计算机组成原理指令系统相关论文？

如题所述

第1个回答 2022-09-30

　　计算机是一门应用广泛、使用面积广、技术含量高的一门学科和技术，生活中的任何一个角落都离不开计算机的应用，生活中的无处不在需要我们了解和清楚计算机的相关知识。下面是我给大家推荐的，希望大家喜欢!

　　篇一

　　《基于专业规范的“计算机组成原理”课程改革》

　　摘要：以教育部电脑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

　　随着计算机和通讯技术的蓬勃发展，中国开始进入资讯化时代，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年是我国资讯科技发展的视窗期、关键期。为此，高等学校肩负著为国家发展和满足社会需求培养多型别人才的重任。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》是电脑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、相互联络和作用，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体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。教育部电脑科学与技术专业教学指导委员会在2006年释出了电脑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，从巨集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、电脑科学与技术专业规范

　　教育部高等学校电脑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》。

　　教指委在电脑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***电脑科学方向CS***、工程型***包括计算机工程方向CE和软体工程方向SE***、应用型***资讯科技方向IT***。针对每个型别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”是电脑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。在软体工程方向和资讯科技方向，“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、作业系统、嵌入式系统和计算机网路等课程的先修课程，重点涵盖了计算机运算、储存系统组织和结构、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，课程改革还应当联络学校的实际情况，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，在资讯化时代，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，帮助学生从巨集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，提出了巨集观与微观分层讲授，相互贯穿的教学组织方法。内容组织方面，在巨集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：资料在机器中的表示、储存器的组织与结构、指令系统、中央处理器、汇流排系统和外围装置与介面等。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，尤其是储存系统、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，加强与之结合例项内容;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。以储存系统和结构为例，首先从巨集观的角度对计算机在资料储存、交换上的需求进行分析，使学生明确储存系统在整机中的地位与作用，进而分析储存系统的功能，使学生从整体上把握储存系统的结构与组成，同时对某型别计算机的实际情况进行分析，加深学生的理解。然后引导学生对储存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的基本储存元进行解析，由这些储存元构成储存单元，再到晶片，最终扩充套件形成储存器。再结合例项和计算机的实际情况对Cache和虚拟储存器进行详细讲解。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储存系统的功能、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，从巨集观和微观层面上理解和把握计算机各部件的原理、组成及相互联络，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。如针对计算机外围装置在种类和技术方面的一些问题，提问学生回答问题，并借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、学习或搜寻等方法解决任务，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。学生通过上网搜寻、查阅文献等手段收集了大量的资料，了解了CPU的发展历程，对一些实际的引数，如Cache的大小与级数、流水线条数、工作频率、前段汇流排等都有所了解，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，利用网路进行课程建设、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体设计、除错和执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，涉及的内容主要有资料通路、运算器、储存器、微程式控制器，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。对硬体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钜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体的特点和规律。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。

　　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、作业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级和硬体系统级的整机概念，培养学生对计算机硬体系统的分析、开发与设计能力。同时该课程也是学好计算机硬体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、计算机硬体系统以及软体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，掌握有关软体、硬体的基本知识，尤其是各基本组成部件有机连线构成整机的方法。

　　关键词：计算机系统;硬体结构;软体结构;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、储存器、控制器、输入装置和输出装置。现今绝大部门都是此型别计算机。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“硬体”和“软体”两大部分组成。所谓硬体是指计算机的实体部分，它由看得见摸的著的各种电子元器件，各类光、电、机装置的实物组成，如主机、外部装置等。所谓软体，它看不见摸不著，由人们事先编制的具有各类特殊功能的程式组成。通常把这些程式寄寓于各类媒体***如RAM、ROM、磁带、磁碟、光碟、甚至纸袋***，他们通常存放在计算机的主存或辅存内。

　　***二***系统汇流排

　　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，称为分散连线;另一种是将各部件连到一组公共资讯传输线上，称为汇流排连线。

　　汇流排是连线多个部件的资讯传输线，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汇流排传送资讯，势必导致讯号冲突，传输无效。因此，在某一时刻，只允许有一个部件向汇流排传送资讯，而多个部件可以同时从总线上接收相同的资讯。

