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计算机组成原理指令系统相关论文篇一
《基于专业规范的“计算机组成原理”课程改革》
摘要：以教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会的专业规范为指导，针对计算机组成原理课程的特点，从以专业规范为基础优化教学内容、改进教学方法和丰富教学手段等方面进行了探讨和实践。分析实验教学现状，指出存在的问题，提出通过改编实验设计，加强实验教学过程指导，提高实验教学效果。以专业规范为指导，从理论教学和实验教学两方面为“计算机组成原理”课程改革提出了新的建议。
关键词：专业规范;计算机组成原理;课程改革;理论教学;实验教学
随着计算机和通信技术的蓬勃发展，中国开始进入信息化时代，计算机及技术的应用更加广泛深入，计算机学科传统的专业优势已经不再存在。社会和应用对学生在计算机领域的知识与能力提出了新的要求。专家们指出，未来10～15年是我国信息技术发展的窗口期、关键期。为此，高等学校肩负着为国家发展和满足社会需求培养多类型人才的重任。在这样的背景下，高校必须正视问题，积极思索与变革，重新审视计算机专业教育的发展方向，与时俱进地推进计算机专业教育改革。
《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业必修的一门专业主干课程。课程要求掌握计算机系统各部件的组成和工作原理、相互联系和作用，最终达到从系统、整机的角度理解计算机的结构与组成，并为后续课程的学习奠定基础。但从整个学科的建设和发展，以及对学生专业素质培养的角度来看，这样的要求是不够的。更为重要的是，通过教与学，还应当提高学生对计算机硬件系统的认知能力和设计能力，强化实践意识与能力，培养创新理念与能力，激发学生自主学习、主动探索前沿知识。教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会在2006年发布了计算机科学与技术本科专业战略报告和专业规范，对计算机专业的发展与教学提出了指导意见。本文探讨以专业规范为指导对计算机组成原理课程进行改革，研究并实践一种有效的教学模式，帮助学生从微观层面掌握本课程知识单元，从宏观层面建立该课程知识体系，使学生准确把握课程的核心内容，全面地构建整机系统，进而培养学生的专业素养和综合能力。
1、计算机科学与技术专业规范
教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会(以下简称教指委)在广泛深入的调查研究基础上，借鉴国际上计算机专业办学的发展与现状，结合我国计算机教育的实际情况，对计算机专业本科教育的发展方向和办学单位的专业发展提出了指导性意见，并制定了具体的《专业规范》。
教指委在计算机科学与技术专业发展战略研究报告和专业规范中提出了以“培养规格分类”为核心思想的计算机专业发展建议，将计算机学科分为三种类型四个方向，即：科学型(计算机科学方向CS)、工程型(包括计算机工程方向CE和软件工程方向SE)、应用型(信息技术方向IT)。针对每个类型的每个方向的特点和要求，专业规范从学科方法论、培养目标与规格、教育内容和知识体系等方面进行了详细的规划，提出了富有建设性的指导意见。
专业规范中明确指出，“计算机组成基础”是计算机科学方向和计算机工程方向的核心课程，并且对实验、综合性课程设计和核心的教学内容提出了规范要求。在软件工程方向和信息技术方向，“计算机组成基础”是核心知识领域计算基础(SE-CMP)和平台技术(IT-PT)的核心知识单元。专业规范根据课程体系对每一门课程内容、知识要点、学习目标等都进行了详细的设计与组织。在专业规范中，“计算机组成基础”的理论教学课时一般为48～56，实验课时一般为8～16，是计算机体系结构、操作系统、嵌入式系统和计算机网络等课程的先修课程，重点涵盖了计算机运算、存储系统组织和结构、功能组织等多个知识单元。本文主要探讨在专业规范的指导下，“计算机组成原理”课程的教学改革与建设。
