計(jì)算機(jī)組成原理 譚志虎 微課版（第1-3章）教案 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述、數(shù)據(jù)信息的表示、運(yùn)算方法與運(yùn)算器

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述參考學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)。教學(xué)目標(biāo)（能力要求）系統(tǒng)梳理計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的發(fā)展歷程，激發(fā)學(xué)生專業(yè)熱情，結(jié)合我國(guó)計(jì)算機(jī)發(fā)展面臨的卡脖子現(xiàn)狀，鼓勵(lì)學(xué)生積極投身信息成業(yè)自主可控；學(xué)生能簡(jiǎn)單描述計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的發(fā)展歷程及代表性特征；學(xué)生能列舉馮諾依曼計(jì)算機(jī)基本構(gòu)成，解釋其工作原理與主要特征，并能利用相關(guān)原理辨別非馮諾依曼結(jié)構(gòu)；學(xué)生可簡(jiǎn)單對(duì)軟件進(jìn)行基本分類，能解釋高級(jí)語言程序執(zhí)行成二值邏輯的一般流程；學(xué)生可闡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)及其好處；學(xué)生可辨析常用的計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)以及評(píng)價(jià)方法，能進(jìn)行CPI、MIPS、CPU執(zhí)行時(shí)間等性能指標(biāo)的簡(jiǎn)單運(yùn)算，能使用常見測(cè)試工具對(duì)計(jì)算機(jī)基本性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：“存儲(chǔ)程序”與“程序控制”、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、CPI與MIPS的計(jì)算教學(xué)難點(diǎn)：?jiǎn)我恢笜?biāo)評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能的潛在問題，如何科學(xué)評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能。教學(xué)主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程（45分鐘）原始計(jì)算工具到電子計(jì)算機(jī)發(fā)展史電子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史與規(guī)律我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展概況計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成（20分鐘）計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)（馮諾依曼計(jì)算機(jī)組成及工作原理）計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)（軟件分類以及高級(jí)語言程序執(zhí)行過程）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)（5分鐘）系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、各層次之間的關(guān)系軟件和硬件的邏輯功能等價(jià)性計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)（20分鐘）非時(shí)間指標(biāo)：機(jī)器字長(zhǎng)、主存容量、總線位寬時(shí)間指標(biāo)：吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、IPC、CPU執(zhí)行時(shí)間;MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS。性能測(cè)試方法（如何綜合評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能）教學(xué)過程與方法計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程（45分鐘）原始計(jì)算工具到電子計(jì)算機(jī)發(fā)展史這一部分作為整個(gè)課程的導(dǎo)入，根據(jù)四個(gè)階段的標(biāo)志性事件講解計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史，穿插一些有趣的傳奇故事，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣。具體包括PASCAL加法機(jī)發(fā)明的目的，萊布尼茲乘法機(jī)與加法機(jī)的關(guān)系，巴貝奇“揭榜掛帥”建造差分機(jī)的傳奇，第一個(gè)程序媛Ada的故事，編程與編織花布的故事，科學(xué)家圖靈破譯德軍“謎”電碼，哈佛mark系列計(jì)算機(jī)與第一個(gè)計(jì)算機(jī)Bug，ABC計(jì)算機(jī)與ENIAC的淵源與糾葛，華人電腦英雄王安的傳奇，硅谷八叛逆與仙童公司的前世今生。