《計算機組成原理》教案.doc

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《計算機組成原理》教案 授課學(xué)時：72學(xué)時 授課對象：計算機07級 授課時間：2009年 授課教師：許宏 《計算機組成原理》 教學(xué)內(nèi)容：研究討論單臺計算機的完整硬件系統(tǒng)的基本組成原理與內(nèi)部運行機制。 課程性質(zhì)：計算機科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程。 課程的目的和任務(wù)：用層次結(jié)構(gòu)的觀點并以信息的加工、處理為主線研究計算機硬件結(jié)構(gòu)及工作原理；使學(xué)生掌握計算機硬件系統(tǒng)中各大部件的組成原理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計方法及互連構(gòu)成整機的技術(shù)；培養(yǎng)學(xué)生對硬件系統(tǒng)的分析、設(shè)計、開發(fā)、使用和維護方面的能力，建立牢固的整機思想。 課程特點：內(nèi)容覆蓋面廣，基本概念多、抽象，難以建立計算機的整機概念。 教學(xué)目標(biāo)：盡可能清晰而完整地介紹當(dāng)代計算機系統(tǒng)的性質(zhì)和特征。 具有挑戰(zhàn)性： 計算機系統(tǒng)的多樣性：價格、體積、性能和應(yīng)用等。 計算機技術(shù)的飛速發(fā)展：低層的集成電路計算機和并行組織技術(shù)。 課程內(nèi)容的工程性、技術(shù)性、實用性都比較強，因此，在學(xué)習(xí)計算機組成的原理性知識之外，還應(yīng)有較多的設(shè)計與實驗技能訓(xùn)練。 課程的教學(xué)基本要求:使學(xué)生學(xué)懂簡單、完整的單臺計算機的基本部件和整機系統(tǒng)組成，以及計算機部件連接關(guān)系和運行機理，了解計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的入門性知識，掌握使用和簡單維護計算機系統(tǒng)的基本技能。 教學(xué)方法和教學(xué)形式建議:本課程采用遠(yuǎn)程教學(xué)和面授輔導(dǎo)相結(jié)合的方式開展教學(xué)。遠(yuǎn)程教學(xué)包括要求學(xué)生收看電視錄像課、網(wǎng)上的流媒體（IP）課件、網(wǎng)上教學(xué)輔導(dǎo)、實時和非實時答疑等多種教學(xué)形式；面授輔導(dǎo)應(yīng)考慮學(xué)生的在職和成人特點和需求，在業(yè)余時間進行有針對性的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。 平時作業(yè)既是學(xué)生自我檢驗學(xué)習(xí)水平的一種形式，也是很重要的形成性考核手段，各級電大教學(xué)點應(yīng)配合面授輔導(dǎo)教師督促學(xué)生獨立完成并及時批改和反饋，必要時應(yīng)要求學(xué)生重做。 小組討論課是在教師引領(lǐng)下對預(yù)先布置的主題開展討論的一種教學(xué)活動形式。這種教學(xué)活動能夠很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，各級電大教學(xué)點應(yīng)配合面授輔導(dǎo)教師組織實施。同時，小組討論課也是一種形成性考核形式，教師應(yīng)注意把握“引領(lǐng)”、“提問”和“點評”等多個教學(xué)指導(dǎo)環(huán)節(jié)，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給予每個學(xué)生合理的學(xué)習(xí)評價。 課程教學(xué)要求的層次: 1．掌握：屬于課程中最重要的內(nèi)容。要求學(xué)生能夠熟練運用這部分知識對相關(guān)問題做基本的分析、計算和處理，具有基本的應(yīng)用能力和舉一反三的能力。 2．理解：屬于課程中較重要的內(nèi)容。要求學(xué)生能夠運用這部分知識對相關(guān)問題進行簡單的分析、判斷和說明，具有區(qū)別或區(qū)分容易被混淆的概念的能力，以及讀懂原理框圖、流程圖、程序語句和簡單邏輯電路圖的能力。 3．了解：屬于課程中與上述“掌握”和“理解”部分相關(guān)的較復(fù)雜的內(nèi)容，作為提高或擴大知識面的內(nèi)容。要求學(xué)生對這部分知識能夠初步認(rèn)識、學(xué)會、記憶或簡單理解，具有簡要描述、敘述、說明和舉例的能力。 　學(xué)時分配 教學(xué)內(nèi)容 課內(nèi)學(xué)時 一、計算機系統(tǒng)概述 6 二、數(shù)據(jù)表示和運算方法 10 三、運算器部件 8 四、指令系統(tǒng)和匯編程序設(shè)計 9 五、控制器部件 9 六、存儲器系統(tǒng) 12 七、計算機輸入/輸出設(shè)備與系統(tǒng) 12 八、并行計算機體系結(jié)構(gòu) 6 合計 72 第一章節(jié)：計算機系統(tǒng)概述（6學(xué)時） 主要內(nèi)容： 1、 計算機系統(tǒng)的基本組成和它的層次結(jié)構(gòu) 2、 計算機硬件系統(tǒng)的5個功能部件及其功能 3、 計算機硬件的主要的技術(shù)和性能指標(biāo) 4、 計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)概述 5、 計算機系統(tǒng)的發(fā)展、應(yīng)用與分類 教學(xué)要求: 1．了解計算機系統(tǒng)硬軟件的組成和它們的層次關(guān)系； 2．理解計算機硬件系統(tǒng)的5大功能部件和各自的功能； 3．理解計算機部件的連接關(guān)系和整機運行過程的入門性知識； 4．了解3個級別的計算機語言； 5．理解計算機系統(tǒng)的主要性能與技術(shù)指標(biāo)； 6．理解計算機“體系結(jié)構(gòu)”、“組成”和“實現(xiàn)”各自面對的主要問題； 7．了解計算機發(fā)展歷程和應(yīng)用領(lǐng)域； 8．了解計算機系統(tǒng)分類。 知 識 結(jié) 構(gòu) 圖 計算機系統(tǒng) 硬件 軟件 主機 外部設(shè)備 外存儲器 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 中央處理器 內(nèi)存儲器 運算器 控制器 系統(tǒng)軟件 應(yīng)用軟件 操作系統(tǒng) 語言處理程序 服務(wù)性程序 通用軟件 用戶程序 一、 計算機系統(tǒng)的基本組成和它的層次結(jié)構(gòu) 構(gòu)成計算機硬件和軟件的6個層次 5、高級語言層 4、匯編語言層 3、操作系統(tǒng)層 2、指令系統(tǒng)層 1、微體系結(jié)構(gòu)層 0、數(shù)字邏輯層 軟件部分 硬件部分 二、 計算機硬件系統(tǒng)的5個功能部件及其功能 計算機主機 CPU 計算機外圍設(shè)備 接口線路 （輸出設(shè)備） 接口線路 （輸入設(shè)備） 運算器 部件 存儲器 部件 控制器 部件 數(shù)據(jù)總路線 地址總路線 控制總路線 三、 計算機硬件的主要的技術(shù)和性能指標(biāo) 1、 計算機字長 計算機普遍使用二進制，只有0和1兩個值，相鄰數(shù)位之間采用“逢二進一”的規(guī)則處理，在計算機系統(tǒng)內(nèi)部，通常選用多少個二進制位來表示一個數(shù)據(jù)或一條指令是一個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，例如16位、32位或者64位，這個位數(shù)被稱為計算機字長。 