計算機組成原理研究載體及研究性教學(xué)指導(dǎo)書

1、計算機組成原理 研究性教學(xué)訓(xùn)練載體 所屬學(xué)院：計算機與信息技術(shù)學(xué)院 授課教材： 計算機組成原理 授課對象： 計算機科學(xué)、計算機工程 授課學(xué)時： 64=48+16學(xué)時 編寫人員：計算機組成原理課程組 提交日期： 2013年12月25日 一、課程設(shè)置基本情況 課程名稱：計算機組成原理 課程編號：80L125Q 授課對象：計算機科學(xué)與技術(shù)、計算機工程、軟件工程先修課程   ：數(shù)字電子技術(shù) 課程層次：本科必修課 學(xué) 時 數(shù)：總學(xué)時64學(xué) 分 數(shù)：4 二、課程的性質(zhì)及教學(xué)目標(biāo) 計算機組成原理是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)中的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課。在計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)計劃中占有重

2、要地位和作用。學(xué)習(xí)本課程旨在使學(xué)生掌握計算機硬件各子系統(tǒng)的組成原理及實現(xiàn)技術(shù)，建立計算機系統(tǒng)的整體概念，對培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計開發(fā)計算機系統(tǒng)的能力有重要作用。該課程為今后學(xué)習(xí)計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò)、計算機容錯技術(shù)、計算機并行處理、計算機分布式處理技術(shù)等課程打好基礎(chǔ)。 三、研究性教學(xué)指導(dǎo)思想 計算機組成原理研究性教學(xué)是針對計算機組成原理的理論和實驗教學(xué)內(nèi)容的拓展和延伸，是計算機組成原理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。研究性教學(xué)的指導(dǎo)思想是在本課程理論和基本實驗的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造學(xué)生獨立思考和工程設(shè)計的實踐環(huán)境，使學(xué)生在掌握計算機各部件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，幫助同學(xué)建立計算機時間-空間和整機系統(tǒng)的概念，培養(yǎng)學(xué)生的

3、實驗操作能力和分析解決問題能力。通過研究性教學(xué)，開闊學(xué)生對計算機領(lǐng)域的知識面，尤其是硬件領(lǐng)域；了解硬件設(shè)計的基本工具和基本知識，掌握計算機硬件的設(shè)計方法，加深對計算機系統(tǒng)的認(rèn)識 四、研究性教學(xué)設(shè)計方案 課程組依照上述指導(dǎo)思想，對計算機組成原理課程的研究性教學(xué)方案進(jìn)行了設(shè)計，具體內(nèi)容如下： 1對課程的實驗內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化 配合理論教學(xué)，提供了不同類型（如驗證型、設(shè)計型、綜合型）實驗單元。實驗內(nèi)容分為部件實驗和綜合實驗，由淺入深，循序漸進(jìn)。部件實驗主要包括存儲器，運算單元，微控制器等。這些實驗承接先開的數(shù)字邏輯實驗，并為后續(xù)的計算機接口與通訊技術(shù)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗奠定堅實的基礎(chǔ)。2增加研究性專題環(huán)節(jié)

4、為培養(yǎng)學(xué)生的研究意識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，在本門課程的教學(xué)過程中增加綜合性研究性專題，由教師給出題目，學(xué)生利用課上、實驗課程和課余時間，做出設(shè)計方案，以研究報告和實驗報告的形式，進(jìn)行總結(jié)。 五、研究性教學(xué)訓(xùn)練載體的設(shè)計配合理論教學(xué)和實驗，在考慮學(xué)生的能力和時間的情況下，本課程安排了綜合性的研究性專題，專題名稱、研究內(nèi)容及相關(guān)的知識點如下表所示： 專題名稱 研究內(nèi)容及要求 相關(guān)知識點 設(shè)置章節(jié) 1.交叉存儲器設(shè)計設(shè)計一個容量 為64KB的采用低位交叉編址的8體并行結(jié)構(gòu)存儲器。畫出CPU和存儲芯片（芯片容量自定）的連接圖，并寫出圖中每個存儲芯片的地址范圍（用 十六進(jìn)制數(shù)表示）。交叉存儲器結(jié)構(gòu)和存