PPT課件中提供了較為詳實(shí)的內(nèi)容，教師可以根據(jù)自己的需要控制時(shí)間進(jìn)行講述，以上這些故事素材可以在網(wǎng)上百度了解。結(jié)合前述計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史引出現(xiàn)代計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ):布爾代數(shù)、計(jì)算機(jī)開關(guān)電路、圖林機(jī)、阿塔納索夫三原則、維納現(xiàn)代計(jì)算機(jī)五原則、馮諾依曼計(jì)算機(jī)原理。簡(jiǎn)單介紹圖靈機(jī)基本原理，也可以結(jié)合最新的chatgpt講講圖靈測(cè)試。總結(jié)100年計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的歷史變革和三類計(jì)算機(jī)的標(biāo)志性部件與原理。電子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史與規(guī)律用表格形式介紹電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的四個(gè)階段、代表性特征、整體發(fā)展規(guī)律。介紹一些計(jì)算機(jī)領(lǐng)域經(jīng)典的發(fā)展規(guī)律，進(jìn)一步引出摩爾定律。引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察頻率曲線和晶體管數(shù)目曲線的差異，2000年左右頻率達(dá)到極限，處理器芯片向結(jié)構(gòu)優(yōu)化多核方向發(fā)展。以103機(jī)為例介紹我國(guó)計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史。介紹我國(guó)CPU設(shè)計(jì)領(lǐng)域現(xiàn)狀以及面臨的困境，激勵(lì)學(xué)生投身信息產(chǎn)業(yè)自主可控國(guó)家戰(zhàn)略。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成（20分鐘）計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)（馮諾依曼計(jì)算機(jī)組成及工作原理）簡(jiǎn)要介紹馮諾依曼計(jì)算機(jī)的硬件組成，重點(diǎn)講解存儲(chǔ)程序，程序控制的基本原理。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)（軟件分類以及高級(jí)語言程序執(zhí)行過程）簡(jiǎn)單介紹軟件系統(tǒng)分類、重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)高級(jí)語言程序執(zhí)行的完整流程。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)（5分鐘）系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、各層次之間的關(guān)系利用上圖講解計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)抽象分層的主要益處。軟件和硬件的邏輯功能等價(jià)性硬件和軟件在功能上的分配關(guān)系隨著技術(shù)的發(fā)展而變化。部分功能既可以由硬件實(shí)現(xiàn)，也可以由軟件實(shí)現(xiàn)，從用戶的角度來看它們?cè)诠δ苌鲜堑葍r(jià)的。計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)（20分鐘）非時(shí)間指標(biāo)：機(jī)器字長(zhǎng)、主存容量、總線位寬時(shí)間指標(biāo)：吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、IPC、CPU執(zhí)行時(shí)間;MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS。CPI(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s11)CPI(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s12)CPI指標(biāo)定義以及計(jì)算方法，以X86手冊(cè)中不同指令的時(shí)鐘周期數(shù)說明CPI概念。T(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s13)T(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s14)CPU執(zhí)行時(shí)間定義以及計(jì)算方法。MIPS(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s15)MIPS(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s16)M(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s17)MIPS、MFLOPS指標(biāo)定義以及計(jì)算方法。