2、 CPU速度 衡量CPU速度，通常有兩種方式。 第一種方式使用CPU主頻。 第二種方式使用CPU每一秒鐘能執(zhí)行的指令條數(shù)，單位是MIPS。 3、 存儲容量 計算機中的存儲器通常包括內(nèi)存儲器和外存儲器兩大類。 四、 算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)概述 1、 計算機的體系結(jié)構(gòu) 通常是指涉及機器語言或者匯編語言的程序設(shè)計人員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性，更多說的是計算機的外特性，是硬件子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念及其功能特性。 2、 計算機組成 是在依據(jù)計算機體系結(jié)構(gòu)確定并且分配了硬件子系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)和功能特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計計算機各部件的具體組成、它們之間的連接關(guān)系、實現(xiàn)機器指令級的各種功能和特性。 3、 計算機實現(xiàn) 是計算機組成的物理實現(xiàn)。 五、 算機系統(tǒng)的發(fā)展、應(yīng)用與分類 計算機發(fā)展： 自計算機誕生以來，大約每5~8年，計算機的運算速度可提高10倍，可靠性可提高10倍，體積可縮小至原來的1/10，成本也降低為原來的1/10。自20世紀(jì)70年代以來，計算機的產(chǎn)量以每年25％的速度遞增。 具體可分為五個發(fā)展階段： 第一階段：電子管計算機（1946~1959） 第二階段：晶體管計算機（1959~1964） 第三階段：中小規(guī)模集成電路計算機(1964~1975) 第四階段：大規(guī)模集成電路計算機（1975~1990） 第五階段：新一代計算機（1990~現(xiàn)在） 計算機的分類 按照功能劃分： 通用計算機：巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機、單片機 專用計算機：有效、經(jīng)濟、快速 按照信息的形式和處理方法分： 電子模擬計算機 電子數(shù)字計算機 第六章：數(shù)據(jù)表示和運算方法（10學(xué)時） 主要內(nèi)容： 1、 二進制碼與不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 2、 定點數(shù)在計算機內(nèi)的表示與編碼 3、 浮點數(shù)在計算機內(nèi)的表示 4、 文字和多媒體信息的表示與編碼 5、 數(shù)據(jù)校驗碼 6、 二進制數(shù)值數(shù)據(jù)的運算算法 教學(xué)要求: 　　1．掌握數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換的基本概念，熟練運用各種進制數(shù)間的轉(zhuǎn)換規(guī)則進行手工轉(zhuǎn)換運算； 　　2．掌握原碼、反碼和補碼的基本概念和定義，并能熟練完成定點數(shù)的原碼、反碼和補碼之間的轉(zhuǎn)換； 　　3．理解常用二-十進制數(shù)編碼的特點，能夠說明各種不同編碼的實用意義； 　　4．理解浮點數(shù)在計算機內(nèi)的表示方法，能夠說明階碼和尾數(shù)的位數(shù)與數(shù)值范圍和數(shù)值精度的關(guān)系； 　　5．了解浮點數(shù)的規(guī)格化和隱藏位的含義，會判斷浮點數(shù)的溢出； 　　6．掌握十進制數(shù)與浮點數(shù)間的轉(zhuǎn)換運算； 　　7．了解文字和多媒體信息的表示的基本概念； 　　8．理解檢錯糾錯編碼的用途，能夠區(qū)分幾種常見的校驗碼，能夠說明奇偶校驗碼的實現(xiàn)方法，能夠說明海明碼及循環(huán)碼實現(xiàn)檢錯和糾錯的道理； 　　9．掌握運用定點數(shù)的補碼加減法運算規(guī)則進行基本的運算和溢出檢查的方法； 　　10．了解定點數(shù)的原碼一位乘、除法的可行算法 數(shù)據(jù)表示 和 運算方法 ①各種數(shù)制間的轉(zhuǎn)換 ②定點數(shù)的編碼 ④非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼 ⑤糾錯碼和檢錯碼 ③浮點數(shù)的編碼與規(guī)格化 ⑥補碼加減法、原碼一位乘除法的運算方法 原碼 補碼 反碼 浮點數(shù)的編碼 浮點數(shù)的規(guī)格化 浮點數(shù)的IEEE754標(biāo)準(zhǔn) 西文字符的編碼 漢字的編碼 多媒體信息的編碼 奇偶校驗碼 海明碼 CRC編碼 知 識 結(jié) 構(gòu) 圖 一、 進制碼與不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 1、 十進制到二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換 十進制與二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換要分為整數(shù)與小數(shù)兩種情況分別轉(zhuǎn)換。 ①整數(shù)的轉(zhuǎn)換：采用除2取余，高位至下，直到商為0時結(jié)束。 ②小數(shù)的轉(zhuǎn)換：采用乘2取整，高位至上，位數(shù)達(dá)到要求或小數(shù)部分為0時結(jié)束。 2、 二進制到十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換 二進制到十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換通常按公式（2、2）對二進制數(shù)各位的實際值累加求和完成。 例：（10110）2=124+023+122+121+020=22 3、 八進制到二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換 因為23=8，故1個八進制位對應(yīng)3個二進制位，可以把1個八進制位數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分的每一位分別轉(zhuǎn)換成3個二進制數(shù)。 4、 二進制到八進制數(shù)的轉(zhuǎn)換 因為23=8，故3個二進制位對應(yīng)1個八進制位，可以從小數(shù)點位置分別向左和向右把每3位二進制數(shù)劃分為一組，并轉(zhuǎn)換成1位八進制數(shù)。注意：小數(shù)部分分組時若低位不足3位時要用0補足，否則會出錯。 