2、课程内容组成及改革
2.1课程改革的基本原则。教指委的专业规范为计算机组成原理教学大纲和教学计划的制定，以及课程在课堂教学和实验教学上提供了指导性的意见，是我们推进课程改革的重要参考。以教指委专业规范为指导，结合学校的实际情况是计算机组成原理课程改革的原则之一。在具体的教学过程中，课程改革必须依据计算机组成原理课程的教学目标、内容和特点。其次，课程改革还应当联系学校的实际情况，如学校育人目标的定位、学校的教学与实验条件、学生的知识基础等。教指委的战略报告中也明确了提出了这种改革思路。因此，在综合分析了学校和学生的实际情况后，我们确定了注重知识结构的特色和执行深度，加强学生实践操作思维与能力的培养，因人而宜地进行点面结合的改革原则。第三，在信息化时代，社会竞争压力日益激烈，学生就业压力不断增大，学生在学校在课堂学到的方法、知识与能力将直接影响到学生在竞聘和后续发展的竞争力，例如，企业等用人单位在招聘人才时关注学生的以学习能力为代表的发展潜力和动手能力，因此，课程改革的推进，应当兼顾国家的需要、社会的需求和企业的要求。为此，我们基于上述原则，从教学指导思想和教学方法两个方面，从知识讲授和能力培养两个层次上，对“计算机组成原理”课程改革进行了详细设计与组织，建立了一套有效的教学模式，帮助学生从宏观和微观两个层面系统地掌握课程知识，进而培养学生学习和探索知识的意识、兴趣和能力。
2.2课程改革与实践
(1)优化教学内容和教学组织方法.针对本门课程的要求和特点，我们对教学内容进行了优化设计，提出了宏观与微观分层讲授，相互贯穿的教学组织方法。内容组织方面，在宏观上强调对部件的功能及整机系统的需求进行分析与讲解，在微观上重点强调实现这些功能的各组成部件的结构、设计与工作原理。通过分析比较国内外一些大学同类课程的教学内容、实施方法和教学改革后发现，这些学校在课程的教学内容上差别基本不大，核心知识单元主要包括：数据在机器中的表示、存储器的组织与结构、指令系统、中央处理器、总线系统和外围设备与接口等。在课时有限的情况下，为了高效地完成教学任务，达到教学目标，我们本着把握基础、突出重点、明确主线的方针对本门课程知识点进行了分析与优化，尤其是存储系统、中央处理器和I/O技术等知识领域。对专业规范要求的每个知识单元和教材的每一章，明确其中必须掌握的基础知识和重点，加强与之结合实例内容;对仅仅要求了解的和一些比较容易掌握的的内容，以引导学生自学为主，减少其课堂教学时间;弱化“过时”内容，及时补充新技术新方法，保持课程内容的时代性。以存储系统和结构为例，首先从宏观的角度对计算机在数据存储、交换上的需求进行分析，使学生明确存储系统在整机中的地位与作用，进而分析存储系统的功能，使学生从整体上把握存储系统的结构与组成，同时对某类型计算机的实际情况进行分析，加深学生的理解。然后引导学生对存储系统中的具体部件从微观的角度分层次地进行分析。接着对SRAM和DRAM的基本存储元进行解析，由这些存储元构成存储单元，再到芯片，最终扩展形成存储器。再结合实例和计算机的实际情况对Cache和虚拟存储器进行详细讲解。在新技术方面，介绍DDR与DDRⅡ的情况，要求学生自己去查阅DDRⅢ等技术资料。最后再将这些各层次的部件串起来，从整体到细节地明确存储系统的功能、工作原理及实现。