結(jié)合具體實(shí)例幫助學(xué)生掌握CPI、MIPS、CPU執(zhí)行時(shí)間等性能指標(biāo)的簡(jiǎn)單運(yùn)算。性能測(cè)試方法（如何綜合評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能）以兩款CPU性能比較引出性能測(cè)試和評(píng)價(jià)，介紹常見CPU性能測(cè)試方法與指標(biāo)。以性能測(cè)試實(shí)例：超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)榜單激發(fā)學(xué)生民族自信，借禁運(yùn)事件，中美貿(mào)易戰(zhàn)事件引導(dǎo)學(xué)生積極投身國(guó)產(chǎn)IT生態(tài)的建設(shè)。數(shù)據(jù)信息的表示參考學(xué)時(shí)8學(xué)時(shí)。教學(xué)目標(biāo)（能力要求）理解計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示的基本需求：能闡述二進(jìn)制適合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示的原因；可熟練進(jìn)行不同進(jìn)制間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；能解釋數(shù)據(jù)表示范圍、表示精度、溢出等基本概念。掌握機(jī)器碼基本概念和表示方法：能描述不同機(jī)器碼的定義；能區(qū)分原碼、反碼、補(bǔ)碼、移碼的差異與優(yōu)缺點(diǎn)；可熟練進(jìn)行不同編碼的相互轉(zhuǎn)換；能利用補(bǔ)碼的進(jìn)行手工加減法運(yùn)算。理解定點(diǎn)數(shù)的基本原理：能描述計(jì)算機(jī)中定點(diǎn)數(shù)的基本原理，能給出定點(diǎn)數(shù)的表示范圍和最小精度；能夠分析定點(diǎn)數(shù)相對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)的優(yōu)勢(shì)和局限性，包括計(jì)算效率、存儲(chǔ)需求、精度等方面的比較。掌握浮點(diǎn)數(shù)基本概念和IEEE754標(biāo)準(zhǔn)：能描述浮點(diǎn)數(shù)的表示需求、發(fā)展歷史和在計(jì)算機(jī)科學(xué)中的重要作用；能解釋浮點(diǎn)數(shù)表示方法，能區(qū)分單精度和雙精度浮點(diǎn)數(shù)表示差異，能根據(jù)使用需求選擇合適的浮點(diǎn)數(shù)表示；能依據(jù)浮點(diǎn)數(shù)格式熟練進(jìn)行IEEE754編碼與真值的互相轉(zhuǎn)換；能區(qū)分規(guī)格化數(shù)和非規(guī)格化數(shù)的表示范圍；能夠識(shí)別和解決在IEEE754浮點(diǎn)數(shù)表示和計(jì)算中常見的問題和異常，如舍入誤差、溢出、下溢、精確性異常、結(jié)合律異常、NaN非數(shù)、無窮大、除零錯(cuò)誤等。理解高級(jí)語言中不同數(shù)據(jù)類型的底層邏輯：能根據(jù)數(shù)據(jù)表示相關(guān)原理解釋分析C語言中整型、浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)表示和運(yùn)算中出現(xiàn)的各種“異常”。掌握字符型數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的表示：能簡(jiǎn)單區(qū)分不同字符集（ASCII、GB2312、Unicode、UTF-8）標(biāo)準(zhǔn)字符定義、占用空間的差異，可根據(jù)需求選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)，可解釋解內(nèi)存中字符串?dāng)?shù)據(jù)的特征。了解碼制的基本概念和特點(diǎn)：能解釋8421碼、余3碼、格雷碼的編碼特點(diǎn)和運(yùn)算結(jié)果校正問題，能區(qū)分有權(quán)碼和無權(quán)碼。掌握校驗(yàn)碼基本原理和應(yīng)用：可描述校驗(yàn)碼的基本原理和應(yīng)用場(chǎng)合，理解碼距和編碼檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力之間的關(guān)系；掌握奇偶校驗(yàn)碼、海明碼、CRC校驗(yàn)碼的編碼規(guī)則，能生成校驗(yàn)碼或?qū)πｒ?yàn)編碼進(jìn)行檢錯(cuò)/糾錯(cuò)；能區(qū)分不同校驗(yàn)碼的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力，分析他們的適用性和局限性；能根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信或存儲(chǔ)中的校驗(yàn)碼方案，以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸和存儲(chǔ)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：補(bǔ)碼表示與計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)類型教學(xué)難點(diǎn)：IEEE754標(biāo)準(zhǔn)，浮點(diǎn)數(shù)特性，海明編碼設(shè)計(jì)，循環(huán)冗余校驗(yàn)碼編解碼教學(xué)主要內(nèi)容數(shù)值表示的作用（15分鐘）計