5、 十六進制到二進制數(shù)的轉(zhuǎn)換 因為24=16，故1個十六進制位對應(yīng)4個二進制位，可以把1個十六進制數(shù)的整數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分的每一位分別轉(zhuǎn)換成4位二進制數(shù)。 6、 二進制制到十六進數(shù)的轉(zhuǎn)換 因為24=16，故4個二進制位對應(yīng)1個十六進制位，可以從小數(shù)點位置分別向左和向右把每4位二進制數(shù)劃分為一組，并轉(zhuǎn)換成1位十六進制數(shù)。注意：小數(shù)部分分組時若低位不足4位要用0補足，否則會出錯。 7、八、十六到十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換 按照公式2、2的規(guī)定，用對各位實際值累加求和的方法完成。 8、十到八、十六進制數(shù)的轉(zhuǎn)換 可先將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的八、十六進制數(shù)；也可以將1個十進制數(shù)直接轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的八進制或十六進制，例如對整數(shù)，采用除8取余、高位在下的原則得到八進制數(shù)；或采用除16取余、高位在下的原則得到十六進制數(shù)。 二、 定點數(shù)在計算機內(nèi)的表示與轉(zhuǎn)換 定點數(shù) 定點數(shù)是指小數(shù)點固定在某個位置上的數(shù)據(jù)，一般有小數(shù)和整數(shù)兩種表示形式。定點小數(shù)是把小數(shù)點固定在數(shù)據(jù)數(shù)值部分的左邊，符號位的右邊；整數(shù)是把小數(shù)點固定在數(shù)據(jù)數(shù)值部分的右邊。我們在前面討論的數(shù)據(jù)都是定點數(shù)。 原碼、反碼、補碼 結(jié)束了各種進制的轉(zhuǎn)換，我們來談?wù)劻硪粋€話題：原碼、反碼、補碼。 我們已經(jīng)知道計算機中，所有數(shù)據(jù)最終都是使用二進制數(shù)表達(dá)。 我們也已經(jīng)學(xué)會如何將一個10進制數(shù)如何轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。 不過，我們?nèi)匀粵]有學(xué)習(xí)一個負(fù)數(shù)如何用二進制表達(dá)。 比如，假設(shè)有一 int 類型的數(shù)，值為5，那么，我們知道它在計算機中表示為： 00000000 00000000 00000000 00000101 5轉(zhuǎn)換成二制是101，不過int類型的數(shù)占用4字節(jié)（32位），所以前面填了一堆0。 現(xiàn)在想知道，-5在計算機中如何表示？ 在計算機中，負(fù)數(shù)以其正值的補碼形式表達(dá)。 什么叫補碼呢？這得從原碼，反碼說起。 原碼：一個整數(shù)，按照絕對值大小轉(zhuǎn)換成的二進制數(shù)，稱為原碼。 比如 00000000 00000000 00000000 00000101 是 5的 原碼。 反碼：將二進制數(shù)按位取反，所得的新二進制數(shù)稱為原二進制數(shù)的反碼。 取反操作指：原為1，得0；原為0，得1。（1變0; 0變1） 比如：將00000000 00000000 00000000 00000101每一位取反，得11111111 11111111 11111111 11111010。 稱：11111111 11111111 11111111 11111010 是 00000000 00000000 00000000 00000101 的反碼。 反碼是相互的，所以也可稱： 11111111 11111111 11111111 11111010 和 00000000 00000000 00000000 00000101 互為反碼。 補碼：反碼加1稱為補碼。 也就是說，要得到一個數(shù)的補碼，先得到反碼，然后將反碼加上1，所得數(shù)稱為補碼。 比如：00000000 00000000 00000000 00000101 的反碼是：11111111 11111111 11111111 11111010。 那么，補碼為： 11111111 11111111 11111111 11111010 + 1 = 11111111 11111111 11111111 11111011 所以，-5 在計算機中表達(dá)為：11111111 11111111 11111111 11111011。轉(zhuǎn)換為十六進制：0xFFFFFFFB。 三、 浮點數(shù)在計算機內(nèi)的表示 浮點數(shù) 浮點數(shù)是指小數(shù)點位置可浮動的數(shù)據(jù)，通常以下式表示： N=M*RE 其中，N為浮點數(shù)，M(mantissa)為尾數(shù)，E(exponent)為階碼，R(radix)稱為“階的基數(shù)(底)”，而且R為一常數(shù)，一般為2、8或16。在一臺計算機中，所有數(shù)據(jù)的R都是相同的，于是不需要在每個數(shù)據(jù)中表示出來。 因此，浮點數(shù)的機內(nèi)表示一般采用以下形式: Ms是尾數(shù)的符號位，設(shè)置在最高位上。 E為階碼，有n+1位，一般為整數(shù)，其中有一位符號位，設(shè)置在E的最高位上，用來表示正階或負(fù)階。M為尾數(shù)，有m位，由Ms和M組成一個定點小數(shù)。Ms=0，表示正號，Ms＝1，表示負(fù)號。為了保證數(shù)據(jù)精度，尾數(shù)通常用規(guī)格化形式表示：當(dāng)R＝2，且尾數(shù)值不為0時，其絕對值應(yīng)大于或等于(0.5)10 。對非規(guī)格化浮點數(shù)，通過將尾數(shù)左移或右移，并修改階碼值使之滿足規(guī)格化要求。假設(shè)浮點數(shù)的尾數(shù)為0.0011，階碼為0100(設(shè)定R=2)，規(guī)格化時，將尾數(shù)左移2位，而成為0．1100，階碼減去(10)2 ，修改成0010，浮點數(shù)的值保持不變。 當(dāng)一個浮點數(shù)的尾數(shù)為0(不論階碼是何值)，或階碼的值比能在機器中表示的最小值還小時，計算機都把該浮點數(shù)看成零值，稱為機器零。 根據(jù)IEEE 754國際標(biāo)準(zhǔn)，常用的浮點數(shù)有兩種袼式： (1) 單精度浮點數(shù)(32位)，階碼8位，尾數(shù)24位(內(nèi)含1位符號位)。 (2) 雙精度浮點數(shù)(64位)，階碼11位，尾數(shù)53位(內(nèi)含1位符號位)。 在多數(shù)通用機中，浮點數(shù)的尾數(shù)用補碼表示，階碼用補碼或移碼表示。 四、 文字和多媒體信息的表示與編碼 1、 西文字符的編碼 西文是由拉丁字母、數(shù)字、標(biāo)點符號及一些特殊的符號所組成的，它們統(tǒng)稱為“字符”（character），主要用于外部設(shè)備和計算機之間的信息交換。所有字符的集合叫做“字符集”。 