(2)从问题出发，实施动力式教学通过研究比较发现，国内外的同行在本门课程的教学中，在知识讲授和能力培养两个大方面上有着较大的差异。“计算机组成原理”课程的教学，应使学生尽快建立计算机的整体概念，透彻地理解和掌握课程知识点，从宏观和微观层面上理解和把握计算机各部件的原理、组成及相互联系，进而达到能力培养的目标。在现代教育理念中，教学设计应当以“学”为中心，学生是教学活动的主体，是知识学习的主动建构者，教师在教学过程中发挥着组织者、指导者和促进者的作用。课堂教学应当侧重于引导学生主动学习与思考，要灵活地将互动式、启发式和任务驱动式等教学方法结合起来，而不是单一地采用某种方式对学生进行灌输。而且有必要设计一些教学环节对学生进行启发，在课堂内外与学生进行互动与讨论，尤其是一些新技术，引导学生学习研究的方法与方向，从而激发学生学习的兴趣和主动性，进而培养他们的自主学习能力、研究能力和创新能力。加强课堂教学的提问与讨论环节，不仅可以活跃课堂气氛，活跃学生思维，而且可以促使学生在课余主动地学习和对问题进行钻研，从而高效深入的学习和掌握知识。这是互动式和启发式教学的重要手段之一。如针对计算机外围设备在种类和技术方面的一些问题，提问学生回答问题，并藉此与学生讨论新技术新发展，引领学生突破思维定势，培养创新意识等。针对专业规范中知识单元的一些重要知识点，有意提出或设计一些问题和目标，将其作为任务交由学生去分析解答。这是任务式和问题式教学的重要手段之一。学生或个人或合作对任务进行分析，找到问题所在，通过讨论、学习或搜索等方法解决任务，并进行总结归纳。在此过程中，学生通过学习与研究，发现隐含在问题和目标背后的知识，形成解决问题的研究能力和自主学习能力。如在中央处理器一章中，要求学生对CPU发展的新动态进行研究。学生通过上网搜索、查阅文献等手段收集了大量的资料，了解了CPU的发展历程，对一些实际的参数，如Cache的大小与级数、流水线条数、工作频率、前段总线等都有所了解，加深了对CPU的认识。引导学生将单核、双核和多核CPU进行对比，分析它们最新的技术和发展趋势等。通过这样的方法取得了良好的教学效果。
(3)充分利用现代教学手段现代教学手段也是提高教学效果，培养学生综合能力的重要一环。多媒体课件、动画演示、实物展示与剖析等方法可使抽象难讲的内容变得具体、生动和形象，使学生寓教于乐，对于改善教学效果非常好。例如，定点乘除法运算的阵列运算方法使用动画演示比直接讲解的效果要好，且更能吸引学生的注意力;补码原码转换关系推导等还是采用传统的黑板比较好。在教学过程中，我们发现将一些需要动画演示的课件交由学生负责完成，激发了学生学习的兴趣和积极性。同时，利用网络进行课程建设、答疑、意见交流已经成为我们基本的教学手段。
3、实验改革与实践
加强计算机专业的实验教学已经成为共识，教指委的专业规范将计算机原理实验列为典型的必须的实验，并提高了课时数。实验将使学生掌握计算机硬件设计、调试和运行维护等多方面的技能，训练学生的动手能力，培养创新能力以及认真、严谨的科研作风。但学生的动手能力不强现在是一个比较普遍的问题。因此，计算机专业应当强调实践教学体系、实验设计和指导执行等软环节。计算机组成原理实验主要有验证性实验、综合性实验和设计性实验三个层次，涉及的内容主要有数据通路、运算器、存储器、微程序控制器，以及整机设计等。
首先，实验内容的选取和设计对实验教学效果有着重要的影响。不同的学校，不同层次的学生应当有不同的选择和不同的设计。一般来说，从课程的基本要求和培养学生的基本能力角度出发，基础性的验证性实验是必须的。对硬件方向要求较高的有条件的学校，应当开设设计性实验，如对整机进行设计等，以及引入FPGA技术等实现相关实验。其次，因材施教，对不同的学生有不同的要求和指导是必要的。针对一些复杂的难度较大的实验，可以采取开设实验选修课程，或者是将其列为选做实验。实验课教师则对这些要求进一步学习的同学进行另外的指导，加大课外实验课时，并可以将他们组建学习小组来进行研究性的探索。第三，实验课的主要目的是对学生观察能力、思维能力、操作能力和表达能力的综合培养。