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示需求進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換數(shù)值數(shù)據(jù)的表示（180分鐘）數(shù)的機(jī)器碼表示（60分鐘）真值與機(jī)器碼的區(qū)分四種機(jī)器碼定義與區(qū)別定點(diǎn)數(shù)表示（無符號(hào)、有符號(hào)）（30分鐘）浮點(diǎn)數(shù)表示（IEEE754標(biāo)準(zhǔn)）（70分鐘）十進(jìn)制數(shù)（5分鐘）計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)類型（15分鐘）非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示（25分鐘）字符表示(字符串)漢字編碼數(shù)據(jù)信息的校驗(yàn)（160分鐘）碼距與校驗(yàn)（20分鐘）奇偶校驗(yàn)（15分鐘）海明校驗(yàn)（45分鐘）循環(huán)冗余校驗(yàn)（80分鐘）教學(xué)過程與方法數(shù)值表示的作用（15分鐘）計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示需求簡(jiǎn)單介紹計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)表示的基本需求以及二進(jìn)制在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示中的優(yōu)勢(shì)。進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換介紹二進(jìn)制與其他進(jìn)制之間的基本轉(zhuǎn)換方法以及簡(jiǎn)便方法。注意磁存儲(chǔ)以及通訊領(lǐng)域中使用的SI因子不是二進(jìn)制，提醒后續(xù)學(xué)生在存儲(chǔ)容量和傳輸速率方面進(jìn)行計(jì)算時(shí)要使用10進(jìn)制作為單位。數(shù)值數(shù)據(jù)的表示（180分鐘）數(shù)的機(jī)器碼表示（60分鐘）真值與機(jī)器碼的區(qū)分簡(jiǎn)要介紹真值和機(jī)器碼的區(qū)別，以內(nèi)存、寄存器中的數(shù)據(jù)是什么編碼為問題引出機(jī)器碼問題。四種機(jī)器碼定義與區(qū)別原碼主要思想是增加符號(hào)位（符號(hào)位在定點(diǎn)小數(shù)中權(quán)值為1，在定點(diǎn)整數(shù)中為2n），可以只接在黑板上推導(dǎo)出原碼的公式，1+|x|或2n+|x|，幫助學(xué)生理解原碼公式，公式不要求記憶，但應(yīng)該可以推導(dǎo)。給出實(shí)例，演示原碼求解過程，引出原碼兩個(gè)零的問題以及原碼表示范圍，最終總結(jié)原碼表示的優(yōu)缺點(diǎn)。介紹反碼定義，演示反碼求解過程，引出兩個(gè)零問題，根據(jù)反碼和真值數(shù)值為相反的原理，利用|真值|+反碼=111…11(各位均為1的數(shù))可以推導(dǎo)反碼公式。介紹反碼表示范圍，反碼表示優(yōu)缺點(diǎn)。以鐘表動(dòng)畫演示為例引出補(bǔ)碼概念，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)模數(shù)的概念（時(shí)間超過12點(diǎn)歸零，運(yùn)算超出模數(shù)要舍棄），根據(jù)模數(shù)概念引出補(bǔ)碼公式，比較補(bǔ)碼公式和前述反碼公示的差異，引出負(fù)數(shù)補(bǔ)碼逐位取反末位加一的求解方法。介紹補(bǔ)碼快速手工求解的方法掃描法，通過實(shí)例求解，解釋補(bǔ)碼表示只有一個(gè)機(jī)器零，區(qū)分補(bǔ)碼與原碼、反碼表示范圍的差異，強(qiáng)調(diào)補(bǔ)碼表示區(qū)間的非對(duì)稱性。介紹雙符號(hào)位補(bǔ)碼，注意強(qiáng)調(diào)單符號(hào)和雙符號(hào)模數(shù)的差異以及雙符號(hào)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。介紹補(bǔ)碼加減法特性，總結(jié)補(bǔ)碼優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景。介紹移碼的定義、求解方法以及應(yīng)用場(chǎng)合。詳細(xì)比較不同機(jī)器碼在數(shù)軸上的差異，加深學(xué)生對(duì)機(jī)器碼的理解和區(qū)分。對(duì)比不同機(jī)器碼的公式差異。對(duì)比不同機(jī)器碼的數(shù)據(jù)表示范圍差異，最后總結(jié)不同機(jī)器碼的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合。定點(diǎn)數(shù)表示（無符號(hào)、有符號(hào)）（30分鐘）首先介紹最高有效位(MSB)以及最低有效位(LSB)的概念，然后開始引出定點(diǎn)整數(shù)，定點(diǎn)小數(shù)，區(qū)分對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表示范圍和溢出情況。通過一個(gè)簡(jiǎn)單的程序引出計(jì)算機(jī)中的真實(shí)數(shù)據(jù)表示問題，C語言中的整型數(shù)據(jù)到底采用是什么機(jī)器碼？通過反匯編代碼進(jìn)一步解釋C語言程序底層的數(shù)據(jù)表示邏輯。