《13015 计算机系统原理》第3章 程序的转换及机器级表示

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教案设计：《13015 计算机系统原理》第3章 程序的转换及机器级表示一、教学目标

• 知识目标：
  
  • 理解程序从高级语言到机器级代码的转换过程。
  • 掌握机器指令的基本组成及汇编指令的汇编表示。
  • 了解ISA（指令集体系结构）的概念及其与计算机硬件的关系。
  • 熟悉IA-32指令系统的数据类型、寄存器组织及寻址方式。
  • 理解并掌握IA-32常用指令类型及其操作。
    
• 技能目标：
  

• 能够运用GCC编译器套件进行程序从高级语言到机器代码的转换。
• 能够阅读和解释汇编语言程序，理解其对应的机器级表示。
• 能够根据ISA规范设计简单的机器指令序列。
  

• 态度目标：
  

• 培养学生严谨的逻辑思维能力和问题解决能力。
• 激发学生对计算机底层工作原理的兴趣和探索欲。
• 增强学生的团队协作能力和自主学习能力。
  

二、教学内容1. 程序转换概述

• 机器指令及汇编指令：介绍机器指令和汇编指令的区别与联系，以及汇编指令的助记符表示法。
• 指令集体系结构（ISA）：阐述ISA的概念、作用及其与计算机硬件的关系。
• 生成机器代码的过程：概述从高级语言源程序到机器代码的转换步骤，包括预处理、编译、汇编和链接。
  

2. IA-32指令系统概述

• 数据类型及其格式：介绍IA-32指令系统支持的数据类型及其存储格式。
• 寄存器组织和寻址方式：详细讲解IA-32的寄存器组织（如通用寄存器、专用寄存器）及多种寻址方式（如立即寻址、寄存器寻址、间接寻址等）。
• 机器指令格式：介绍IA-32机器指令的组成字段（如操作码、寻址模式、寄存器编号、立即数等）及其含义。
  

3. IA-32常用指令类型及其操作

• 传送指令：包括MOV、MOVS、MOVZ、XCHG、PUSH/POP等指令，讲解其操作原理及示例。
• 定点算术运算指令：介绍加法、减法、乘法、除法等基本算术运算指令，包括无符号数、原码、补码等不同数制下的运算。
• 按位运算指令：如AND、OR、NOT、XOR等，讲解其逻辑运算功能及应用场景。
• 程序执行流控制指令：包括条件跳转、无条件跳转、循环控制等指令，讲解其控制程序执行流程的机制。
  

4. C语言程序的机器级表示

• 过程调用的机器级表示：分析C语言函数调用在机器级上的实现方式，包括参数传递、返回值接收及调用栈的管理。
• 选择语句的机器级表示：讲解if-else等选择语句在机器级上的转换过程，包括条件判断及跳转指令的使用。
• 循环结构的机器级表示：分析for、while等循环结构在机器级上的实现方式，包括循环控制指令的应用。
  

三、教学方法

• 讲授法：通过教师讲解，系统介绍程序转换及机器级表示的相关概念和原理。
• 演示法：利用GCC编译器套件演示程序从高级语言到机器代码的转换过程，展示汇编代码及机器指令。
• 讨论法：组织学生进行小组讨论，分享对程序转换及机器级表示的理解，探讨相关问题。
• 案例分析法：选取典型案例进行分析，引导学生深入理解程序转换及机器级表示的实际应用。
• 实践操作法：安排学生动手编写简单程序，并使用GCC编译器进行编译、汇编和链接，观察并理解生成的机器代码。
  

四、教学步骤1. 导入新课（5分钟）

• 通过提问或展示相关实例，引导学生回顾上一章节内容，并引出本节课的主题——程序的转换及机器级表示。
  

2. 讲授新知（30分钟）

• 程序转换概述（10分钟）：
  

• 讲解机器指令与汇编指令的区别与联系。
• 介绍ISA的概念、作用及其与计算机硬件的关系。
• 概述生成机器代码的过程。
  

• IA-32指令系统概述（10分钟）：
  

• 讲解IA-32指令系统的数据类型、寄存器组织和寻址方式。
• 介绍机器指令的组成字段及其含义。
  

• IA-32常用指令类型及其操作（10分钟）：
  

• 分类介绍IA-32的常用指令类型，包括传送指令、定点算术运算指令、按位运算指令以及程序执行流控制指令，并简要说明每种指令的基本功能和应用场景。
  

3. 深入剖析（25分钟）

• C语言程序的机器级表示（25分钟）：
  
  • 详细说明C语言函数调用在机器级上的实现方式，包括参数的传递机制、调用栈的使用、以及返回值的接收。
  • 通过具体例子展示if-else选择语句和for/while循环结构在机器级上的转换过程，强调条件判断、跳转指令以及循环控制指令的应用。
  • 引导学生思考和理解这些机器级表示如何反映C语言程序的结构和逻辑。
    

4. 实践操作（30分钟）

• 任务布置：
  
  • 分发包含简单C语言程序的示例代码，要求学生使用GCC编译器进行编译、汇编和链接，生成并观察汇编代码和机器指令。
  • 布置一个或多个小问题，要求学生通过分析汇编代码和机器指令，解释特定代码段的执行逻辑。
    
• 学生操作：
  

• 学生分组或独立操作，按照任务要求完成编译、汇编和链接过程。
• 分析生成的汇编代码和机器指令，回答布置的问题。
• 鼓励学生相互交流、讨论，分享发现和理解。
  

5. 总结与讨论（15分钟）

• 教师总结：
  

• 回顾本节课的主要内容，强调程序转换及机器级表示的重要性和实际应用。
• 总结IA-32指令系统的关键特点和常用指令类型。
• 强调C语言程序在机器级上的表示如何反映程序的结构和逻辑。
  

• 学生讨论：
  

• 邀请学生分享在实践操作中的发现、疑惑或收获。
• 引导学生讨论程序转换及机器级表示在实际编程和开发中的意义和应用。
• 鼓励学生提出自己的见解和问题，促进知识的深入理解和交流。
  

6. 布置作业（5分钟）

• 要求学生完成课后习题，包括编写简单的C语言程序并观察其汇编代码和机器指令。
• 布置一篇小论文或报告，要求学生深入探讨程序转换及机器级表示中的一个具体话题，如优化技术、ISA设计原则等。
• 提醒学生按时完成作业，并说明作业提交的方式和截止日期。
  

五、教学评估

• 课堂表现评估：通过观察学生在课堂上的参与度、提问和回答问题的质量以及小组讨论的表现，评估学生的积极性和学习效果。
• 实践操作评估：根据学生在实践操作中的完成情况、分析结果和解决问题的能力，评估其掌握程序转换及机器级表示相关知识和技能的程度。
• 作业评估：通过批改学生的课后习题和论文或报告，评估其对课程内容的理解深度、知识掌握程度以及分析问题和解决问题的能力。
• 自我评估和同伴评估：鼓励学生进行自我评估，同时开展同伴评估活动，以促进学生之间的相互学习和监督，提高评估的客观性和全面性。
  

通过以上教学评估环节，教师可以及时了解学生的学习情况，调整教学策略，确保教学质量和效果。同时，学生也能通过评估反馈，明确自己的学习优势和不足，有针对性地进行改进和提高。