在培养过程中，教师的教学指导和规范实验过程是重要的两个环节。教师的教学指导不是事无巨细地告诉学生该做什么，而是将重点内容告诉学生后，重点引导学生去思考和探索，从而达到实验目的。而且应当强调过程指导，即注重发现并引导学生分析实验过程中出现的问题，提示和鼓励他们去解决问题，从而通过这个过程使学生探索计算机硬件的特点和规律。规范实验过程，例如规范实验报告、实践过程中的操作规范、分析问题和解决问题的方法与描述等，是对计算机组成原理实验的重要要求，对学生综合能力的养成有着潜移默化的作用。
计算机组成原理指令系统相关论文篇二
《浅说计算机组成原理课程》
摘要：计算机组成原理是计算机专业一门重要的主干课程，以数字逻辑为基础的课程。同时也是计算机结构、操作系统等专业课的学习基础。课程任务是使学生掌握计算机组成部件的工作原理、逻辑实现、设计方法及将各部件接连成整机的方法，建立CPU级和硬件系统级的整机概念，培养学生对计算机硬件系统的分析、开发与设计能力。同时该课程也是学好计算机硬件系列课程的重要基础。所以，我们需要了解计算机的基本概念、计算机硬件系统以及软件系统的组成及其基本功能。学习计算机的各个基本组成部件及控制单元的工作原理，掌握有关软件、硬件的基本知识，尤其是各基本组成部件有机连接构成整机的方法。
关键词：计算机系统;硬件结构;软件结构;控制单元;指令
一、计算机组成原理课程综述
顾名思义，计算机组成原理就是介绍计算机的组成，冯-诺依曼计算机由五大部件组成，分别是运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。现今绝大部门都是此类型计算机。通过对这么课的学习对计算机的组成有个整体的概念。计算机组成原理从内容上看一、虽然计算机的五大部件自成体系，较为独立，但是从整体来看，还是具有明显的整体性;二、某些设计思想可应用于不同的部件，具有相通性，例如并行性思想。
二、课程主要内容和基本原理
(一)计算机系统
计算机系统是由“硬件”和“软件”两大部分组成。所谓硬件是指计算机的实体部分，它由看得见摸的着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外部设备等。所谓软件，它看不见摸不着，由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成。通常把这些程序寄寓于各类媒体(如RAM、ROM、磁带、磁盘、光盘、甚至纸袋)，他们通常存放在计算机的主存或辅存内。
(二)系统总线
计算机系统的五大部件之间的互连方式有两种，一种是各部件之间使用单独的连线，称为分散连接;另一种是将各部件连到一组公共信息传输线上，称为总线连接。
总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。当多个部件相连时，如果出现两个或两个以上部件同时向总线发送信息，势必导致信号冲突，传输无效。因此，在某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。
总线分为片内总线、系统总线和通信总线。片内总线是指芯片内部的总线;系统总线又可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线。
总线的周期可分为四个阶段:申请分配阶段、寻址阶段、传数阶段、结束阶段。
总线与计算机所有的器件数据传输都离不开关系，是计算机工作的基础。
(三)存储器
存储器按存储介质分类：半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器、光盘存储器。按存取方式分类：随机存储器RAM、只读存储器ROM、串行访问存储器。按在计算机中的作用分类：主存储器、辅助存储器。按在计算机系统中的作用分类：主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器Cache、控制存储器。其中静态RAM是用触发器工作原理存储信息，因此即使信息读出后，他仍然保持其原状，不需要再生，但是电源掉电时，原存储信息丢失。动态RAM是靠电容存储电荷的原理来寄存信息。但是电容上的电荷只能维持1~2ms，因此即使电源不掉电，信息也会因此自动消失，为此，必须在2ms内对其所有存储单元恢复一次原状态，这个过程称为再生或刷新。