簡(jiǎn)單總結(jié)C語言中的各種數(shù)據(jù)類型、表示方法以及數(shù)據(jù)表示區(qū)間。用實(shí)際程序運(yùn)行再次強(qiáng)化C語言中整型數(shù)據(jù)的補(bǔ)碼數(shù)據(jù)表示。最后對(duì)C語言中的整型數(shù)據(jù)類型進(jìn)行總結(jié)。浮點(diǎn)數(shù)表示（IEEE754標(biāo)準(zhǔn)）（70分鐘）以一個(gè)有違常理的奇怪程序引出浮點(diǎn)數(shù)表示問題。以直接用兩個(gè)定點(diǎn)數(shù)表示浮點(diǎn)數(shù)整數(shù)和小數(shù)為例說明浮點(diǎn)數(shù)表示存在的問題,由此引出科學(xué)計(jì)數(shù)法，解釋浮點(diǎn)數(shù)表示的規(guī)格化問題。采用階碼和尾碼兩個(gè)定點(diǎn)數(shù)形式表示浮點(diǎn)數(shù)N=2±e×(±m(xù))，分析浮點(diǎn)數(shù)表示范圍和溢出情況，分析階碼和尾碼長(zhǎng)度與浮點(diǎn)數(shù)表示范圍和精度的關(guān)系，給出實(shí)例展示，同時(shí)引出浮點(diǎn)數(shù)在數(shù)軸上密度與分布問題。介紹浮點(diǎn)數(shù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)IEEE754的由來，講解單精度浮點(diǎn)數(shù)和雙精度浮點(diǎn)數(shù)的表示規(guī)則。以單精度浮點(diǎn)數(shù)為例解釋IEEE754浮點(diǎn)數(shù)階碼和尾碼的具體協(xié)議規(guī)格。探討IEEE754浮點(diǎn)數(shù)規(guī)格化數(shù)和非規(guī)格化數(shù)表示范圍。以實(shí)際C語言程序分析整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)除零問題。以實(shí)際C語言程序分析浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算中的非數(shù)問題。以實(shí)際C語言程序分析浮點(diǎn)數(shù)表示的兩個(gè)機(jī)器零問題。分析浮點(diǎn)數(shù)表示范圍與精度，重點(diǎn)探討浮點(diǎn)數(shù)在數(shù)軸上的分布密度問題，由此引出浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算不滿足結(jié)合律的問題。介紹浮點(diǎn)數(shù)據(jù)與真值之間相互轉(zhuǎn)換的流程，結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行演示，并布置相應(yīng)作業(yè)給學(xué)生課后練習(xí)。引導(dǎo)學(xué)生利用已學(xué)浮點(diǎn)數(shù)表示原理解釋先前的程序運(yùn)行問題。引導(dǎo)學(xué)生利用已學(xué)浮點(diǎn)數(shù)表示原理對(duì)以上表達(dá)式進(jìn)行判斷，加深浮點(diǎn)數(shù)理解，并進(jìn)一步對(duì)C語言中的浮點(diǎn)數(shù)表示進(jìn)行總結(jié)。十進(jìn)制數(shù)（5分鐘）簡(jiǎn)單介紹BCD碼，十進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)等問題。計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)類型（15分鐘）對(duì)比匯編語言和高級(jí)語言中的數(shù)據(jù)類型。介紹高級(jí)語言中的數(shù)據(jù)類型寬度，注意指針類型。以四位整型數(shù)據(jù)的循環(huán)框展示整型數(shù)據(jù)表示范圍，溢出方式。展示C語言中不同數(shù)據(jù)類型的表示范圍。介紹C語言中整型數(shù)據(jù)類型相互轉(zhuǎn)換的具體邏輯，引導(dǎo)學(xué)生課后閱讀教材以及課件上給出的程序例子，這部分內(nèi)容408考研經(jīng)常會(huì)有出現(xiàn)。非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示（25分鐘）字符表示(字符串)介紹ASCII碼表示標(biāo)準(zhǔn)，注意最高有效位MSB=0。以全零的ASCII字符表示什么意思為問題引發(fā)學(xué)生思考，引出C語言中字符串表示問題。漢字編碼介紹GB2312標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)編碼與ASCII編碼的差異，解釋區(qū)位碼和機(jī)內(nèi)碼的區(qū)別，要求學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)二者的轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步引出當(dāng)前的漢字國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及UTF標(biāo)準(zhǔn)，幫助學(xué)生理解常用漢字編碼標(biāo)準(zhǔn)之間的差異。數(shù)據(jù)信息的校驗(yàn)（160分鐘）碼距與校驗(yàn)（20分鐘）以身份證編碼最后一位的x問題引出校驗(yàn)的基本原理與實(shí)際應(yīng)用。闡述數(shù)據(jù)校驗(yàn)的目的解決編碼在時(shí)間空間上的傳輸可靠行問題（具體對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸），介紹數(shù)據(jù)校驗(yàn)的基本原理。