5、儲器并行工作原理。 譯碼電路設(shè)計地址、數(shù)據(jù)和控制電路設(shè)計。第4章2.中斷控制器及中斷服務(wù)程序設(shè)計研究多級中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，中斷向量，中斷服務(wù)程序的設(shè)計方法，擴展中斷隱指令、開中斷指令、關(guān)中斷指令、中斷返回指令。 計算機系統(tǒng)中斷工作的原理，中斷產(chǎn)生、響應(yīng)、處理等技術(shù)；中斷嵌套。第5章 3.計算機運算器的設(shè)計與應(yīng)用 以四位AM2901運算器芯片為基礎(chǔ)，設(shè)計16位運算器結(jié)構(gòu)，結(jié)合工作時序，完成運算器控制。 運算器的功能與具體用法，控制信號的功能，位片式運算器的級聯(lián)方法。第6章 4.微程序控制器及微指令設(shè)計研究微程序控制器的設(shè)計過程和相關(guān)技術(shù)。研究機器指令格式和微程序的關(guān)系，對多種尋址方式的指

6、令，設(shè)計相應(yīng)的微程序。機器指令和微程序的關(guān)系，微程序和微指令微命令的關(guān)系，微程序的設(shè)計方法，控制器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法。 第10章 六、研究性教學(xué)實施計劃 研究性教學(xué)的實施，需要與理論課和基礎(chǔ)實驗課程的教學(xué)密切結(jié)合。具體實施計劃的詳細(xì)時間見下表。 學(xué)生按照教師布置的題目選一題或多題進(jìn)行深入探討，查閱文獻(xiàn)資料，提交研究報告和實驗報告。集中時間，組織同學(xué)、老師提問、討論、點評。 專題名稱 實驗周次設(shè)置章節(jié) 計算機運算器的設(shè)計與應(yīng)用 第五周第六周第6章 交叉存儲器設(shè)計第十周第十一周第4章微程序控制器及微指令設(shè)計第十三周第十四周第10章 中斷控制器及中斷服務(wù)程序設(shè)計第十五周第十六周第5章 七、研究性教學(xué)考

7、核成績評價方式 研究性教學(xué)的考核，包括研究報告或?qū)嶒瀳蟾?，接受教師和同學(xué)提問和答疑等環(huán)節(jié)。研究報告能夠準(zhǔn)確把握所研究的問題，全面、系統(tǒng)的闡述相關(guān)內(nèi)容，觀點新穎，論據(jù)充分，計算正確。 計算機組成原理課程教學(xué)時間為每周4學(xué)時，共計16周。教學(xué)環(huán)節(jié)主要包括：課堂講授、實驗、研究性專題、作業(yè)和答疑。分?jǐn)?shù)比例見下表。 平時作業(yè),研究性專題實驗 期末考試 30 20 50 研究性專題指導(dǎo)書 研究性專題一：多體交叉存儲器設(shè)計問題的提出：并行性是提高計算機系統(tǒng)效率的重要途徑。交叉存儲器是采用相同的存儲器，利用并行結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，提高存儲器工作效率的一種特殊存儲器。交叉存儲器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在隨堂存儲器擴充的基礎(chǔ)上，

8、展開研究性教學(xué)，便于學(xué)生拓展知識面，提高分析問題解決問題的能力。 設(shè)CPU共有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用M/-IO作為訪問存儲器或I/O的控制信號（高電平為訪 存，低電平為訪I/O)，-WR（低電平有效）為寫命令，-RD（低電平有效）為讀命令。設(shè)計一個容量 為64KB的采用低位交叉編址的8體并行結(jié)構(gòu)存儲器。畫出CPU和存儲芯片（芯片容量自定）的連接圖，并寫出圖中每個存儲芯片的地址范圍（用 十六進(jìn)制數(shù)表示）。l 要求：參考教材中關(guān)于交叉存儲器的原理，給出系統(tǒng)設(shè)計方案。包括譯碼芯片的選擇、各個芯片的工作時序設(shè)計。 l 考查知識點： （1）片選信號的產(chǎn)生電路設(shè)計； （2）地址鎖存電路設(shè)計； （3

