第三章 第一节 中央处理单元的功能及组成（教案） - 《计算机原理》中职同步精品课堂

《计算机原理》教案 课 题 第1课时 中央处理单元的功能及组成 课 型 课 时 1 授课班级 授课时间 授课教师 教材分析 本书为中等职业教育国家规划教材，以教育部颁布的"计算机原理”课程教学大纲为依据编写。本课程是中等职业学校计算机及应用专业的一门主干专业基础课程。其任务是使学生掌握必要的计算机硬件和软件知识，掌握微型计算机组成结构和各部件的工作原理，了解指令系统，了解计算机系统常见的外围设备的功能和使用方法，为学生学习专业知识和提高技能， 适应职业变化及继续学习打下基础。 学情分析 本书以计算机基本原理为重点，其主要内容包括数字设备中数和字符的表示方法、计算机系统的组成、中央处理单元、存储系统、总线系统、输入/输出系统和常见外部设备。在学习本课程前应当掌握一种面向用户的高级程序设计语言及学习过数字电路。 学习目标 1.掌握CPU的功能。 2.了解CPU的组成。 学习重难点 1.了解什么是中央处理单元。 2.了解CPU的功能。 3.了解CPU的组成。 教学方法 多媒体教学、讲练结合 课前准备 教学课件、分层作业 （若有教具等教师自行增加） 教学媒体 多媒体教学 教学过程 教学环节 教师活动设计 学生活动设计 设计意图 活动一： 创设情境 生成问题 1.CPU 中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。CPU自产生以来，在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。 2.CPU的发展 CPU出现于大规模集成电路时代，处理器架构设计的迭代更新以及集成电路工艺的不断提升促使其不断发展完善。从最初专用于数学计算到广泛应用于通用计算，从4位到8位、16位、32位处理器，最后到64位处理器，从各厂商互不兼容到不同指令集架构规范的出现，CPU自诞生以来一直在飞速发展。 观察、讨论、思考 激发学生的学习兴趣，了解什么是CPU以及CPU的发展历程。 活动二： 调动思维 探究新知 1、 什么是中央处理单元 中央处理单元(CPU, Central Processing Unit)是计算机系统的核心部件。 根据CPU一次能处理的二进制数据的位数(称为字长),通常把CPU称为多少位的CPU。若CPU一次能处理字长为8位的二进制数据，则把该CPU称为8位CPU,如Z80;若CPU一次能处理字长为16位的二进制数据，则把该CPU称为16位CPU，如8086/8088、80286等。此规则沿用至今，但是，随着知识产权意识的兴起，很多CPU也有了自己的品牌名称，例如“奔腾”“酷睿”“至强”等。 2、 CPU的功能 CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有以下4方面的功能。 1.指令控制 指令控制指CPU对程序的顺序控制。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意改变，必须严格按程序规定的顺序进行。因此，保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务。 2.操作控制 一条指令的功能往往由若千个操作信号的组合来实现。因此，CPU管理并产生每条指令的操作信号，并把操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。 3.时间控制 CPU对各种操作实施时间上的控制，称为时间控制。在计算机中，一方面， 各种指令的操作信号均受到时间的严格控制;另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。 4.数据加工 所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理是CPU的根本任务。 初步了解什么是中央处理单元。 了解CPU的功能。 学生思考 教师讲解，以及便于学生理解和掌握。 进一步了解CPU指令控制、操作控制、时间控制和数据加工的作用。 教师讲解，以及便于学生理解和掌握。 活动三： 调动思维 探究新知 交流分析 3、 CPU的组成 CPU内部结构大致可以分为指令控制单元、算术逻辑运算单元、寄存器组和时钟等几个主要部分。如图3.1所示为一个典型的8位微处理单元的内部结构。 1.算术逻辑运算单元(ALU, Arithmetic Logic Unit) 算术逻辑运算单元(ALU)实际上就是计算机的运算器。它是计算机对数据进行加工处理的中心，主要由算术逻辑部件、通用寄存器组和状态寄存器组成。 算术逻辑部件主要完成对二进制信息的各种运算，包括算术运算和逻辑运算。 ①算术运算:加、减、增量(加1)、减量(减1)、比较、求反及求补等运算，有些微处理单元还可以进行乘、除运算。 ②逻辑运算:逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑异或，以及移位、循环移位等运算和操作。 通用寄存器组用来保存参加运算的操作数和运算的中间结果。 状态寄存器的置位或复位条件，在不同机器中的规定有些差异。在程序中，状态位通常作为转移指令的判断条件。 2.指令控制单元 指令控制单元是计算机的控制器，是计算机的控制中心，决定了计算机运行过程的自动化。它不仅要保证程序的正确执行，而且要能处理异常事件。指令控制单元一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑及中断控制逻辑等几部分。 指令控制逻辑要完成取指令、分析指令和执行指令的操作。 时序控制逻辑要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。一般时钟脉冲就是最基本的时序信号，是整个机器的时间基准，称为机器的主频。执行一条指令所需要的时间称为一个指令周期，不同指令的周期有可能不同。一般为便于控制，根据指令的操作性质和控制性质不同，会把指令周期划分为几个不同的阶段，每个阶段就是一个 CPU周期。早期CPU和内存在速度上的差异不大，所以CPU周期通常和存储器存储周期相同。后来，随着CPU的发展，它在速度上已经比存储器要快很多，于是常常将CPU周期定义为存储器存储周期的几分之一。 总线控制逻辑是为多个功能部件服务的信息通路的控制电路。就CPU而言，它一般分为内部总线和CPU对外联系的外部总线。外部总线有时又称系统总线、前端总线(FSB) 等。 中断是指计算机由于异常事件，或者一些随机发生需要马上处理的事件，引起CPU暂时停止现在程序的执行，转向另一服务程序去处理这一事件，处理完毕再返回原程序的过程。由机器内部产生的中断，可把它称为陷阱(内部中断);由外部设备引起的中断称为外部中断。 3. CPU 中的主要寄存器(Register) 寄存器是CPU内部的高速存储单元，不同的CPU配有不同数量、不同长度的一组寄存器。有些寄存器不面向用户，对它们的工作，用户不需要了解;有些寄存器则面向用户，可称为“透明”寄存器，供编程使用，这些寄存器在程序中频繁使用，被称为可编程序寄存器。 由于访问寄存器比访问存储器快捷和方便，所以各种寄存器用来存放临时的数据或地址，具有数据准备、数据调度和数据缓冲的作用。从指令角度看，一般含有两个操作数的指令中,必有一个为寄存器操作数，这样可以缩短指令长度和指令的执行时间。 各种计算机的CPU可能有很多差异，但是，从应用角度看，通常可以将寄存器分成以下3类。 ①通用寄存器 通用寄存器在CPU中数量最多，它们既可以存放数据，又可以存放地址，使用频率非常高，是调度数据的主要手段。其中，最常用的通用寄存器是累加器，在运算器进行算术、逻辑运算时，累加器常被用于存放运算的结果。 ②地址寄存器 地址寄存器主要用来存放当前CPU所要访问的内存的地址，也用于内存的寻址操作,因而也称为地址指针或专用寄存器，如变址寄存器、堆栈指针及指令指针等。地址寄存器的功能比较单一，在访问内存时，可以通过它形成各种寻址方式。 ③标志寄存器 标志寄存器用来保存由算术运算指令和逻辑运算指令运行或测试结果建立的各种状态码内容，如运算结果进位标志(CF)、运算结果溢出标志(OF)和运算结果为零标志(ZF)等。 这些标志位通常分别用1 位触发器保存。 除此之外，标志寄存器还保存中断和系统工作状态等信息，以便使CPU和系统能及时了解机器运行状态和程序运行状态。因此,标志寄存器是一个表示各种标志和状态的寄存器。 初步了解CPU的组成。 初步了解算术逻辑运算单元的组成及功能。 初步了解指令控制单元的组成及功能。 初步了解寄存器的分类和功能。 进一步了解CPU的组成部分及其功能。 活动四： 巩固练习 素质提升 实践与评估 1.若CPU一次能处理字长为8位的二进制数据，则把该CPU称为（ ）CPU。 A.8位 B.16位 C.64位 2.CPU对各种操作实施时间上的控制，称为（ ）。 A．指令控制 B．时间控制 C．操作控制 3.（ ）决定了计算机运行过程的自动化。 A.算术逻辑运算单元 B.指令控制单元 C.寄存器组 4.由外部设备引起的中断称为（ ）。 A.陷阱 B.内部中断 C.外部中断 二、填空题。 1.指令控制单元一般包括（ ）、（ ）、（ ）和（ ）等几部分。 2.指令控制逻辑要完成（ ）、（ ）和（ ）的操作。 3.从应用角度看，通常可以将寄存器分成 （ ）、（ ）和（ ）3类。 三、简答题。 1.简述通用寄存器、地址寄存器和标志寄存器的特点。 学生思考回答 教师引导 课堂小结 作业布置 1.完成同步练习题。 2.预习3.2 8088微处理单元。 板书设计 中央处理单元的功能及组成 教学反思 本节课主要学习中央处理单元，了解了CPU的功能及组成，为后续学习打下基础。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$