介紹碼距的基本概念，在黑板上給出實(shí)例，以圖片解釋碼距與抗干擾能力的關(guān)系。解釋校驗(yàn)碼實(shí)際應(yīng)用的完整流程，幫助學(xué)生加深理解。奇偶校驗(yàn)（15分鐘）介紹奇偶校驗(yàn)規(guī)則，校驗(yàn)位以及檢錯(cuò)位邏輯表達(dá)式。介紹奇偶校驗(yàn)基本流程，啟發(fā)學(xué)生思考檢錯(cuò)碼為零是否表示數(shù)據(jù)正確？進(jìn)一步用實(shí)際例子解釋奇偶校驗(yàn)只能識(shí)別奇數(shù)錯(cuò)的檢錯(cuò)特性。介紹分組交叉奇偶校驗(yàn)如何提升奇偶校驗(yàn)檢錯(cuò)能力，引導(dǎo)學(xué)生思考，進(jìn)一步引出海明校驗(yàn)，一種特殊的分組交叉奇偶校驗(yàn)方法。海明校驗(yàn)（45分鐘）介紹海明校驗(yàn)碼編碼規(guī)則，檢錯(cuò)機(jī)制（檢錯(cuò)碼的值為1位錯(cuò)位置）。根據(jù)海明編碼的規(guī)則，推導(dǎo)海明編碼中數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位寬度的關(guān)系，引出4位數(shù)據(jù)位海明編碼如何分組的問題。根據(jù)海明編碼的規(guī)則，推導(dǎo)4位數(shù)據(jù)位海明編碼如何進(jìn)行分組。講解完4位數(shù)據(jù)位海明編碼如何進(jìn)行分組的思路后，進(jìn)一步推廣到(n,k)碼的分組規(guī)則，幫助學(xué)生掌握海明編碼設(shè)計(jì)的能力。介紹海明編碼實(shí)驗(yàn)框架，根據(jù)課程安排酌情布置海明編碼設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可要求學(xué)生設(shè)計(jì)16位漢字編碼的海明編解碼方案，要求能檢測(cè)兩位錯(cuò)，糾正1位錯(cuò)。循環(huán)冗余校驗(yàn)（80分鐘）講解CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼編碼規(guī)則，其中重點(diǎn)介紹模2運(yùn)算規(guī)則，生成多項(xiàng)式的基本概念，幫助學(xué)生理解CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的計(jì)算規(guī)則。利用上圖講CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的編解碼全過程，注意原始數(shù)據(jù)再進(jìn)行編碼時(shí)要補(bǔ)上r個(gè)零，編解碼雙方采用相同的生成多項(xiàng)式。以上圖為例詳細(xì)介紹CRC編碼計(jì)算全過程。動(dòng)畫展示CRC編碼余數(shù)循環(huán)的機(jī)制。探討CRC校驗(yàn)碼出現(xiàn)多位錯(cuò)時(shí)余數(shù)的情況，分析檢錯(cuò)能力。介紹模2除法運(yùn)算的結(jié)合律，由此可以通過事先求解多個(gè)常量的余數(shù)進(jìn)一步求解任意數(shù)據(jù)的CRC余數(shù)。以具體例子展示CRC檢錯(cuò)過程中1位錯(cuò)和2位錯(cuò)的檢錯(cuò)情況。簡(jiǎn)單介紹CRC編碼的檢錯(cuò)特性以及應(yīng)用領(lǐng)域。分析CRC串行編解碼電路的工作原理和特性。介紹CRC編碼實(shí)驗(yàn)框架，講解如何利用組合電路實(shí)現(xiàn)CRC編解碼電路，講解CRC編碼快速求解方法，揭示CRC編解碼也是一種交叉奇偶校驗(yàn)編碼的本質(zhì)。根據(jù)課程安排酌情布置CRC編碼設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可要求學(xué)生設(shè)計(jì)16位漢字編碼的CRC編解碼方案，要求能檢測(cè)兩位錯(cuò)，糾正一位錯(cuò)。對(duì)所學(xué)的幾種校驗(yàn)碼進(jìn)行總結(jié)對(duì)比。運(yùn)算方法與運(yùn)算器參考學(xué)時(shí)7學(xué)時(shí)。教學(xué)目標(biāo)（能力要求）理解高級(jí)語言中不同運(yùn)算符的底層邏輯實(shí)現(xiàn)：可將不同數(shù)據(jù)類型的運(yùn)算符轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)機(jī)器指令，并指出對(duì)應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)邏輯。掌握定點(diǎn)加減法運(yùn)算與溢出檢測(cè)規(guī)則：了解補(bǔ)碼運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中的重要性，能熟練利用補(bǔ)碼運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)加減法運(yùn)算，可利用三種方法進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)溢出檢測(cè)。掌握定點(diǎn)加減法的邏輯實(shí)現(xiàn)：能給出一位全加器輸出信號(hào)的邏輯表達(dá)式，了解如何通過級(jí)聯(lián)多個(gè)全加器實(shí)現(xiàn)多位串行進(jìn)位加法器，并能分析其時(shí)間延遲特性與性能缺陷；能闡述可控加減法電路的設(shè)計(jì)原理，理解其在計(jì)算機(jī)運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)中的重要意義。