　　汇流排分为片内汇流排、系统汇流排和通讯汇流排。片内汇流排是指晶片内部的汇流排;系统汇流排又可分为三类：资料汇流排、地址汇流排和控制汇流排。

　　汇流排的周期可分为四个阶段:申请分配阶段、定址阶段、传数阶段、结束阶段。

　　汇流排与计算机所有的器件资料传输都离不开关系，是计算机工作的基础。

　　***三***储存器

　　储存器按储存介质分类：半导体储存器、磁表面储存器、磁芯储存器、光碟储存器。按存取方式分类：随机储存器RAM、只读储存器ROM、序列访问储存器。按在计算机中的作用分类：主储存器、辅助储存器。按在计算机系统中的作用分类：主储存器、辅助储存器、高速缓冲储存器Cache、控制储存器。其中静态RAM是用触发器工作原理储存资讯，因此即使资讯读出后，他仍然保持其原状，不需要再生，但是电源掉电时，原储存资讯丢失。动态RAM是靠电容储存电荷的原理来寄存资讯。但是电容上的电荷只能维持1~2ms，因此即使电源不掉电，资讯也会因此自动消失，为此，必须在2ms内对其所有储存单元恢复一次原状态，这个过程称为再生或重新整理。

　　由于单个储存晶片的容量总是有限的，很难满足实际的需要，因此要进行位扩充套件和字扩充套件。储存晶片的容量不同，其地址线也不同，通常将CPU地址线的低位与储存晶片的低址线相连。

　　同样，CPU的资料线数与储存晶片的资料线也不一定相等。此时，必须对储存晶片扩位，使其位数与CPU的资料线相等。

　　高速缓冲储存器cache主要解决主存与CPU速度不匹配的问题。主存与cache地址对映关系有:直接相联对映、全相联对映、组相联对映。

　　***四***输入输出系统

　　I/O装置与主机的***：统一编址和不统一编址。统一编址就是将I/O地址看做是储存器地址的一部分。不统一编址是指I/O地址和储存器地址是分开的，所有对I/O装置的访问必须有专用的I/O指令。传送方式有序列传送和并行传送。I/O装置与主机资讯传送的控制方式有三种：程式查询方式***主机与装置是序列工作的***，程式中断方式***程式与主机是并行工作的***和DMA方式***主机与装置是并行工作的***。DMA方式工作：1、中断cpu访存，2、挪用周期，3、与CPU互动访存。输出装置有印表机，显示器等。

　　***五***计算方法

　　计算机的执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。掌握二进位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运算元的地址***一个或两个***、结果的地址以及下一条指令的地址。指令定址分为顺序定址和跳跃定址两种。其定址方式分为10种，分别是：立即定址，直接定址，隐含定址，间接定址，暂存器定址，暂存器间接定址，基址定址，变址定址，相对定址，堆叠定址。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的暂存器有使用者可见暂存器：通用暂存器，资料暂存器，地址暂存器，条件码暂存器。控制和状态暂存器：储存器地址暂存器，储存器资料暂存器，程式暂存器，指令暂存器。指令流水处理减少了执行时间，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：人为设定的中断，程式性事故，硬体故障，I/O装置，外部事件。中断判优可用硬体实现，也可用软体实现。中断服务程式***地址的寻找方法：硬体向量方法和软体查询法。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在中断周期内由硬体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。中断遮蔽技术主要用于多级中断，遮蔽技术可以改变优先顺序。

　　***八***控制单元的功能

　　控制单元具有发出各种微操作***即控制讯号***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、回圈左移一位指令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储存器。

　　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、寻找中断服务程式***地址以及硬体关中断的操作。控制讯号的外特性：a.输入讯号：时钟，指令暂存器，标志，来自系统汇流排的控制讯号。b.输出讯号：CPU内的控制讯号，送至系统汇流排的讯号。

　　常见的控制方式有同步控制，非同步控制，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，由闸电路和触发器构成的复杂树形网路形成的逻辑电路。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、凡是控制物件不同的微操作，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。微程式的设计：采用微程式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式，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式。微指令的基本格式共分为两个栏位，一个为操作控制栏位，该栏位发出各种控制讯号;另一个为顺序控制栏位，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:取数指令微程式首地址的形成---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.........回圈。微指令的编码方式：直接编码方式，栏位直接编码方式，栏位间接编码方式，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，通过测试网路形成，由硬体产生微程式***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装置。在20世纪70年代中后期，大规模整合工艺日趋成熟，微晶片上整合的电晶体数一直按每3年翻两番的Moore定律增长，微处理器的效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***而此类机器的效能可达200MFLOPS***，至于对效能不高的微处理器晶片而言，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，资料处理等传统领域扩充套件到办公自动化，多媒体，电子商务，虚拟工厂，远端教育等，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

　　电脑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，使我对计算机软体和硬体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。