國防科技大學《計算機硬件基礎》課程簡介
一、課程定位與目標
（一）課程定位
（二）課程目標
知識掌握目標：學生能夠系統且全面地掌握計算機硬件的基本組成部分，如運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備等的結構、工作原理及相互之間的協同運作機制。深刻理解計算機中的數據表示形式，包括數值數據與非數值數據的編碼方式，以及各類指令系統的功能、格式與尋址方式。
能力培養(yǎng)目標：具備熟練運用所學知識分析和解決計算機硬件相關問題的能力。能夠依據給定的需求，進行簡單計算機硬件系統的設計與搭建，如設計包含特定功能的運算電路、實現小型存儲系統等。同時，能夠準確診斷并排除常見的計算機硬件故障，有效維護硬件系統的穩(wěn)定運行。
素質提升目標：培養(yǎng)學生嚴謹的科學態(tài)度、創(chuàng)新意識與團隊協作精神。在課程學習與實踐過程中，引導學生注重細節(jié)、追求精確，鼓勵學生積極探索新的硬件設計思路與方法。通過小組合作項目，提升學生的溝通協作能力，使其明白團隊力量在解決復雜工程問題中的重要性。
二、課程內容
（一）計算機硬件系統概述
計算機發(fā)展歷程：詳細闡述計算機從誕生之初的電子管計算機，歷經晶體管計算機、集成電路計算機，直至現代超大規(guī)模集成電路計算機的發(fā)展脈絡，使學生明晰計算機硬件技術的演變歷程與發(fā)展趨勢。
計算機系統組成：深入剖析計算機硬件系統的五大基本組成部分 —— 運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備，講解各部分的功能、典型結構及在整個系統中的作用，幫助學生構建計算機硬件系統的整體框架。
計算機性能指標：介紹計算機性能評估的關鍵指標，如主頻、運算速度（CPI、CPU 執(zhí)行時間、MIPS、MFLOPS 等）、存儲容量、I/O 帶寬等，使學生學會如何通過這些指標衡量計算機硬件系統的性能優(yōu)劣。
（二）數據表示與運算
數據表示：講解計算機中數值數據（定點數與浮點數）的表示方法，包括原碼、反碼、補碼等編碼方式，以及非數值數據（字符、圖像、聲音等）的數字化表示形式，讓學生理解數據在計算機中的存儲與處理方式。
基本運算：深入探討計算機中的算術運算（加、減、乘、除）、邏輯運算（與、或、非、異或等）和移位運算的實現原理與電路設計，使學生掌握運算過程中的數據處理與控制機制。
運算器設計：介紹運算器的基本組成結構，如算術邏輯單元（ALU）、累加器、寄存器等，以及運算器的工作流程與設計方法，培養(yǎng)學生設計簡單運算器的能力。
（三）存儲系統
存儲器分類與原理：詳細介紹各類存儲器，包括隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、高速緩沖存儲器（Cache）、硬盤、光盤等的工作原理、性能特點與應用場景，讓學生了解不同存儲器在計算機系統中的角色與作用。
存儲層次結構：講解計算機存儲系統的層次化設計理念，即 Cache - 主存 - 輔存層次結構，分析各層次之間的數據交換機制與性能優(yōu)化策略，使學生明白如何通過合理的存儲層次設計提升計算機系統的整體性能。
主存儲器設計與擴展：介紹主存儲器的設計方法，包括存儲芯片的選擇、地址譯碼電路設計、數據讀寫控制電路設計等，以及主存儲器容量擴展的方法與實現，培養(yǎng)學生設計和擴展主存系統的能力。
（四）中央處理器（CPU）
CPU 結構與功能：深入剖析 CPU 的內部結構，包括運算器、控制器、寄存器組等主要組成部分的結構與功能，講解 CPU 如何協調各部分工作以實現指令的執(zhí)行與數據處理，使學生對 CPU 的工作機制有全面深入的理解。
指令系統：介紹計算機的指令系統，包括指令的格式、類型（數據傳送指令、算術邏輯指令、控制轉移指令等）、尋址方式（立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址等），使學生能夠讀懂和編寫簡單的匯編語言程序，理解指令在 CPU 中的執(zhí)行過程。
控制器設計：講解控制器的設計原理與實現方法，包括硬布線控制器和微程序控制器的工作方式與設計思路，使學生掌握控制器如何產生控制信號以協調計算機各部件的工作。
（五）輸入輸出（I/O）系統
