《计算机组成原理》教案(48学时)

附件1：教案首页教案2013～2014学年第2学期课程编号：(2013-2014-2)-ZX1080013-08040-1授课专业：计算机科学与技术（软件方向）授课班级：12计本（网络）任课教师：梁海英二级学院：计算机科学与信息工程学院教研室：物联网工程2附件2：教案封二课程基本信息课程名称计算机组成原理课程类型必修课公共课（）专业课（√）选修课限选课（√）任选课（）授课方式理论课讲授（√）实验（践）课（）考核方式考试（√）考查（）课程教学总学时数48学时学分数3学分学时分配理论讲授：48学时实验（践）：学时上机：学时基本教材与主要参考资料：《计算机组成原理》（第五版）白中英主编，科学出版社，2013.03。《计算机组成与结构》（第五版）王爱英主编，清华大学出版社2013.01。课程目标：本课程旨在让学生熟悉运算器、存储器、控制器等部件的构成原理、功能和作用，以便更好地开发和利用硬件资源，提高计算机的利用效率。课程的目的：1、熟悉计算机组成结构、原理、功能、作用。2、理解计算机硬件与软件之间的关系。3、为计算机系统的学习和应用打下良好的基础。教学重点及难点：教学重点：运算器、存储器、控制器等部件的构成原理、功能和作用，及各部件之间协调工作。难点：运算器和控制器的功能、组成及工作原理注：表中（）选项请打“√”。3附件3：章节或分次(课时)教案计算机组成原理课程授课教案周次1课次1课时2课型√理论课□讨论课□实验课□习题课□其他章节名称第1章计算机系统概论教学目的及要求：目的：掌握计算机硬件系统和软件系统的组成与功能了解计算机系统的五级层次结构要求：从不同的角度理解并掌握计算机硬件系统结构教学重点与难点：重点：计算机硬件系统结构难点：计算机系统层次结构教学方式方法、手段：讲授法、归纳法辅助手段：图表法教学过程：一、计算机硬件系统如图1.1和图1.2所示计算机系统硬件系统软件系统外存I/O设备外设磁盘光盘U盘……输入设备：外设＝CPU输出设备：CPU＝外设主机CPU内存运算器：算术运算和逻辑运算控制器：控制各部件协调工作RAMROM系统软件应用软件操作系统数据管理系统服务程序语言处理程序……高级语言解释程序高级语言编译程序汇编语言汇编程序连接程序调试程序存储器存储程序和数据图1.1计算机系统4CPU主存MEMI/O接口适配器外设DMAC图1.2计算机各硬件之间的通路二、计算机软件系统如图1.1和图1.3所示计算机语言低级语言高级语言解释方式执行的高级语言编译方式执行的高级语言解释程序高级语言源程序＝＝＝＝＝结果边解释边执行编译程序连接程序高级语言源程序＝＝＝＝目标程序＝＝＝可执行文件＝＝结果编译连接执行机器语言：0、1二进制代码构成的语言，执行速度快汇编语言：符号语言，经过汇编程序汇编，执行速度慢可移植性差图1.3计算机语言三、计算机系统层次结构级别说明第5级高级语言级第4级汇编语言级第3级操作系统级第2级机器语言级第1级微程序级（硬件级）讨论、练习、作业：无教学反思：能够清晰地讲解课程的重点、难点，内容讲解透彻、层次清晰、逻辑性强、信息量大，时间分配合理，师生互动效果良好，板书工整。参考书目资料：《计算机组成与结构》（第五版）王爱英著，清华大学出版社2013.01填表说明：1.每项页面大小可自行添减，一次课（二或三节）写一份上述格式教案。重复班只填写一份。2.课次为授课次序，填1、2、3……等。5附件3：章节或分次(课时)教案计算机组成原理课程授课教案周次1课次2课时2课型√理论课□讨论课□实验课□习题课□其他章节名称2.1数据的表示教学目的及要求：目的：掌握数制及数制之间的转换方法掌握带符号数的四种编码表示方法及其相互转换要求：熟练进行数制转换、编码转换教学重点与难点：重点：原码、反码、补码、移码之间的相互转换难点：带符号定点数的四种编码与真值之间的转换教学方式方法、手段：讲授法、归纳法辅助手段：图表法教学过程：一、数制及其转换方法（一）数制数制基本数码位系数Ki基数位权位值权展开式十进制0～91010iKi*10i10*1iinmik二进制0、122iKi*2i2*1iinmik八进制0～788iKi*8i8*1iinmik十六进制0～9、A～F1616iKi*16i16*1iinmik（二）数制之间的转换（等值、相互）1.