2、 漢字的編碼 漢字輸入碼、漢字內(nèi)碼、漢字字形碼（輸出碼） 3、 多媒體信息的編碼 ①圖的編碼表示：一幅圖在計算機內(nèi)部有兩個表示方式：“圖像(image)”方式和“圖形(graphics)”方式 ②聲音的編碼表示：計算機處理的聲音可以分為3種：一種是語音，即人的說話聲；第二種是音樂；即各種樂器演奏出的聲音；第三種是效果聲，如掌聲、打雷、爆炸等聲音。在計算機內(nèi)部可以用波形法和合成法兩種方法表示聲音。所有的聲音都可以用波形法來表示，但更多用于語音和效果聲，對于音樂聲，則用合成法表示更好一些。 ③視頻信息的編碼表示：視頻獲取設(shè)備將視頻信號轉(zhuǎn)換為計算機內(nèi)部表示的二進制數(shù)字信息的過程被稱為視頻信息的“數(shù)字化”。視頻信息的數(shù)字化過程比聲音更復(fù)雜一些，它是以一幅幅彩色畫面為單位進行的。 五、 數(shù)據(jù)校驗碼 所謂校驗碼，又稱檢錯碼，是指具有發(fā)現(xiàn)某些錯誤或自動改正錯誤能力的一種數(shù)據(jù)編碼方法，用于檢查或糾正讀寫和傳送數(shù)據(jù)的過程中可能出現(xiàn)的錯誤。 常見的校驗碼有：奇偶校驗碼，海明校驗碼（漢明碼），循環(huán)冗余校驗碼。 六、 二進制數(shù)值數(shù)據(jù)的運算算法 1、 補碼加法與減法運算規(guī)則及電路實現(xiàn) 運算規(guī)則：加減法運算是計算機中最基本的運算，通常選用補碼實現(xiàn)，實現(xiàn)的算法是： [X+Y]補=[X] 補+[Y] 補（MOD2） [X-Y]補=[X] 補+[-Y] 補（MOD2） 2、 原碼一位乘法與除法的運算算法 原碼一位乘法是將符號位與數(shù)值位分開進行運算，乘積的符號是兩個數(shù)符號的異或值，數(shù)值是兩個數(shù)絕對值（原碼表示的數(shù)值位）的乘積。 ①將部分積的一次總加改為分步累加； ②將部分積左移改為部分積右移； ③使部分積連同乘數(shù)一起右移，以便保存雙倍位數(shù)的乘積。 原碼一位乘法的算法是： ①用乘數(shù)寄存器的最低位選擇求部分積的數(shù)據(jù)來源：被乘數(shù)或0值；相加求得部分積并使其右移一位，乘數(shù)也同時右移一位，此時高位部分積的最低位移入乘數(shù)寄存器的高位。 ②用一個特定的寄存器控制相乘次數(shù)（決定于數(shù)據(jù)位的位數(shù)）。 ③用乘數(shù)與被乘數(shù)符號位的異或值作為乘積的符號。 原碼一位除法和原碼乘法一樣，符號位是單獨處理的。實現(xiàn)除法操作時，應(yīng)避免除數(shù)為0，否則屬非法操作。在計算機中，原碼一位除法是采用加減交替法實現(xiàn)的。 第三章節(jié)：計算機的運算器部件（8學(xué)時） 主要內(nèi)容： 1、 算術(shù)邏輯運算部件的功能設(shè)計與線路實現(xiàn) 2、 計算機的定點運算器 3、 浮點運算和浮點運算器 教學(xué)要求： 　　1．掌握定點運算器中ALU的功能； 　　2．了解定點運算器中ALU的線路和實現(xiàn)原理； 　　3．掌握定點運算器的功能與組成，了解運算器在整機系統(tǒng)中的地位； 　　4．理解MIPS計算機的運算器實例的組成特點； 　　5．了解定點運算器Am2901芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，以及用該芯片構(gòu)建運算器部件的方法； 　　6．理解浮點數(shù)的表示方式，會運用浮點數(shù)的運算規(guī)則作簡單計算； 　　7．了解浮點運算器的功能與組成； 　　8．了解CPU芯片內(nèi)的運算器部件的一般組成。 知 識 結(jié) 構(gòu) 圖 計算機的運算器部件件 運算器的功能與組成 浮點運算與浮點運算器部件 定點運算器部件 ALU的線路實現(xiàn) 運算器的組成 運算器的功能 運算器的控制與使用 浮點數(shù)的運算規(guī)則 浮點運算器的功能與組成 浮點運算器實例 定點運算器的功能與組成 定點運算器實例 定點運算器的設(shè)計與實現(xiàn) 一、 計算機的定點運算器 1、 定點運算器部件的功能、組成與控制 運算器部件是計算機五大功能部件中的數(shù)據(jù)加工部件。定點運算器主要完成對整數(shù)類型數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、邏輯型數(shù)據(jù)的邏輯運算功能。運算器位數(shù)取決于機器字長，通常是16位，32位或者64位，它將關(guān)系到處理數(shù)據(jù)的能力；運算器的組成直接關(guān)系到計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和運行性能。 二、 浮點運算和浮點運算器 1、 浮點數(shù)的運算規(guī)則 浮點數(shù)通常有兩種表示方式，一種表示方式用于運算過程，出現(xiàn)在浮點運算器內(nèi)部，另外一種表示表示用于浮點九的存儲過程。 第四章節(jié)：指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計（9學(xué)時） 教學(xué)內(nèi)容： 　　1．指令、計算機指令系統(tǒng)概述； 　　2．指令格式與尋址方式； 　　3．指令系統(tǒng)舉例，PentiumⅡ、MIPS32和教學(xué)示例計算機的指令系統(tǒng)； 　　4．匯編語言程序設(shè)計簡介。 教學(xué)要求： 　　1．理解指令的功能、構(gòu)成格式、操作碼和操作數(shù)地址兩個字段的內(nèi)容和組織方式； 　　2．了解指令分類的方案和分類結(jié)果； 　　3．了解指令周期對計算機性能和硬件結(jié)構(gòu)的影響； 　　4．理解并記憶指令中的形式地址和物理地址的概念； 　　5．理解并敘述幾種常用的尋址方式的用法及其編碼表示； 　　6．了解幾種常用指令系統(tǒng)的組成概貌； 　　7．理解3個級別的計算機語言之間的關(guān)鍵區(qū)別和各自的應(yīng)用場合； 　　8．了解程序中常用到的幾種流程結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的指令或語句； 9．初步學(xué)會設(shè)計簡單的匯編語言程序及其調(diào)試方法。 知 識 結(jié) 構(gòu) 圖 指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計 ①指令 ②指令系統(tǒng) ③匯編語言程序設(shè)計 指令的定義、功能和格式 操作碼字段 操作數(shù)地址字段 基本尋址方式 指令執(zhí)行步驟 指令系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) 指令系統(tǒng)分類 指令系統(tǒng)舉例 指令和匯編語句 程序流程控制 匯編程序設(shè)計舉例 指令、計算機指令系統(tǒng)概述 一、 指令的定義與指令格式 1、 指令的定義 用于組成計算機程序、指示計算機硬件執(zhí)行某項運算或操作功能的命令叫做指令，在計算機內(nèi)部它用于一定的二進位串來表示的。 2、 指令格式 通常情況下，一條指令要由如下兩部分內(nèi)容組成： 第一部分是指令操作碼，第二部分是指令的操作數(shù)地址。 