國防科技大學《計算機硬件基礎(chǔ)》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(tǒng)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(jié)構(gòu)、工作原理及相互之間的協(xié)同運作機制。深刻理解計算機中的數(shù)據(jù)表示形式，包括數(shù)值數(shù)據(jù)與非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼方式，以及各類指令系統(tǒng)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(guān)問題的能力。能夠依據(jù)給定的需求，進行簡單計算機硬件系統(tǒng)的設計與搭建，如設計包含特定功能的運算電路、實現(xiàn)小型存儲系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定運行。
素質(zhì)提升目標：培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、創(chuàng)新意識與團隊協(xié)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(xié)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(nèi)容
（一）計算機硬件系統(tǒng)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(jīng)晶體管計算機、集成電路計算機，直至現(xiàn)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(shù)的演變歷程與發(fā)展趨勢。
計算機系統(tǒng)組成：深入剖析計算機硬件系統(tǒng)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(jié)構(gòu)及在整個系統(tǒng)中的作用，幫助學生構(gòu)建計算機硬件系統(tǒng)的整體框架。
計算機性能指標：介紹計算機性能評估的關(guān)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(tǒng)的性能優(yōu)劣。
（二）數(shù)據(jù)表示與運算
數(shù)據(jù)表示：講解計算機中數(shù)值數(shù)據(jù)（定點數(shù)與浮點數(shù)）的表示方法，包括原碼、反碼、補碼等編碼方式，以及非數(shù)值數(shù)據(jù)（字符、圖像、聲音等）的數(shù)字化表示形式，讓學生理解數(shù)據(jù)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(shù)運算（加、減、乘、除）、邏輯運算（與、或、非、異或等）和移位運算的實現(xiàn)原理與電路設計，使學生掌握運算過程中的數(shù)據(jù)處理與控制機制。
運算器設計：介紹運算器的基本組成結(jié)構(gòu)，如算術(shù)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(tǒng)
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(tǒng)中的角色與作用。
存儲層次結(jié)構(gòu)：講解計算機存儲系統(tǒng)的層次化設計理念，即 Cache - 主存 - 輔存層次結(jié)構(gòu)，分析各層次之間的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(xiàn)，培養(yǎng)學生設計和擴展主存系統(tǒng)的能力。
（四）中央處理器（CPU）
CPU 結(jié)構(gòu)與功能：深入剖析 CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括運算器、控制器、寄存器組等主要組成部分的結(jié)構(gòu)與功能，講解 CPU 如何協(xié)調(diào)各部分工作以實現(xiàn)指令的執(zhí)行與數(shù)據(jù)處理，使學生對 CPU 的工作機制有全面深入的理解。
指令系統(tǒng)：介紹計算機的指令系統(tǒng)，包括指令的格式、類型（數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)邏輯指令、控制轉(zhuǎn)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(xiàn)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(chǎn)生控制信號以協(xié)調(diào)計算機各部件的工作。
（五）輸入輸出（I/O）系統(tǒng)
I/O 系統(tǒng)概述：介紹 I/O 系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)，包括 I/O 設備、I/O 接口、總線等，講解 I/O 系統(tǒng)與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸方式與控制機制，使學生了解 I/O 系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(jù)不同的應用需求選擇合適的 I/O 控制方式。
（六）總線技術(shù)
總線概述：介紹總線的基本概念、分類（數(shù)據(jù)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(tǒng)中的數(shù)據(jù)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(quán)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(tǒng)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(tǒng)闡述計算機硬件基礎(chǔ)的核心概念、原理與方法，注重知識的系統(tǒng)性與邏輯性，采用板書與多媒體相結(jié)合的方式，將抽象的硬件知識直觀地呈現(xiàn)給學生，幫助學生建立扎實的理論基礎(chǔ)。
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(shù)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(xié)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(diào)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(xiàn)過程，提升學生的實踐動手能力與創(chuàng)新能力。
（二）現(xiàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理等抽象內(nèi)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(diào)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(xiàn)（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(chǔ)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(xiàn)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(nèi)容的掌握程度，包括計算機硬件系統(tǒng)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(chǔ)理論與知識的理解和記憶情況。
能力培養(yǎng)評價：根據(jù)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(xiàn)，對學生的實踐動手能力、問題分析與解決能力、團隊協(xié)作能力、創(chuàng)新能力等進行評價，關(guān)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(xiàn)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。