十进制与N进制之间的转换（N为2、8、16）1）十进制－N进制（按权相加法）即将N进制数的权展开式写出来，然后用十进制的运算规则进行运算，最后相加得到的和，即为该N进制数转换到的等值十进制数。2）十进制－N进制（1）整数部分（除基逆取余，商为零止）用该十进制的整数部分，除以要转换到的进制的基数，除到商为零时停止，然后按逆序取每次得到的余数，即为该十进制数转换到的等值N进制数。（2）小数部分（乘基顺取余，达精度止）用该十进制的小数部分，乘以要转换到的进制的基数，乘到满足精度要求为止，然后按顺序取每次得到的整数，即为该十进制数转换到的等值N进6制数。2.二进制与2m进制之间的转换（m为3、4）1）二进制－2m进制（m位变1位）对二进制数以小数点为界，向左右两侧进行分组，每m位为1组，1组转换成1位2m进制的数。2）二进制－2m进制（1位变m位）用除基逆取余法，将1位2m进制的数转换成m位二进制数。二、带符号定点数的编码表示及其相互转换（一）定点数的概念（小数点位置固定的数，表示时可省略小数点）1.定点整数：小数点位置固定在数值位的末尾2.定点小数：小数点位置固定在数值位的前面3.定点数表示方法类别符号位数值位说明定点整数XnXn-1Xn-2……X1X0N位定点整数定点小数X0X-1X-2……X-(m-1)X-mM位定点小数（二）带符号定点数的编码表示（适用于定点整数和定点小数）1.带符号数的机器码1）真值：带“＋、－”号的数2）符号数值化：即用0和1表示“＋、－”号3）用二进制数表示4）有四种编码方式：原码、反码、补码、移码2.原码（符号位连接绝对值的数值位|X|）[X]原=0|X|，X0[X]原=1|X|，X0定点字节整数原码表示数的范围如表2.2所示，范围为：－（28-1-1）～＋（28-1-1），则n位定点整数原码表示数的范围为：－（2n-1-1）～＋（2n-1-1），其中＋0和－0的原码是不相同的。二进制数原码范围反码范围补码范围个数00000000＋0＋0＋0128个正数……………………01111111＋127＋127＋12710000000－0－127－128128个负数……………………11111111－127－0－13.反码（负数的反码为其原码数值位按位取反，符号位不变）[X]反=0|X|，X0[X]反=1||X，X0定点字节整数反码表示数的范围如表2.2所示，范围为：－（28-1-1）～＋（28-1-1），则n位定点整数反码表示数的范围为：－（2n-1-1）～＋（2n-1-1），其中＋0和－0的反码是不相同的。4.补码（负数的补码为其反码数值位末位加1，符号位不变）[X]补=0|X|，X0[X]补=1(||X+1)，X07定点字节整数补码表示数的范围如表2.2所示，范围为：－28-1～＋（28-1-1），则n位定点整数补码表示数的范围为：－2n-1～＋（2n-1-1），其中＋0和－0的补码是相同的。5.移码（也叫增码，移码为其补码符号位取反，数值位不变）[X]移=1|X|，X0[X]移=0(||X+1)，X0移码只用来表示浮点数阶码，只进行加减运算。（三）带符号定点数的编码之间的转换1.正数的原码、反码和补码是一样的，符号位固定为02.负数的原码、反码和补码关系为：1）符号位固定为12）负数的反码为其原码数值位按位取反，符号位不变3）负数的补码为其反码数值位末位加1，符号位不变4）负数的原码为其补码数值位末位减1再变反，或者补码数值位变反末位加1，符号位不变3.