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《计算机组成原理》教学中几个基本概念的分析.doc

《计算机组成原理》教学中几个基本概念的分析

摘要：《计算机组成原理》是计算机学科学生的一门必修课程，针对在教学过程中，学生不易理解或易混淆的几个基本概念进行分析，以期学生能加深对这些概念的理解，为后续课程的学习以及今后的工程实践中运用相关知识解决问题有所帮助。

关键词：计算机组成原理；教学改革；基本概念

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324(2013)38-0075-03

《计算机组成原理》是所有计算机学科学生的专业基础课，是构成学生终生知识体系的重要组成部分，在整个计算机科学与技术专业的课程中起着承上启下的关键作用，是计算机学科的研究生入学考试必考科目之一。从事该课程教学的教师们已进行了不少探索，包括教材的选择、教学内容设计，以及对教学模式、教学方法和实验教学等方面研究，为该课程的教学提供了有益的经验。《计算机组成原理》这门课有一定的理论深度，其实践要求也高，涉及较多的前期知识和相关领域，课程的横向跨度大。随着计算机硬件水平发展迅速，集成化程度不断提高，CPU由单核、双核发展到四核、多核；目前学生自己配置的计算机中笔记本已占大多数，学生很难直接了解计算机的内部结构，在课程学习中普遍感到概念抽象而难以感性化、内容多、难度大，他们认为《计算机组成原理》是一门比较难掌握的课程。不少学生在完成该课程的学习后仍感到并未真正理解和掌握其中的基本原理。为此，笔者介绍在近年来从事《计算机组成原理》教学过程中对几个基本概念的把握。

一、定点小数的补码表示范围

定点小数在用补码表示时，负数最小时为-1，而-1本不属于小数范围，但是定点小数中[-1]的补码却存在，另外，整数的-1和小数的-1的表示也不一样，如机器字长为8时，整数的[-1]补小数的[-1]补=1.0000000。对此，学生难以理解和接受，进而影响浮点数表示范围的理解。定点小数的原码定义在(-1，1)之间，其定义式为：[x]原=x， 1>x≥01-x，0≥x>-1，属于纯小数，定义域中没有-1。但是定点小数的补码定义为：

[x]原=x， 1>x≥01-x，0≥x>-1(mod2)，在定义式中-1被包含在定义域内。对此笔者认为可从以下三个方面进行说明。其一，用数轴进行说明，为了便于说明，先以机器字长为n=3(包括一个符号位)为例。字长为3，那么应该有23=8种编码，正负方向各4个编码，包括0在内，原码示意如图1所示，为区别起见，图中将正数与负数分别用小圆圈和小三角形表示，因为有-0的存在，故负数的最小值为1.11，这样正负方向的数值是对称的。而定点小数的补码表示中，负方向上因为没有-0，故其第一个刻度为1.11，为1.01的补码，从数轴上，可以看到，同样是4个编码，补码在负方向的编码到最小时为1.00，即为-1。

图3为字长n=4时的定点小数的补码表示，从数轴示意图可以看出，定点小数的补码负数最小也为-1，只是-1的表示从n=3时的1.00变为了1.000，以此类推，当n=8时，-1的补码即为1.0000000。从数轴示意图还可以看出，n=3时，一个刻度为0.01，n=4时，一个刻度为0.001，而当n=8时，为0.0000001，为n位时，即为2-n，这也为用表达式说明补码的表示范围做一个铺垫。对于数轴的说明进一步可以加大数值位进行分析，得出结论，无论小数的位数是多少，在用补码表示时，绝对值最大的负数均为-1(1.00…0)。

其二，用列表的形式进行说明。可以将数值位取得少些，这里还是以字长n=3为例，将定点整数与定点小数以列表的形式进行说明。如表1和表2所示，其中表1为定点整数，表2为定点小数。很明显，定点小数的补码表示时，负方向最小值为1.00，即为-1。

其三，用表达式进行说明。当机器字长为n时，定点整数的原码表示范围为-(2n-1)～2n-1，去括号后为：-2n+1～2n-1，而补码表示范围为-2n～2n-1，比较两个表示范围，可以发现，在负方向上，补码的表示范围在数值上比原码少1或者说补码在数轴上比原码在负的方向上多走一个刻度；同理，对于定点小数，其原码的表示范围-(2-n-1)～1-2n=-1+2n～1-2-n，那么与定点整数类似，定点小数在用补码表示时，负方向要再走一个刻度2-n，即为-1～1-2-n。由此看出，定点小数用补码表示时，最小的负数为-1。

二、CPU与存储器连接的相关问题

在存储器与CPU连接时一般要考虑CPU总线的负载能力、CPU与存储器速度的配合问题、存储器的地址空间分配、读/写控制信号的连接、数据线的连接、地址线的连接与存储芯片片选信号的产生等几个方面。在组成原理这门课中，对负载能力及时序配合要求相对少些，因而重点关注是三类信号线