二、 操作碼的組織與編碼 1、 定長的操作碼的組織方案 在當(dāng)多數(shù)的計算機中，一般都在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定長）用于表示操作碼，例如8位，它有256個編碼狀態(tài)，故最多可以表示256條指令。 2、 變長的操作碼的組織方案 當(dāng)計算機的字長與指令長度為16位或8位時，單獨為操作碼劃分出固定的多位后，留給表示操作數(shù)地址的位數(shù)就會嚴(yán)重不足。為此不得不對一個指令字的每一個二進制位的使用精打細(xì)算，使一些位（bit）在不同的指令中有不同的作用。 三、 有關(guān)操作數(shù)的類型、個數(shù)、來源、去向和地址安排 1、 用操作數(shù)個數(shù)區(qū)分指令 從用到的操作數(shù)個數(shù)區(qū)分，可能有如下4種情況： 無操作數(shù)指令 單制作數(shù)指令 雙制作數(shù)指令 多制作數(shù)指令 2、 操作數(shù)的來源、去向及其指令字中的地址安排 操作數(shù)的第1個來源、去向，可以是CPU內(nèi)部的通用寄存器； 操作數(shù)的第2個來源、去向，可以是外圍設(shè)備（接口）中的一個寄存器； 操作數(shù)的第3個來源、去向，可以是內(nèi)存儲器中的一個存儲單元； 在指令字中直接給出一個操作數(shù)，被稱為立即數(shù)。 指令中使用的基本數(shù)據(jù)類型，通常包括邏輯類型，整數(shù)類型和浮點數(shù)類型。 尋址方式概述 計算機中常用的基本尋址方式有如下多種： 1、 立即數(shù)尋址：操作數(shù)直接給出在指令字中，即指令字中直接給出的不再是操作數(shù)地址，而是操作數(shù)本身。 2、 直接尋址：直接尋址是在指令中直接給出操作數(shù)存儲器中的地址，這是計算機中常用的尋址方式之一。 3、 寄存器尋址、寄存器間接尋址：寄存器尋址，是在指令字中給出通用寄存器的編號（名字、地址），用于訪問運算器部件的寄存器組中的寄存器。 4、 變址尋址：變址尋址，是把在指令字中給出的一個數(shù)值（稱為變址偏移量）與一個被稱為變址寄存器的內(nèi)容相加之和作為操作的地址，用于讀寫存儲器。 5、 相對尋址：是指把在指令字中給出的一個數(shù)值與程序計數(shù)器PC的內(nèi)容相加之和作為操作數(shù)的地址或轉(zhuǎn)移指令的轉(zhuǎn)移地址。 6、 基地址尋址：是指把在程序中所用的地址與一個特定的廳存器的內(nèi)容相加之和作為操作數(shù)的地址或指令的地址。 7、 間接尋址：在指令字中給出的不是一個操作數(shù)的地址，而是一個操作數(shù)地址的地址，或一條指令地址的地址。 8、 堆棧尋址：堆棧是存儲器中一塊特定的按“后進先出”原則管理的存儲區(qū)，該存儲區(qū)中被讀寫單元的地址是用一個特定的寄存器給出的，該寄存器被稱為堆棧指針。 指令系統(tǒng)舉例 計算機的指令系統(tǒng)有RISCT 和CISC兩種類型。RISC是精簡指令系統(tǒng)計算機的英語縮寫，它執(zhí)行同樣處理功能的程序所占用的時間要比CISC計算機更短。RISC機器的運行性能可能要比CISC機器高2-5倍。 PentiumⅡ機的指令系統(tǒng)屬于CISC結(jié)構(gòu)；MIPS機的指令系統(tǒng)屬于RISC結(jié)構(gòu)。 第五章節(jié)：控制器部件（9學(xué)時） 教學(xué)內(nèi)容： 　　1．控制器的功能與組成概述； 　　2．硬連線控制器的組成與運行原理； 　　3．微程序控制器組成與運行原理； 　　4．指令流水線的概念和實現(xiàn)技術(shù)。 教學(xué)要求： 　　1．理解并記憶計算機控制器的功能與基本組成，體會控制器在計算機整機中的地位； 　　2．理解并記憶硬連線控制器部件的實際組成及其各子部件的功能； 　　3．了解MIPS32計算機系統(tǒng)及其控制器部件的運行原理； 　　4．了解控制器部件的設(shè)計過程和基礎(chǔ)技術(shù)； 　　5．理解并記憶微程序控制器的一般組成和基本運行原理； 　　6．理解并敘述微指令中的下地地址字段、微命令字段的內(nèi)容及其控制功能； 　　7．了解微程序控制器與硬連線控制器在組成與性能方面的異同之處； 　　8．理解并記憶指令流水線的概念，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)； 　　9．了解指令流水線的實現(xiàn)思路，3類相關(guān)問題及其解決方案； 10．了解指令級并行技術(shù)的概念。 知 識 結(jié) 構(gòu) 圖 控制器部件 ①控制器部件的功能與組成 ②兩種類型的控制器 ③三種不同的指令周期 PCIR步驟標(biāo)記控制信號部件 CPU系統(tǒng)的性能指標(biāo) 單指令周期CPU 多指令周期CPU 指令流水線 硬連線控制器 微程序控制器 在學(xué)習(xí)控制器的過程中，可以用如下幾句話來把握整個的學(xué)習(xí)綱要： 　　　控制器的組成 　　 　控制器的運行原理 　　　控制器，管控制， 　　取指、分析、再執(zhí)行， 　　　PC、IR和時序， 　　 判別中斷并響應(yīng)， 　　　組合邏輯給信號， 　　指令步驟看節(jié)拍， 　　　控存存放微程序。 　　下址續(xù)讀微指令。 一、控制器的功能與組成概述 控制器的作用是向整機系統(tǒng)的每個部件（包括控制器部件本身）提供它們協(xié)同運行所需要的控制信號。 執(zhí)行一條指令，通?？偸且?jīng)過讀取指令，分析指令和執(zhí)行指令所規(guī)定的處理功能3個階段才能完成，這是在控制器的控制下實現(xiàn)的，控制器還要保證計算機能按程序中設(shè)定的指令運行次序，自動地連續(xù)執(zhí)行指令序列。 組成控制器的4個子部件： 執(zhí)行一條指令，要經(jīng)過讀取指令、分析指令、執(zhí)行指令所規(guī)定的處理功能三個階段完成，控制器還要保證能按程序中設(shè)定的指令運行次序，自動地連續(xù)執(zhí)行指令序列。 為此，控制器組成中，必須有一個能提供指令在內(nèi)存中的地址的部件，通稱程序計數(shù)器(PC)，服務(wù)于讀取指令，并接收下條要執(zhí)行的指令的地址。 還要有一個能保存讀來的指令內(nèi)容的部件，通稱指令寄存器(IR)，以提供本指令執(zhí)行的整個過程中要用到的指令本身的主要信息。 控制器的第三個組成成分，是脈沖源、啟?？刂七壿?，指令執(zhí)行的步驟標(biāo)記線路，它標(biāo)記出每條指令的各執(zhí)行步驟的相對次序關(guān)系。 控制器的第四個，也是控制器設(shè)計中最費力的一個組成成分，是全部時序控制信號的產(chǎn)生部件，它依據(jù)指令內(nèi)容、指令的執(zhí)行步驟(時刻)，也許還有些別的什么條件信號，來形成并提供出當(dāng)前各部件時刻要用到的控制信號。計算機整機各硬件系統(tǒng)，正是在這些信號控制下協(xié)同運行，產(chǎn)生予期的執(zhí)行結(jié)果，也就是執(zhí)行一條又一條的指令。 依據(jù)前述控制器的最后兩個組成成分的具體組成與運行原理的不同，通常把控制器區(qū)分為微程序的控制器和組合邏輯(硬布線)的控制器兩大類。 二、 硬連線控制器部件 硬連線控制器又稱為組合邏輯控制器，與微程序控制器共同構(gòu)成計算機通用的兩大類控制器。 1、 硬連線控制器的組成和運行原理簡介 采用邏輯電路直接提供全部控制信號 ?