由于单个存储芯片的容量总是有限的，很难满足实际的需要，因此要进行位扩展和字扩展。存储芯片的容量不同，其地址线也不同，通常将CPU地址线的低位与存储芯片的低址线相连。
同样，CPU的数据线数与存储芯片的数据线也不一定相等。此时，必须对存储芯片扩位，使其位数与CPU的数据线相等。
高速缓冲存储器cache主要解决主存与CPU速度不匹配的问题。主存与cache地址映射关系有:直接相联映射、全相联映射、组相联映射。
(四)输入输出系统
I/O设备与主机的联系方式：统一编址和不统一编址。统一编址就是将I/O地址看做是存储器地址的一部分。不统一编址是指I/O地址和存储器地址是分开的，所有对I/O设备的访问必须有专用的I/O指令。传送方式有串行传送和并行传送。I/O设备与主机信息传送的控制方式有三种：程序查询方式(主机与设备是串行工作的)，程序中断方式(程序与主机是并行工作的)和DMA方式(主机与设备是并行工作的)。DMA方式工作：1、中断cpu访存，2、挪用周期，3、与CPU交互访存。输出设备有打印机，显示器等。
(五)计算方法
计算机的运行需要有运算的参与，参与运算的数有无符号类和有符号类。掌握二进制原码和补码的加减乘除运算。
(六)指令系统
指令由操作码和地址码两部分组成，操作码用来指明该指令所要完成的操作，例如加减，传送，移位，转移等;其位数反映了操作的种类也即机器允许的指令条数。地址码用来指出该指令的源操作数的地址(一个或两个)、结果的地址以及下一条指令的地址。指令寻址分为顺序寻址和跳跃寻址两种。其寻址方式分为10种，分别是：立即寻址，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，堆栈寻址。指令格式有零地址，一地址，二地址，三地址等。需能分析指令格式所含的意义。
(七)CPU的结构与功能
CPU实质包括运算器和控制器两大部分，基本功能是取指令，分析指令，执行指令。CPU的寄存器有用户可见寄存器：通用寄存器，数据寄存器，地址寄存器，条件码寄存器。控制和状态寄存器：存储器地址寄存器，存储器数据寄存器，程序寄存器，指令寄存器。指令流水处理减少了运行时间，提高机器效率。中断系统在前面章节介绍过，此处在简单补充一些，引起中断的有很多种因素：人为设置的中断，程序性事故，硬件故障，I/O设备，外部事件。中断判优可用硬件实现，也可用软件实现。中断服务程序入口地址的寻找方法：硬件向量方法和软件查询法。中断响应的过程：响应中断的条件，响应中断的时间，中断隐指令和关中断。其中中断隐指令就是机器指令系统中没有的指令，他是CPU在中断周期内由硬件自动完成的一条指令。在中断响应之前需要对现场进行保护，中断结束之后需要对现场进行恢复。中断屏蔽技术主要用于多级中断，屏蔽技术可以改变优先级。
(八)控制单元的功能
控制单元具有发出各种微操作(即控制信号)序列的功能。取指周期可以归纳为以下几个操作，1.PC->MAR2.1->R3.M(MAR)->MDR4.MDR->IR5.OP(IR)->CU6(PC)+1->PC。间址周期：1.AD(IR)->MAR2.1->R3.M(MAR)->MDR4.MDR->AD(IR).执行周期中不同执行周期的微操作是不同的：1、非访存类指令2、访存指令3、转移类指令。非访存类指令：1、清除累加器指令CLA----0->ACC;2、累加器取反指令、算数右移一位指令SHRL(ACC)->R(ACC),ACC0->ACC0;4、循环左移一位指令CSLR(ACC)->L(ACC)ACCo->ACCn;5、停机指令0->G。访存指令：这类指令在执行阶段都需要访存存储器。
1、加法指令ADDX。