I/O 系統概述：介紹 I/O 系統的基本組成結構，包括 I/O 設備、I/O 接口、總線等，講解 I/O 系統與主機之間的數據傳輸方式與控制機制，使學生了解 I/O 系統在計算機系統中的重要性。
I/O 設備與接口：詳細介紹常見的 I/O 設備，如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、磁盤等的工作原理與接口標準，以及 I/O 接口的功能、結構與設計方法，培養(yǎng)學生設計和使用 I/O 接口的能力。
I/O 控制方式：講解 I/O 控制的三種基本方式 —— 程序查詢方式、中斷方式和直接內存訪問（DMA）方式的工作原理、特點與應用場景，使學生明白如何根據不同的應用需求選擇合適的 I/O 控制方式。
（六）總線技術
總線概述：介紹總線的基本概念、分類（數據總線、地址總線、控制總線）、性能指標（帶寬、傳輸速率、負載能力等），使學生了解總線在計算機系統中的數據傳輸與通信作用。
總線仲裁與定時：講解總線仲裁的方法與機制，以解決多個設備同時競爭總線使用權的問題，以及總線操作的定時方式，包括同步定時和異步定時，使學生掌握總線通信的控制策略。
總線標準：介紹常見的總線標準，如 ISA、PCI、PCI - Express、USB 等的特點、應用場景與發(fā)展趨勢，使學生了解不同總線標準在計算機系統中的應用。
三、教學方法與手段
（一）多樣化教學方法
理論講授：通過課堂講授，系統闡述計算機硬件基礎的核心概念、原理與方法，注重知識的系統性與邏輯性，采用板書與多媒體相結合的方式，將抽象的硬件知識直觀地呈現給學生，幫助學生建立扎實的理論基礎。
案例分析：引入大量實際的計算機硬件案例，如不同類型計算機的硬件配置分析、硬件故障診斷案例等，引導學生運用所學知識進行分析與解決，培養(yǎng)學生的實際問題解決能力與工程思維。
小組討論：組織學生開展小組討論，針對課程中的重點與難點問題，如新型存儲技術的發(fā)展、CPU 性能優(yōu)化策略等，鼓勵學生發(fā)表自己的見解，促進學生之間的思想碰撞與交流，培養(yǎng)學生的團隊協作能力與創(chuàng)新思維。
實踐教學：安排豐富的實驗課程，包括硬件電路設計實驗、計算機組裝與調試實驗、I/O 接口實驗等，讓學生在實踐中親身體驗計算機硬件的設計與實現過程，提升學生的實踐動手能力與創(chuàng)新能力。
（二）現代化教學手段
多媒體教學：制作精美的多媒體課件，包含豐富的圖片、動畫、視頻等素材，將計算機硬件的內部結構、工作原理等抽象內容直觀生動地展示給學生，增強教學的趣味性與吸引力。
虛擬仿真實驗平臺：利用虛擬仿真實驗平臺，如 Proteus、Multisim 等，讓學生在虛擬環(huán)境中進行硬件電路設計與仿真調試，降低實驗成本，提高實驗效率，同時為學生提供更多的實驗探索機會。
在線學習平臺：搭建在線學習平臺，提供豐富的教學資源，如課程視頻、電子教材、在線測試、討論區(qū)等，方便學生進行自主學習與交流，打破學習的時間與空間限制。
四、課程考核與評價
（一）考核方式
平時成績（40%）：包括課堂考勤、課堂表現（提問、參與討論等）、作業(yè)完成情況、實驗報告成績等。通過對學生平時學習過程的全面考核，督促學生養(yǎng)成良好的學習習慣，積極參與課堂互動與實踐操作。
期中考試（20%）：采用閉卷考試的方式，對學生前半學期所學的計算機硬件基礎知識進行階段性考核，及時反饋學生的學習情況，幫助學生發(fā)現學習中的問題并加以改進。
期末考試（40%）：采用閉卷考試的方式，全面考查學生對整個學期課程內容的掌握程度，包括計算機硬件系統的基本組成、工作原理、設計方法等，題型涵蓋選擇題、填空題、簡答題、綜合應用題等，以檢驗學生對知識的理解與應用能力。
（二）評價體系
知識掌握評價：通過考試成績、作業(yè)完成情況等對學生的知識掌握程度進行評價，了解學生對計算機硬件基礎理論與知識的理解和記憶情況。
能力培養(yǎng)評價：根據學生在實驗課程、案例分析、小組討論等教學環(huán)節(jié)中的表現，對學生的實踐動手能力、問題分析與解決能力、團隊協作能力、創(chuàng)新能力等進行評價，關注學生在學習過程中的能力提升。
學習態(tài)度評價：通過課堂考勤、課堂表現等對學生的學習態(tài)度進行評價，鼓勵學生積極主動地參與學習，培養(yǎng)學生的學習興趣與學習動力。