輸入 –操作碼 –指令狀態(tài)字 –指令步驟編碼（節(jié)拍） –外部信號（Reset等） ?輸出 –全部控制信號 ?主要解決的問題 –節(jié)拍轉(zhuǎn)換 –控制信號生成 （1） 組合邏輯控制器用節(jié)拍發(fā)生器（Timing，幾個觸發(fā)器構(gòu)成的時序邏輯電路）不同的狀態(tài)組合來區(qū)分一條指令不同的執(zhí)行步驟，指令執(zhí)行步驟的接續(xù)是通過變換節(jié)拍發(fā)生器的狀態(tài)組合完成的，不同于微程序控制器中通過下地址部件給出不同的微指令地址來實現(xiàn)。這里用節(jié)拍發(fā)生器取代了原來的下地址部件。 （2） 組合邏輯控制器是通過由 “與—或” 兩級邏輯關(guān)系構(gòu)成的時序控制信號產(chǎn)生部件來直接給出全部的時序控制信號。送到第一級各“與門”的輸入信號是指令操作碼和節(jié)拍發(fā)生器的節(jié)拍狀態(tài)(可能還有控制條件)，每個與門產(chǎn)生一個與項輸出，相關(guān)的與項輸出信號送到第二級的 “或門” ，每個或門輸出的就是一個時序控制信號。全部的時序控制信號由許多個 “與—或”邏輯門給出。與用控制存儲器存放全部控制信號的微程序控制方案不同，這里用時序控制信號產(chǎn)生部件取代了原來的控制存儲器，還取消了那里的微指令寄存器線路，把控制信號直接送到被控制的部件。 組合邏輯控制器特點 ?直接用邏輯電路實現(xiàn)，用節(jié)拍標(biāo)記指令步驟，性能良好 ?可擴展性差，兼容性不好 ?適合實現(xiàn)比較精簡的指令系統(tǒng) ?較容易實現(xiàn)并行 ?常用于實現(xiàn)RISC 三、 微程序控制器部件 1、 微程序控制器的基本組成和運行原理 ?每條指令一個執(zhí)行步驟用到的全體控制信號組成一微指令 ?每條指令可以包括一到多個微操作 ?用多條微指令解釋每條指令的整個執(zhí)行過程 ?全部微指令的集合叫做微程序 ?執(zhí)行一條微指令所用的時間被稱為一個微周期。 ?微指令的格式和內(nèi)容： – 下地址字段 控制命令字段 2、微程序設(shè)計中的下地址形成邏輯和微程序設(shè)計 ?順序執(zhí)行下一條微指令 ?無條件轉(zhuǎn)移到某條微指令 ?根據(jù)微指令的某一狀態(tài)結(jié)果，選擇順序執(zhí)行或轉(zhuǎn)向某一地址 ?微子程序調(diào)用，要使用到微堆棧 ?多路轉(zhuǎn)移 ?根據(jù)指令操作碼，轉(zhuǎn)移到指令的入口地址 四、 指令流水線的概念和實現(xiàn)技術(shù) 1、 流水線的基本概念和主要性能指標(biāo) 計算機中的流水線是把一個重復(fù)的過程分解為若干個子過程，每個子過程與其他子過程并地運行。由于這種工作方式與工廠中的生產(chǎn)流水線十分相似，因此稱為流水線技術(shù)。 衡量流水線性能的主要指標(biāo)有吞吐率、加速比和效率。另外，在流水線設(shè)計中，選擇流水線的最佳數(shù)段也是一個重要問題。 組合邏輯與微程序控制器比較 ?相同點 –完成相同的功能 –控制信號基本相同 ?不同點 –控制信號生成部件的組成和實現(xiàn)方式不同 –步驟標(biāo)記實現(xiàn)方式不同 –性能不同 第六章節(jié)：存儲器系統(tǒng)（12學(xué)時） 教學(xué)內(nèi)容： 1．多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)綜述； 　　2．半導(dǎo)體存儲器芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和記憶信息的原理； 　　3．主存儲器的技術(shù)指標(biāo)、基本組成及運行原理； 　　4．輔助存儲器的種類及指標(biāo)要求，硬盤存儲器和磁盤陣列的組成和工作原理； 　　5．光盤機的組成與運行原理簡介； 　　6．Cache存儲器的功能、運行原理及基本結(jié)構(gòu)，Cache的地址映像方式； 　　7．虛擬存儲器的概念與實現(xiàn)； 　　8．Pentium計算機中的存儲器系統(tǒng)。 教學(xué)要求： 　　1．了解存儲器的分類及各類存儲器的特點； 　　2．理解并記憶存儲器系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)及原則； 　　3．了解半導(dǎo)體存儲器芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)記憶的原理； 　　4．掌握主存儲器的組成、技術(shù)指標(biāo)和運行原理； 　　5．理解并記憶硬盤存儲器的基本組成和讀寫過程； 　　6．了解磁盤陣列技術(shù)的相關(guān)概念； 　　7．了解光盤存儲器的組成和運行原理； 　　8．掌握并描述Cache的功能及工作原理； 　　9．理解Cache的3種地址映像方式； 　　10．了解Cache的基本結(jié)構(gòu)； 11．了解虛擬存儲器的基本概念與實現(xiàn)方法。 知 識 結(jié) 構(gòu) 圖 存儲器 系統(tǒng) ①存儲器概述 ②主存儲器 ④輔助存儲器 ⑤高速緩沖存儲器 ③虛擬存儲器 虛擬存儲器的功能 實現(xiàn)與管理方式 存儲器的分類 存儲器的層次結(jié)構(gòu) 主存儲器的組成 主存儲器的功能 主存儲器的技術(shù)指標(biāo) Cache的功能和結(jié)構(gòu) 地址映像方式 替換算法 磁盤存儲器 光盤存儲器 一、 存儲器概述 存儲器 主存儲器 輔助存儲器 緩沖存儲器 隨機存儲器RGM 只讀存儲器ROM 磁盤 磁帶 光盤 靜態(tài) 動態(tài) 1、 存儲器的分類 2、 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) CPU 高速緩存：cache 主存：RAM 外存：硬盤、軟盤、光盤 存取速度 存儲容量 價 格 快 小 高 慢 大 低 二、 半導(dǎo)休存儲器 按存取方式分： 1、 隨機存取存儲器（RAM）：優(yōu)點：讀寫方便，使用靈活；缺點：易失性，一時停電，存儲的內(nèi)容便全部丟失。 2、 只讀存儲器（ROM）：優(yōu)缺點：結(jié)構(gòu)簡單，位密度比RAM存儲器高；具有非易失性，可靠性更高，只能讀出，不能寫入。 按存儲原理分： 1、 靜態(tài)存儲器（SRAM）：優(yōu)缺點：晶體管多、們?nèi)萘可?，功耗比較大；而其主要優(yōu)點是不需要進行刷新，因此簡化了外部電路。 2、 動態(tài)存儲器（DRAM）：用較少的晶體管構(gòu)成一個存儲單元，提高芯片單位面積上的容量，同時也降低了每位價格和功耗。 按信息傳送方式分： 1、 并行存儲器 2、 串行存儲器 三、 主存儲器 1、 主存儲器的基本組成 主存儲器由存儲體、地址譯碼器和讀寫電路及控制電路組成。 2、 主存儲器的基本操作 主存儲器的基本操作是讀操作和寫操作。 3、 存儲容量的擴展 擴展方法根據(jù)需要有位擴展、字?jǐn)U展和字位同時擴展。 4、 提高存儲器系統(tǒng)性能的途徑：相聯(lián)訪問，并行訪問 四、 輔助存儲器 1、 輔助存儲器的種類及技術(shù)指標(biāo) 種類有：硬磁盤、軟磁盤、磁帶和光盤 主要技術(shù)指標(biāo)：存儲密度、存儲容量和尋址時間 2、 硬盤存儲器 硬盤由硬盤驅(qū)動器（HDD）和硬盤控制器（HDC）組成 3、 磁盤陳列技術(shù) 是指把多塊獨立的硬盤（物理硬盤）按某種方式組織起來形成一個硬盤組（邏輯硬盤），從而提供比單個硬盤更高的存儲性能和提供數(shù)據(jù)備份的技術(shù)。 