移码和补码的关系为：移码为补码符号位取反，数值位不变讨论、练习、作业：62页第1、2题教学反思：能够清晰地讲解课程的重点、难点，内容讲解透彻、层次清晰、逻辑性强、信息量大，时间分配合理，师生互动效果良好，板书工整。参考书目资料：《计算机组成与结构》（第五版）王爱英著，清华大学出版社2013.01填表说明：1.每项页面大小可自行添减，一次课（二或三节）写一份上述格式教案。重复班只填写一份。2.课次为授课次序，填1、2、3……等。8附件3：章节或分次(课时)教案计算机组成原理课程授课教案周次2课次3课时2课型√理论课□讨论课□实验课□习题课□其他章节名称2.2定点加法、减法运算教学目的及要求：目的：熟练掌握用补码定点加法、补码定点减法运算的方法要求：熟练进行定点加法运算、定点减法运算教学重点与难点：重点：定点加法、减法运算难点：定点加法、减法运算方法教学方式方法、手段：讲授法、归纳法辅助手段：图表法教学过程：一、定点加法运算（一）补码加法1.公式：[X]补＋[Y]补=[X＋Y]补（mod2n+1）2.例题：27页例11和例12题（二）补码加法溢出检测方法1.溢出的概念：超出所能表示数的范围2.溢出检测方法（1）双符号位法：也称变形补码法两个加数X和Y分别用双符号位补码进行运算，00表示正数，11表示负数，若相加结果两符号位相同，则没有溢出，否则有溢出，10表示负溢，01表示正溢。溢出标志V＝Sf1⊕Sf2例题：29页例17和例18（2）单符号法两个加数X和Y分别用单符号位补码进行加法运算，0表示正数，1表示负数，若相加结果最高数值位进位标志C0和符号位进位标志Cf不一致，则有溢出，否则无溢出。溢出标志V＝Cf⊕C0（四）基本的二进制加法/减法器1.一位全加器FAAiBiCi+1SiCi2.n位串行（行波）进位加法器9FAAn-1Bn-1CnSn-1Cn-1FAAn-2Bn-2Sn-2Cn-2……FAA1B1S1C1FAA0B0S0C0二、定点减法运算1.公式：[X－Y]补=[X]补＋[－Y]补2.[－Y]补的求法：将[Y]补所有位（包括符号位）变反，末位加1。此过程叫做求补运算，不是求补码。3.例题：28页例13和例14题讨论、练习、作业：62页第5、6题教学反思：能够清晰地讲解课程的重点、难点，内容讲解透彻、层次清晰、逻辑性强、信息量大，时间分配合理，师生互动效果良好，板书工整。参考书目资料：《计算机组成与结构》（第五版）王爱英著，清华大学出版社2013.01填表说明：1.每项页面大小可自行添减，一次课（二或三节）写一份上述格式教案。重复班只填写一份。2.课次为授课次序，填1、2、3……等。10附件3：章节或分次(课时)教案计算机组成原理课程授课教案周次3课次4课时2课型√理论课□讨论课□实验课□习题课□其他章节名称2.3定点乘法（上）教学目的及要求：目的：熟练掌握用原码乘法运算的方法要求：熟练进行定点乘法运算教学重点与难点：重点：定点乘法运算难点：定点阵列乘法运算方法教学方式方法、手段：讲授法、归纳法辅助手段：图表法教学过程：定点原码并行乘法运算1.不带符号的阵列乘法器已知：被乘数[X]原=XfXm-1……X1X0，乘数[Y]原=YfYn-1……Y1Y0则：乘积[Z]原=（Xf⊕Yf）（Xm-1……X1X0）*（Yn-1……Y1Y0）=ZfZm+n-1……Z1Z0其中：Xf和Yf分别为被乘数与乘数的符号位；乘积数值位被乘数与乘数的数值位之和，即m+n位。运算规则：1）乘积的符号位为两数的符号位异或，即Zf=Xf⊕Yf2）乘积的数值部分则是两个正数相乘之积即Zm+n-1……Z1Z0=（Xm-1……X1X0）*（Yn-1……Y1Y0）数值相乘的过程与手工乘法类似：Xm-1Xm-2……X1X0X）Yn-1……Y1Y0Xm-1Y0Xm-2Y0……X1Y0X0Y0Xm-1Y1Xm-2Y1……X1Y1X0Y1……………＋）Xm-1Yn-1Xm-2Yn-1……X1Yn-1X0Yn-1Zm+n-1……Z1Z0上述过程说明了与门电路产生被加数的过程及mXn乘法阵列实现被加