理解先行進(jìn)位以及快速加法器原理：能概述先行進(jìn)位加法器的設(shè)計(jì)原理，理解硬件性能優(yōu)化的基本思路，并能利用相關(guān)原理在實(shí)驗(yàn)中構(gòu)造16位、32位、64位先行進(jìn)位電路，且能分析其時(shí)間延遲特性。掌握定點(diǎn)乘法運(yùn)算方法與邏輯實(shí)現(xiàn)：能利用原碼一位乘法和補(bǔ)碼一位乘法的規(guī)則進(jìn)行正確的手工運(yùn)算，并能運(yùn)用相關(guān)原理設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路。理解無符號(hào)陣列乘法器的構(gòu)成原理，并能簡(jiǎn)單分析其時(shí)間延遲特性，可在實(shí)驗(yàn)框架中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)5位無符號(hào)陣列乘法器；了解乘法流水線提升乘法運(yùn)算吞吐率的基本原理。掌握定點(diǎn)除法運(yùn)算方法：能利用原碼恢復(fù)余數(shù)法和不恢復(fù)余數(shù)法進(jìn)行正確的手工除法運(yùn)算，能區(qū)分二者的性能差異，能給出原碼不恢復(fù)數(shù)法的基本邏輯框圖。掌握浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算方法：能按照對(duì)階、尾數(shù)求和、規(guī)格化、舍入、溢出判斷等步驟手工進(jìn)行浮點(diǎn)加減法運(yùn)算；了解浮點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算的基本步驟。理解運(yùn)算器構(gòu)成的基本原理：能描述運(yùn)算器的基本構(gòu)成，能區(qū)分不同總線結(jié)構(gòu)對(duì)運(yùn)算器的影響，可根據(jù)相關(guān)原理構(gòu)建具有特定功能的定點(diǎn)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：補(bǔ)碼可控加減法運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)，浮點(diǎn)加減法運(yùn)算。教學(xué)難點(diǎn)：快速加法器設(shè)計(jì)、補(bǔ)碼一位乘法運(yùn)算教學(xué)主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算（20分鐘）C語言中的位運(yùn)算C語言中的邏輯運(yùn)算C語言中的移位運(yùn)算C語言中的算術(shù)運(yùn)算定點(diǎn)加減法運(yùn)算（100分鐘）補(bǔ)碼加/減法運(yùn)算方法（10分鐘）補(bǔ)碼運(yùn)算溢出及檢測(cè)（7分鐘）加減法的邏輯實(shí)現(xiàn)（82分鐘）一位全加器（8分鐘）多位串行加法器（7分鐘）可控加減法電路（7分鐘）標(biāo)志位（6分鐘）先行進(jìn)位加法器（55分鐘）定點(diǎn)乘法運(yùn)算（120分鐘）原碼一位乘法（45分鐘）補(bǔ)碼一位乘法（25分鐘）陣列乘法器（21分鐘）補(bǔ)碼陣列乘法器（4分鐘）乘法器性能優(yōu)化（25分鐘）定點(diǎn)除法運(yùn)算（35分鐘）原碼一位除法（27分鐘）陣列除法器（8分鐘）浮點(diǎn)運(yùn)算（45分鐘）浮點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算（38分鐘）浮點(diǎn)數(shù)的乘/除運(yùn)算（7分鐘）運(yùn)算器（45分鐘）定點(diǎn)運(yùn)算器（30分鐘）定點(diǎn)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)（12分鐘）浮點(diǎn)運(yùn)算器（3分鐘）教學(xué)過程與方法計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算（20分鐘）系統(tǒng)梳理C語言中的各類運(yùn)算符，啟發(fā)學(xué)生思考運(yùn)算符后面的底層邏輯。C語言中的位運(yùn)算以C語言位運(yùn)算對(duì)應(yīng)的匯編代碼為例講解高級(jí)語言中位運(yùn)算的底層邏輯實(shí)現(xiàn)。C語言中的邏輯運(yùn)算以邏輯運(yùn)算對(duì)應(yīng)的匯編代碼為例講解邏輯運(yùn)算的底層邏輯實(shí)現(xiàn)。C語言中的移位運(yùn)算以移位運(yùn)算對(duì)應(yīng)的匯編代碼為例講解移位運(yùn)算的底層邏輯實(shí)現(xiàn)。C語言中的算術(shù)運(yùn)算