4、 光存儲系統(tǒng)的組成與運行原理 光盤存儲系統(tǒng)由光盤片、光盤驅(qū)動器、控制器和光盤驅(qū)動軟件組成。 光驅(qū)在訪問時有恒定線速度和恒定角速度兩種方式。當(dāng)單位距離的光道上所存儲的信息容量相等時，即內(nèi)、外光道的數(shù)據(jù)記錄密度相同，則采用恒定線速度，這樣可以充分利用盤片的空間。 五、 速緩沖存儲器 1、 cache的結(jié)構(gòu)與運行原理 cache的功能：它的作用在于緩解主存速度慢、跟不上CPU讀寫速度要求的矛盾。 cache的結(jié)構(gòu)與工作原理 程序的局部性原理 cache可能很好的發(fā)揮作用是基于程序訪問的局部性原理。 cache的替換算法 隨機算法，先進先出算法，近期最少使用算法 2、 cache的3種地址映像方式 全相聯(lián)映像、直接映像和組相聯(lián)映像 六、 虛擬存儲器 1、 虛擬存儲器的功能與特點 2、 頁式虛擬存儲器 3、 段式虛擬存儲器 4、 段頁式虛擬存儲器 第七章節(jié)：計算機輸入/輸出系統(tǒng)（12學(xué)時） 教學(xué)內(nèi)容： 　　1．輸入/輸出設(shè)備綜述； 　　2．常用設(shè)備的功能和基本工作原理簡介； 　　3．輸入/輸出接口綜述、端口的編址方式、幾種標(biāo)準(zhǔn)接口的特點； 　　4．常用輸入/輸出方式的控制原理； 　　5．中斷的基本類型、優(yōu)先級別、完整的中斷過程； 　　6．DMA的基本概念及傳送過程； 　　7．總線的功能、組成，總線仲裁和數(shù)據(jù)傳送控制； 　　8．總線標(biāo)準(zhǔn)簡介 　　9．Pentium計算機中的總線系統(tǒng)簡介。 教學(xué)要求： 　　1.了解幾種常用輸入/輸出設(shè)備的功能和基本工作原理，區(qū)分它們的不同種類； 　　2．理解接口的含義、信息交換的過程、具有的功能和類型； 　　3．了解接口電路的兩種端口編址方式的特點； 　　4．理解并區(qū)別幾種標(biāo)準(zhǔn)接口的不同特點； 　　5．理解并區(qū)別幾種輸入/輸出方式的不同特點； 　　6．理解與中斷和DMA相關(guān)的一些重要的基本概念； 　　7．理解并能解釋中斷全過程中涉及到的一些重要名詞和結(jié)論； 　　8．掌握DMA控制器的功能、組成、數(shù)據(jù)傳送方法和過程； 　　9．理解與總線相關(guān)的一些重要的基本概念； 　　10．掌握總線仲裁和數(shù)據(jù)傳送控制等基本的工作原理； 11．了解幾種常用的總線標(biāo)準(zhǔn)和Pentium計算機的總線系統(tǒng)。 知 識 結(jié) 構(gòu) 圖 輸入/輸出設(shè)備與系統(tǒng) ①輸入/輸出設(shè)備 ②輸入/輸出接口 ③常用輸入/輸出方式 ④總線技術(shù) 輸入/輸出設(shè)備分類 工作特點 幾種常用的輸入/輸出設(shè)備簡介 程序查詢方式 程序中斷方式 DMA方式 通道控制方式 外圍處理機方式 接口的基本組成 接口的功能和類型 端口的編址與尋址 幾種標(biāo)準(zhǔn)外部接口簡介 總線的幾個重要概念 總線仲裁和數(shù)據(jù)傳送控制 系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)舉例 pentium計算機的總線系統(tǒng) 一、 輸入/輸出設(shè)備 1、輸入/輸出設(shè)備的分類及工作特點 依據(jù)信息流向的不同，輸入/輸出設(shè)備可以分成輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和輸入輸出設(shè)備等3大類。 按與計算機交換信息的對象不同，輸入/輸出設(shè)備還可以分成人機交互設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、計算機與計算機交互設(shè)備。 特點：異步性、實時性、多樣性。 3、 幾種常用的輸入/輸出設(shè)備簡介 鍵盤：是應(yīng)用最普遍的輸入設(shè)備，由一組排列成矩陣形式的按鍵開關(guān)和相應(yīng)的鍵盤控制器組成。從按鍵的數(shù)量上看，有83鍵至109鍵等多種；從按鍵的開關(guān)的結(jié)構(gòu)看，可分為接觸式和非接觸式兩種。從鍵盤提供給主機的電信號類型看，鍵盤又可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。 鼠標(biāo)器：按鼠標(biāo)的結(jié)構(gòu)不同主要有機械式鼠標(biāo)和光電鼠標(biāo)。 掃描儀：是把實物形式的圖像信息通過掃描的方式轉(zhuǎn)換成電信號，并輸入到計算機中的專門設(shè)備，是一種功能極強的輸入設(shè)備。掃描儀是利用自然界反射光的原理來完成對被掃描圖片或文字稿件的讀取的，其內(nèi)部主要由光學(xué)成像部分、光電轉(zhuǎn)換部分和機械傳動部分組成。目前主要有光電耦合器件（CCD），接觸式圖像傳感器（LIDE）和光電倍增管（PMT）為光電轉(zhuǎn)換元件的3種掃描方式。 顯示器：是以可見光形式、用屏幕顯示信息的計算機輸出設(shè)備。按顯示器主要部件的不同，可分為陰極射線管顯示器（CRT），液晶顯示器（LCD），等離子顯示器（PDP）和場致發(fā)光顯示器。 打印機：是計算機系統(tǒng)的很常用的輸出設(shè)備，從印字原理的不同來區(qū)分，有針式打印機、噴墨打印機、熱敏打印機和激光打印機很多種類，這些打印機按打印的實現(xiàn)方法又可分為擊打式和非擊打式兩大類。 二、 輸入/輸出接口 1、 接口的基本組成、功能和類型 按通用性分類：有通用按口、專用接口。 按外設(shè)與接口間的數(shù)據(jù)傳送方式：有串行接口、并行接口。 按主機訪問外設(shè)的控制方式：程序查詢式接口、程序中斷接口、DMA接口。 按功能的靈活性：編程接口、不可編程接口。 按輸入/輸出的信號類型不同：數(shù)字接口、模擬接口。 2、 端口的編址與尋址 常用的編址方式主要有兩種，一種是I/O端口與主存儲器統(tǒng)一的編址方式，另一種是I/O端口與主存儲器彼此獨立的編址方式。 3、 幾種標(biāo)準(zhǔn)外部接口 串行接口：串行接口又稱之為通信口或COM端口，主要用于需要與系統(tǒng)進行雙向通信的設(shè)備。 并行接口： USB： 三、輸入/輸出方式 1、 程序查詢方式：是一種用于控制主機與外設(shè)間進行數(shù)據(jù)傳送的最簡單方式，它直接通過程序來控制主機和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送，又稱程序直接控制方式。 2、 程序中斷方式 中斷的基本概念 中斷的幾種基本的類型：內(nèi)中斷和外中斷、硬件中斷和軟件中斷、可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。 中斷的優(yōu)先級別問題： 中斷過程：一次完整的中斷過程由中斷請求、中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回四個階段組成。 