国防科技大学《计算机硬件基础》课程简介

知识掌握目标：学生能够系统且全面地掌握计算机硬件的基本组成部分，如运算器、控制器、存储器、输入输出设备等的结构、工作原理及相互之间的协同运作机制。深刻理解计算机中的数据表示形式，包括数值数据与非数值数据的编码方式，以及各类指令系统的功能、格式与寻址方式。

能力培养目标：具备熟练运用所学知识分析和解决计算机硬件相关问题的能力。能够依据给定的需求，进行简单计算机硬件系统的设计与搭建，如设计包含特定功能的运算电路、实现小型存储系统等。同时，能够准确诊断并排除常见的计算机硬件故障，有效维护硬件系统的稳定运行。

素质提升目标：培养学生严谨的科学态度、创新意识与团队协作精神。在课程学习与实践过程中，引导学生注重细节、追求精确，鼓励学生积极探索新的硬件设计思路与方法。通过小组合作项目，提升学生的沟通协作能力，使其明白团队力量在解决复杂工程问题中的重要性。

计算机发展历程：详细阐述计算机从诞生之初的电子管计算机，历经晶体管计算机、集成电路计算机，直至现代超大规模集成电路计算机的发展脉络，使学生明晰计算机硬件技术的演变历程与发展趋势。

计算机系统组成：深入剖析计算机硬件系统的五大基本组成部分 —— 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，讲解各部分的功能、典型结构及在整个系统中的作用，帮助学生构建计算机硬件系统的整体框架。

计算机性能指标：介绍计算机性能评估的关键指标，如主频、运算速度（CPI、CPU 执行时间、MIPS、MFLOPS 等）、存储容量、I/O 带宽等，使学生学会如何通过这些指标衡量计算机硬件系统的性能优劣。

数据表示：讲解计算机中数值数据（定点数与浮点数）的表示方法，包括原码、反码、补码等编码方式，以及非数值数据（字符、图像、声音等）的数字化表示形式，让学生理解数据在计算机中的存储与处理方式。

基本运算：深入探讨计算机中的算术运算（加、减、乘、除）、逻辑运算（与、或、非、异或等）和移位运算的实现原理与电路设计，使学生掌握运算过程中的数据处理与控制机制。

运算器设计：介绍运算器的基本组成结构，如算术逻辑单元（ALU）、累加器、寄存器等，以及运算器的工作流程与设计方法，培养学生设计简单运算器的能力。

存储器分类与原理：详细介绍各类存储器，包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、高速缓冲存储器（Cache）、硬盘、光盘等的工作原理、性能特点与应用场景，让学生了解不同存储器在计算机系统中的角色与作用。

存储层次结构：讲解计算机存储系统的层次化设计理念，即 Cache - 主存 - 辅存层次结构，分析各层次之间的数据交换机制与性能优化策略，使学生明白如何通过合理的存储层次设计提升计算机系统的整体性能。

主存储器设计与扩展：介绍主存储器的设计方法，包括存储芯片的选择、地址译码电路设计、数据读写控制电路设计等，以及主存储器容量扩展的方法与实现，培养学生设计和扩展主存系统的能力。

CPU 结构与功能：深入剖析 CPU 的内部结构，包括运算器、控制器、寄存器组等主要组成部分的结构与功能，讲解 CPU 如何协调各部分工作以实现指令的执行与数据处理，使学生对 CPU 的工作机制有全面深入的理解。

指令系统：介绍计算机的指令系统，包括指令的格式、类型（数据传送指令、算术逻辑指令、控制转移指令等）、寻址方式（立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等），使学生能够读懂和编写简单的汇编语言程序，理解指令在 CPU 中的执行过程。

控制器设计：讲解控制器的设计原理与实现方法，包括硬布线控制器和微程序控制器的工作方式与设计思路，使学生掌握控制器如何产生控制信号以协调计算机各部件的工作。

I/O 系统概述：介绍 I/O 系统的基本组成结构，包括 I/O 设备、I/O 接口、总线等，讲解 I/O 系统与主机之间的数据传输方式与控制机制，使学生了解 I/O 系统在计算机系统中的重要性。