以整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)加減乘除算術(shù)運(yùn)算的匯編代碼為例講解算術(shù)運(yùn)算的底層邏輯實(shí)現(xiàn)。定點(diǎn)加減法運(yùn)算（100分鐘）補(bǔ)碼加/減法運(yùn)算方法（10分鐘）簡(jiǎn)單介紹補(bǔ)碼加減法運(yùn)算基本規(guī)則，注意減法變加法是關(guān)鍵，但由于補(bǔ)碼表示范圍不對(duì)稱，一些特殊值可能存在溢出問題，補(bǔ)碼公式的證明學(xué)時(shí)不夠可以不講。補(bǔ)碼運(yùn)算溢出及檢測(cè)（7分鐘）以單符號(hào)運(yùn)算的四種情況分別介紹計(jì)算機(jī)進(jìn)行溢出檢測(cè)的2種方法以及底層邏輯實(shí)現(xiàn)。雙符號(hào)溢出檢測(cè)方法，可以反問學(xué)生計(jì)算機(jī)中是單符號(hào)還是雙符號(hào)，為什么？進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生如何在程序中判斷溢出？加減法的邏輯實(shí)現(xiàn)（82分鐘）一位全加器（8分鐘）以多位加法依賴于一位加法引出一位全加器的功能需求。利用組合邏輯的設(shè)計(jì)方法逐步設(shè)計(jì)出一位全加器，并進(jìn)一步給出電路，簡(jiǎn)單分析時(shí)間延遲。多位串行加法器（7分鐘）利用一位全加器串聯(lián)構(gòu)成多位加法器，并實(shí)現(xiàn)有符號(hào)溢出檢測(cè)。以四個(gè)8位無符號(hào)數(shù)的運(yùn)算為例分析無符號(hào)加減法運(yùn)算溢出檢測(cè)方法?？煽丶訙p法電路（7分鐘）利用補(bǔ)碼減法變加法的規(guī)則將多位串行加法器改造為可控加減法單元。注意啟發(fā)學(xué)生思考Sub信號(hào)產(chǎn)生的依據(jù)是什么？標(biāo)志位（6分鐘）以溢出檢測(cè)位引出計(jì)算機(jī)中的標(biāo)志寄存器，分析X86計(jì)算機(jī)中的常見標(biāo)志位功能。先行進(jìn)位加法器（55分鐘）詳細(xì)分析串行加法器時(shí)間延遲，讓學(xué)生注意數(shù)字邏輯電路特有的片內(nèi)并行性。根據(jù)時(shí)間延遲分析公式，時(shí)延與位數(shù)n成線性關(guān)系，如何進(jìn)一步優(yōu)化性能？利用進(jìn)位邏輯表達(dá)式推導(dǎo)引入進(jìn)位生成函數(shù)和傳遞函數(shù)，可以提前用電路生成各位全加器所需的進(jìn)位信號(hào)，利用水管閥門圖形象的說明進(jìn)位鏈與生成函數(shù)傳遞函數(shù)的關(guān)系。利用與門、異或門陣列構(gòu)建生成函數(shù)、傳遞函數(shù)電路。利用邏輯門電路實(shí)現(xiàn)先行進(jìn)位電路，注意不同進(jìn)位信號(hào)邏輯門輸入引腳數(shù)目的變化。利用前面構(gòu)建的兩個(gè)電路進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)四位快速加法器，并進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析其時(shí)間延遲。嘗試?yán)盟奈豢焖偌臃ㄆ鳂?gòu)建16位快速加法器，引出成組進(jìn)位產(chǎn)生函數(shù)和成組進(jìn)位傳遞函數(shù)。分析四位一組的進(jìn)位邏輯表達(dá)式和一位一組的進(jìn)位邏輯表達(dá)式之間的關(guān)系，引出成組先行進(jìn)位思想。利用水管閥門圖說明進(jìn)位鏈與成組生成函數(shù)、成組傳遞函數(shù)的關(guān)系。依據(jù)成組進(jìn)位的思想構(gòu)建可級(jí)聯(lián)的兩級(jí)先行進(jìn)位電路。嘗試?yán)盟奈豢焖偌臃ㄆ?、可?jí)聯(lián)的兩級(jí)先行進(jìn)位電路構(gòu)建16位組內(nèi)、組間先行進(jìn)位電路，并進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析該電路的關(guān)鍵路徑與時(shí)間延遲，比較串行加法器和并行加法器的性能差異。定點(diǎn)乘法運(yùn)算（120分鐘）原碼一位乘法（45分鐘）以簡(jiǎn)單的橫向陣列乘法器引出原碼一位乘法，嘗試用數(shù)學(xué)表達(dá)進(jìn)一步分析。分析原碼一位乘法的運(yùn)算流程，注意運(yùn)算次數(shù)，符號(hào)計(jì)算等關(guān)鍵點(diǎn)。用一個(gè)具體例子演示原碼一位乘法運(yùn)算完整過程，提醒學(xué)生注意運(yùn)算中間的溢出不會(huì)影響結(jié)果的正確性。嘗試?yán)糜布壿媽?shí)現(xiàn)原碼一位乘法，注意分析軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)的差異。用動(dòng)畫方式逐步展示原碼一位乘法硬件邏輯電路，此處可以布置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求學(xué)生在Logisim中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)電路，注意Logisim中沒有原碼，實(shí)驗(yàn)只能實(shí)現(xiàn)無符號(hào)數(shù)一位乘法，該實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生提前理解數(shù)據(jù)通路，系統(tǒng)停機(jī)邏輯設(shè)計(jì)等。補(bǔ)碼一位乘法（25分鐘）推導(dǎo)補(bǔ)碼一位乘法運(yùn)算公式，并進(jìn)一步與原碼一位乘法比較，得出以下一位乘法運(yùn)算流程圖。分析補(bǔ)碼一位乘法運(yùn)算流程，注意運(yùn)算次數(shù)和右移次數(shù)與原碼一位乘法的差異。以動(dòng)畫方式展示補(bǔ)碼一位乘法硬件邏輯實(shí)現(xiàn)，根據(jù)需要是否布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)。從硬邏輯實(shí)現(xiàn)的角度再次舉例說明運(yùn)算詳細(xì)過程。陣列乘法器（21分鐘）從手工乘法運(yùn)算引出陣列乘法器。首先給出最直接的橫向進(jìn)位陣列乘法器