结合常用的机器指令的设计案例，说明组合逻辑控制器的设计方法。 作业：无
3.20教学单元20
授课时间：第13周周一第2节
授课内容：I/O接口的工作过程和查询方式 课程复习：
复习上次课程的内容,引入本次课程学习的内容。
复习内容：回顾计算机的五大组成部分，并在前面学习章节的基础上，引入计算机的输入输出系统.
内容提纲：
1、概述：介绍输入输出系统的组成，I/O设备与主机的联络方式以及它们之间的信息传输控制方式,重点理解设备编址和接口的信息控制传输方式;
2、I/O接口:介绍接口的功能、组成和类型，重点是I/O接口的工作过程和原理； 3、程序查询方式：介绍程序查询的流程和查询方式的接口,重点是接口的控制方式。 教学重点：接口的功能、组成和类型，程序查询的流程和查询方式的接口。 教学组织：
1、课堂讲授电子教案结合混合式教学（视频资源：查询、中断与DMA的接口方法)； 2、案例教学：描述程序查询方式接口的数据交换过程以及控制方式。 作业：第6章题1、2、3、12、13、16。
3。21教学单元21
授课时间：第14周周一第2节 授课内容:程序中断方式 课程复习:
复习上次课程的内容,引入本次课程学习的内容。
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复习内容：回顾程序查询接口的工作原理，引入程序中断的概念和中断接口的方法。 内容提纲：
1、中断的基本概念:包括中断、中断请求与屏蔽、排队电路、中断向量地址形成等,重点要理解如何进入中断服务程序；
2、程序中断方式的接口电路：介绍中断接口电路的基本功能、中断过程的信息流，重点是中断接口的工作过程和原理；
3、I/O中断处理过程:介绍中断服务程序的基本流程。
教学重点:中断的基本概念，中断接口电路的信息流以及工作原理。 教学组织:
1、课堂讲授电子教案结合混合式教学（视频资源：中断与中断接口）；
2、案例教学1：中断向量地址的形成案例，通过中断排队电路、中断向量地址形成部件和中断向量表，完成进入中断服务程序的方法.
3、案例教学2：程序中断方式接口的数据交换过程。 作业：第6章题17、21、22、23、31、33。
3。22教学单元22
授课时间：第14周周三第1节 授课内容:中断系统 课程复习:
复习上次课程的内容，引入本次课程学习的内容。
复习内容:回顾程序中断的概念和中断接口的工作原理,引入中断系统的相关知识。 内容提纲：
1、中断系统的基本知识：包括中断请求标记和中断判优逻辑、中断服务程序入口地址的寻找方法(硬件向量法和软件查询法）、中断响应等，重点理解在中断系统中,如何寻找中断服务程序入口地址；
2、多重中断:介绍中断的分级，中断优先级与优先权；
3、中断屏蔽技术：介绍多重中断的概念、实现多重中断的条件、利用中断屏蔽技术改变优先级，从而改变CPU的运行轨迹.
教学重点：中断系统，中断屏蔽技术.
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教学组织:
1、课堂讲授电子教案结合混合式教学（视频资源:中断与CPU的运行轨迹）; 2、案例教学：中断屏蔽技术教学案例，通过屏蔽技术来改变中断源的优先级，从而改变CPU的运行轨迹。
作业：第8章题24、25、26、27、28。
3。23教学单元23
授课时间：第15周周一第2节 授课内容：DMA方式 课程复习：
复习上次课程的内容,引入本次课程学习的内容。
复习内容：回顾接口输入输出的交换方式，引入DMA方式的基本概念、方法和接口。 内容提纲：
1、DMA方式的特点：主要是DMA方式与查询和中断方式的区别，DMA的3种数据交换方式，从而理解DMA控制数据传输的特点;
2、DMA接口的功能和组成：DMA接口的组成和在DMA控制下的数据传输； 3、DMA的接口类型:介绍选择型DMA接口和多路性DMA接口的特点和数据交换过程中的控制方法。
教学重点:DMA接口的功能和组成。 教学组织：
1、课堂讲授电子教案结合混合式教学(视频资源：查询、中断与DMA的接口方法）; 2、案例教学：DMA接口案例，通过多路外设（磁盘、磁带、打印机）申请DMA请求，描述多路型 DMA 接口的工作原理。
作业：第5章题27、28、29、30。
3.24教学单元24
授课时间：第16周周三第1节 授课内容:系统总线 内容提纲:
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1、 总线的基本概念、分类、总线特性及性能指标； 2、 单、多总线结构的特点和对计算机系统性能的影响; 3、 总线的三种控制方法
4、 总线的同步（数据输入/输出的时序关系)和异步的通信原理。 教学重点:
重点为总线的控制方式，包括链式查询方式、计数定时查询方式和独立请求方式。 教学组织:
1、 采用启发式方法，举例说明：高速公路上，机车分时使用车道；比如军训时走
队列，其口令就是同步信号；理论与实际相结合举例介绍典型总线。 2、 结合多媒体资源，形象地演示总线的结构和判断优先权的控制过程。 3、 结合案例说明总线的应用. 作业：第3章题5、8、14
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