I/O 设备与接口：详细介绍常见的 I/O 设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等的工作原理与接口标准，以及 I/O 接口的功能、结构与设计方法，培养学生设计和使用 I/O 接口的能力。

I/O 控制方式：讲解 I/O 控制的三种基本方式 —— 程序查询方式、中断方式和直接内存访问（DMA）方式的工作原理、特点与应用场景，使学生明白如何根据不同的应用需求选择合适的 I/O 控制方式。

总线概述：介绍总线的基本概念、分类（数据总线、地址总线、控制总线）、性能指标（带宽、传输速率、负载能力等），使学生了解总线在计算机系统中的数据传输与通信作用。

总线仲裁与定时：讲解总线仲裁的方法与机制，以解决多个设备同时竞争总线使用权的问题，以及总线操作的定时方式，包括同步定时和异步定时，使学生掌握总线通信的控制策略。

总线标准：介绍常见的总线标准，如 ISA、PCI、PCI - Express、USB 等的特点、应用场景与发展趋势，使学生了解不同总线标准在计算机系统中的应用。

理论讲授：通过课堂讲授，系统阐述计算机硬件基础的核心概念、原理与方法，注重知识的系统性与逻辑性，采用板书与多媒体相结合的方式，将抽象的硬件知识直观地呈现给学生，帮助学生建立扎实的理论基础。

案例分析：引入大量实际的计算机硬件案例，如不同类型计算机的硬件配置分析、硬件故障诊断案例等，引导学生运用所学知识进行分析与解决，培养学生的实际问题解决能力与工程思维。

小组讨论：组织学生开展小组讨论，针对课程中的重点与难点问题，如新型存储技术的发展、CPU 性能优化策略等，鼓励学生发表自己的见解，促进学生之间的思想碰撞与交流，培养学生的团队协作能力与创新思维。

实践教学：安排丰富的实验课程，包括硬件电路设计实验、计算机组装与调试实验、I/O 接口实验等，让学生在实践中亲身体验计算机硬件的设计与实现过程，提升学生的实践动手能力与创新能力。

多媒体教学：制作精美的多媒体课件，包含丰富的图片、动画、视频等素材，将计算机硬件的内部结构、工作原理等抽象内容直观生动地展示给学生，增强教学的趣味性与吸引力。

虚拟仿真实验平台：利用虚拟仿真实验平台，如 Proteus、Multisim 等，让学生在虚拟环境中进行硬件电路设计与仿真调试，降低实验成本，提高实验效率，同时为学生提供更多的实验探索机会。

在线学习平台：搭建在线学习平台，提供丰富的教学资源，如课程视频、电子教材、在线测试、讨论区等，方便学生进行自主学习与交流，打破学习的时间与空间限制。

平时成绩（40%）：包括课堂考勤、课堂表现（提问、参与讨论等）、作业完成情况、实验报告成绩等。通过对学生平时学习过程的全面考核，督促学生养成良好的学习习惯，积极参与课堂互动与实践操作。

期中考试（20%）：采用闭卷考试的方式，对学生前半学期所学的计算机硬件基础知识进行阶段性考核，及时反馈学生的学习情况，帮助学生发现学习中的问题并加以改进。

期末考试（40%）：采用闭卷考试的方式，全面考查学生对整个学期课程内容的掌握程度，包括计算机硬件系统的基本组成、工作原理、设计方法等，题型涵盖选择题、填空题、简答题、综合应用题等，以检验学生对知识的理解与应用能力。

知识掌握评价：通过考试成绩、作业完成情况等对学生的知识掌握程度进行评价，了解学生对计算机硬件基础理论与知识的理解和记忆情况。

能力培养评价：根据学生在实验课程、案例分析、小组讨论等教学环节中的表现，对学生的实践动手能力、问题分析与解决能力、团队协作能力、创新能力等进行评价，关注学生在学习过程中的能力提升。

学习态度评价：通过课堂考勤、课堂表现等对学生的学习态度进行评价，鼓励学生积极主动地参与学习，培养学生的学习兴趣与学习动力。