2、存数指令STAX(3)取值指令LDAX。转移类指令：
(1)无条件转移指令JMPX。
(2)条件转移指令BANX。在执行周期结束时刻，cpu要查询是否有请求中断的事件发生，如果有则进入中断周期。在中断周期，由中断隐指令自动完成保护断点、寻找中断服务程序入口地址以及硬件关中断的操作。控制信号的外特性：a.输入信号：时钟，指令寄存器，标志，来自系统总线的控制信号。b.输出信号：CPU内的控制信号，送至系统总线的信号。
常见的控制方式有同步控制，异步控制，联合控制和人工控制。
(九)控制单元的设计
组合逻辑的设计又称硬布线控制器，由门电路和触发器构成的复杂树形网络形成的逻辑电路。安排微操作节拍时注意以下三点：1、有些微操作的次序是不容改变的，故安排微操作的节拍时必须注意微操作的先后顺序。2、凡是控制对象不同的微操作，若能在一个节拍内执行，应尽可能安排在同一个节拍内，以节省时间。3、如果有些微操作所占的时间不长，应该将它们安排在一个节拍内完成，并且允许这些微操作有先后次序。微程序的设计：采用微程序设计方法设计控制单元的过程就是编写每一条机器指令的微程序，他是按执行每一条机器指令所需要的微操作命令的先后顺序而编写的，因此，一条机器指令对应一个微程序。微指令的基本格式共分为两个字段，一个为操作控制字段，该字段发出各种控制信号;另一个为顺序控制字段，它可以指出下条微指令的地址(简称下地址)，以控制微指令序列的执行顺序。工作原理：取指阶段：取微指令---产生微操作命令---形成下一条微指令的地址---取下一条微指令---产生微操作命令---形成下一条微指令的地址。执行阶段:取数指令微程序首地址的形成---取微指令---产生微操作命令---形成下一条微指令的地址---取微命令.........循环。微指令的编码方式：直接编码方式，字段直接编码方式，字段间接编码方式，混合编码。后序微指令地址的形成方式：断定方式，根据机器指令的操作码形成，增量计数器法，分支转移，通过测试网络形成，由硬件产生微程序入口地址。微指令格式:水平型微指令，垂直型微指令。
三、实际应用
自ENIAC问世后将近30余年的时间里，计算机一直被作为大学和研究机构的娇贵设备。在20世纪70年代中后期，大规模集成工艺日趋成熟，微芯片上集成的晶体管数一直按每3年翻两番的Moore定律增长，微处理器的性能也按此几何级数提高，而价格也以同样的几何级数下降，以至于以前需花数百万美元的机器(如80MFLOPS的CRAY)变得价值仅为数千美元(而此类机器的性能可达200MFLOPS)，至于对性能不高的微处理器芯片而言，仅花数美元就可购到。正因为如此，才使得计算机走出实验室而渗透到各个领域，乃至走进普通百姓的家中，也使得计算机的应用范围从科学计算，数据处理等传统领域扩展到办公自动化，多媒体，电子商务，虚拟工厂，远程教育等，遍及社会，政治，经济，军事，科技以及个人文化生活和家庭生活的各个角落。
四、心得体会
计算机科学与技术的发展日新月异，但是都离不开计算机组成原理，这门课不要死记硬背，重在理解，工科类的学习不是死记硬背就会的，还是要理解记忆才会牢靠。在做完这次课程论文后，让我再次加深了对计算机的组成原理的理解，对计算机的构建也有更深层次的体会。计算机的每一次发展，都凝聚着人类的智慧和辛勤劳动，每一次创新都给人类带来了巨大的进步。计算机从早期的简单功能，到现在的复杂操作，都是一点一滴发展起来的。
五、结语
通过对计算机组成原理这门课程的学习，使我对计算机软件和硬件技术有了一个更深入的了解，包括各种计算机的基本原理以及计算机的艰难发展历程，这门课程注重理论知识，理论知识是一切技术的最基本，也是我们必须要掌握好的。在这次课程综述论文过程中，我到图书馆查阅资料，上网查资料，让我深刻认识到计算机组成原理的重要性，也了解了许多书上没有的知识，受益匪浅。
六、参考文献
1、唐朔飞《计算机组成原理》高等教育出版社第2版