3、 直接存儲器訪問（DMA）方式 DMA方式的基本概念： DMA傳送過程：一次DMA傳送過程由傳送前的預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳送和傳送結(jié)束處理（后處理）3個階段組成。傳送前的預(yù)處理是由CPU完成的。數(shù)據(jù)傳送是在DMA控制器控制下自動完成的。傳送結(jié)束處理是由數(shù)據(jù)數(shù)量計數(shù)器的值為0引發(fā)出來的。 4、 I/O通道控制方式和I/O處理機方式 四、總線技術(shù) 1、 總線概述 總線的分類： 按信息的類型分類：根據(jù)總線上傳送的信息的類型不同：數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線3種。 按總線的層次分類：根據(jù)總線從里向外的層次：CPU內(nèi)部總線、部件內(nèi)總線、系統(tǒng)總線和外總線。 按總線的結(jié)構(gòu)分類：根據(jù)總線的結(jié)構(gòu)，還可以分為單總線、雙總線和三總線等。 總線的連接與傳送方式 總線的連接應(yīng)同時具有物理和邏輯上的兩種連接。 數(shù)據(jù)傳送方式：總線的信息傳輸有串行傳送、并行傳送、復(fù)用傳送和數(shù)據(jù)包傳送4種基本方式。 總線周期 總線周期通常指的是通過總線完成一次內(nèi)存讀寫操作或完成一次輸出設(shè)備的讀寫操作所必需的時間。 依據(jù)具體的操作性質(zhì)，可以把一個總線周期區(qū)分為內(nèi)存讀周期、內(nèi)存寫周期，I/O讀周期和I/O讀周期和I/O寫周期4種類型。 2、 總線仲裁和數(shù)據(jù)傳送控制 3、 系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)舉例 第八章節(jié)：并行計算機體系結(jié)構(gòu)（6學(xué)時） 教學(xué)內(nèi)容： 　　1．并行處理的概念，需要解決的問題和實現(xiàn)途徑； 　　2．向量處理機的構(gòu)成； 　　3．多處理機系統(tǒng)； 　　4．多計算機系統(tǒng)。 教學(xué)要求： 　　1．了解并行處理的概念，需要解決的問題和實現(xiàn)途徑； 　　2．了解向量處理機的一般組成和工作原理； 　　3．了解多處理機系統(tǒng)可行的構(gòu)建方式和運行原理； 　　4．了解多計算機系統(tǒng)可行的構(gòu)建方式和運行原理。 知 識 結(jié) 構(gòu) 圖 并行計算機 體系結(jié)構(gòu) ①并行計算機系統(tǒng)分類 ②并行計算機的性能 ③并行計算機的軟件問題 件問題 SISD體系結(jié)構(gòu) SIMD體系結(jié)構(gòu) MISD體系結(jié)構(gòu) MIMD體系結(jié)構(gòu) 控制模式 并行粒度 計算模式 通迅方式 同步原語 硬件性能 軟件性能 一、 基礎(chǔ)知識與基本概念 1、 計算機體系結(jié)構(gòu)分類 SISD體系結(jié)構(gòu)、SIMD體系結(jié)構(gòu)、MISD體系結(jié)構(gòu)、MIMD體系結(jié)構(gòu) 2、 并行計算機系統(tǒng)的性能問題 硬件性能指標(biāo)：延時(latency)和帶寬（bandwidth） 軟件性能指標(biāo)：從軟件的角度來看，關(guān)鍵的性能指標(biāo)是加速比（speedup） 獲得更高的性能 幾種常用的技術(shù)：數(shù)據(jù)復(fù)制（data replication）、數(shù)據(jù)預(yù)?。╫refetching） 多線程（multithreading）技術(shù)、使用無阻塞的寫，當(dāng)執(zhí)行STORE指令時，CPU不必等待STORE指令完成就繼續(xù)運行。 3、 并行計算機系統(tǒng)的軟件技術(shù) 1、 并行計算機系統(tǒng)的軟件技術(shù)通?？赡苌婕?個關(guān)鍵技術(shù)：控制模式、并行粒度、計算模式、通迅方式、同步原語 2、 并行計算機系統(tǒng)的性能問題 硬件性能指標(biāo)：從硬件角度來說，重要的性能指標(biāo)是CPU和輸入/輸出的速度以及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的功能（延時和帶寬）。 軟件性能指標(biāo)：從軟件角度來說，關(guān)鍵的性能指標(biāo)是加速比。 獲得更高的性能最直觀的辦法就是給系統(tǒng)增加更多的CPU。但要注意增加CPU時會不會產(chǎn)生明顯的“瓶頸”。 3、 并行計算機系統(tǒng)的軟件技術(shù) 并行計算機軟件通?？赡苌婕?個關(guān)鍵技術(shù)：控制模式、并行粒度、計算模式、通信方式和同步原語。 二、SIMD計算機簡介 SIMD單指令流多數(shù)據(jù)流計算機分為陣列處理機和向時處理機兩大類。 三、基于共享內(nèi)存的多處理機系統(tǒng) 多處理機系統(tǒng)是具有多個CPU，并且所有的CPU共享同一個地址空間的計算機系統(tǒng)。多處理系統(tǒng)有時也被稱為共享內(nèi)存系統(tǒng)。 四、基于消息傳遞的多計算機系統(tǒng) 多計算機系統(tǒng)是屬于MIMD中的另外一類系統(tǒng)，它能夠使用2 048甚至9 416個CPU，多計算機系統(tǒng)通常是松散耦合的，與多處理機系統(tǒng)相比結(jié)構(gòu)簡單而且造價便宜。 在多計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，每個CPU都有自己獨立的物理地址空間，這種體系結(jié)構(gòu)有時也被稱為分布式內(nèi)存系統(tǒng)。 多計算機系統(tǒng)中沒有硬件實現(xiàn)的共享內(nèi)存，各CPU不能通過讀寫共享內(nèi)存進行通信，需要另一種不同的通信機制。 大規(guī)模并行處理機MPP：被用于科學(xué)計算、工程計算和其他需要大量計算的工業(yè)部門，這是事處價值數(shù)百萬的超級計算機系統(tǒng)。大多數(shù)的MPP系統(tǒng)都使用標(biāo)準(zhǔn)的商用CPU作為它們的處理器。 工作站集群COW：也被稱為工作站網(wǎng)絡(luò)COW，COW系統(tǒng)是由數(shù)百臺PC機或者工作站通過商用網(wǎng)絡(luò)連接在一起構(gòu)成的。從體系結(jié)構(gòu)上講，COW和MPP相比，有兩個不同點：一、COW的結(jié)點是更完整的計算機，計算機可以是同構(gòu)也可以是異構(gòu)。結(jié)點都有自己的磁盤，駐留有自己的操作系統(tǒng)；并且，一般都有一定的自主性，結(jié)點計算機脫離COW照樣能運行；二、COW一般采用商售的標(biāo)準(zhǔn)高速局域網(wǎng)或系統(tǒng)域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)通常是與結(jié)點計算機的I/O總線相連。 COW系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的主要有兩種：集中式的和分散式的。