9、）數(shù)據(jù)信號線的電路設(shè)計； （4）控制信號線的設(shè)計； （5）交叉存儲的實現(xiàn)。 l 需要注意的問題： （1）多體存儲器是如何實現(xiàn)1/8存儲器周期就能夠讀取一次數(shù)據(jù)的； （2）各個存儲器提的啟動信號和地址、數(shù)據(jù)、片選信號的關(guān)系； （3）交叉存儲器并行工作原理，與普通存儲器結(jié)構(gòu)上的主要差別。 研究性專題二：中斷控制器及中斷服務(wù)程序設(shè)計問題的提出：中斷是現(xiàn)代計算機中普遍采用的技術(shù)，是外設(shè)與計算機系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的重要途徑。中斷技術(shù)的實現(xiàn)，既涉及中斷控制器硬件電路，也涉及中斷服務(wù)程序的軟件編程。本專題的內(nèi)容為：分析由分立元件構(gòu)成的中斷控制器的工作原理，研究中斷向量的產(chǎn)生和排隊器的實現(xiàn)問題，設(shè)計相應(yīng)的中斷服

10、務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)中斷嵌套。l 要求：針對分立元件構(gòu)成的中斷控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理，編寫主程序和中斷服務(wù)程序。達(dá)到的效果如下：主程序顯示某個字符，當(dāng)按下某個鍵盤時，主程序被中斷，顯示與按鍵所對應(yīng)的另外一個字符。持續(xù)一段時間后，在回到主程序，顯示原來的字符。定義另外一個按鍵，使其能夠在第一個按鍵按下時，按第二個鍵時，終止第一個鍵顯示的字符，而顯示第二個鍵所對應(yīng)的字符，實現(xiàn)中斷嵌套。參考教材中關(guān)于交叉存儲器的原理，給出系統(tǒng)設(shè)計方案。包括譯碼芯片的選擇、各個芯片的工作時序設(shè)計。 l 考查知識點： （1）現(xiàn)場和屏蔽字； （2）中斷服務(wù)程序?qū)ぶ罚?（3）中斷嵌套； （4）中斷服務(wù)程序設(shè)計； （5）中斷向量表l

11、需要注意的問題： （1）什么時間開中斷，什么時間關(guān)中斷？ （2）中斷向量和中斷服務(wù)程序的關(guān)系； （3）中斷嵌套的現(xiàn)場保護問題由分立元件構(gòu)成的中斷控制器結(jié)構(gòu)圖如下：研究性專題三：運算器結(jié)構(gòu)和指令功能設(shè)計問題的提出：運算器是馮諾依曼計算機五大部件之一，是計算機組成原理的重要內(nèi)容。運算器與機器指令密切相關(guān)，是實現(xiàn)指令功能的電路。本專題的內(nèi)容為：利用4位位片結(jié)構(gòu)Am2901芯片，構(gòu)成16位運算器，完成算數(shù)和邏輯運算的功能。l 要求：運算器的控制與操作通過微型開關(guān)來實現(xiàn)，運算器完成加、減、邏輯和移位運算功能，并通過指示燈觀察運算結(jié)果。l 考查知識點： （1）并行進(jìn)位和串行進(jìn)位； （2）狀態(tài)信號和程序狀態(tài)

12、寄存器； （3）運算器的控制時序； l 需要注意的問題： （1）多路數(shù)據(jù)選擇器電路的控制 （2）Q寄存器在實現(xiàn)硬件的乘法、除法指令，左、右移位功能的原理 （3）運算器的功能控制和結(jié)果輸出鎖存的實現(xiàn)運算器結(jié)構(gòu)圖如下： 研究性專題四：微程序控制器和微程序設(shè)計問題的提出：控制器是計算機的核心，是計算機組成原理的重要內(nèi)容。微程序控制器將全部指令的每個執(zhí)行步驟所需要的全部控制信號保存在微程序的控制存儲器中，并在控制信號中明確給出下一條使用的微指令的地址，這樣，控制器可通過讀取微程序的控制存儲器來得到指令的控制信號。微程序控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、便于調(diào)試和修改控制器功能等功能。本專題的內(nèi)容為：設(shè)計ADC、LDRA、STAR、CALR幾條機器指令的微程序，并在教學(xué)計算機上加以實現(xiàn)、通過調(diào)試，得到正確結(jié)果。要求：微程序存放在控制存儲器中，控制器中的指令寄存器IR和程序計數(shù)器PC選用運算器內(nèi)部的寄存器實現(xiàn)，微程序的后繼地址由Am2910（微程序定序器）和配套線路（微指令轉(zhuǎn)移條件判斷線路、微指令地