國防科技大學(xué)《計算機(jī)硬件基礎(chǔ)》課程簡介
一、課程定位與目標(biāo)
（一）課程定位
（二）課程目標(biāo)
知識掌握目標(biāo)：學(xué)生能夠系統(tǒng)且全面地掌握計算機(jī)硬件的基本組成部分，如運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備等的結(jié)構(gòu)、工作原理及相互之間的協(xié)同運(yùn)作機(jī)制。深刻理解計算機(jī)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(biāo)：具備熟練運(yùn)用所學(xué)知識分析和解決計算機(jī)硬件相關(guān)問題的能力。能夠依據(jù)給定的需求，進(jìn)行簡單計算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計與搭建，如設(shè)計包含特定功能的運(yùn)算電路、實現(xiàn)小型存儲系統(tǒng)等。同時，能夠準(zhǔn)確診斷并排除常見的計算機(jī)硬件故障，有效維護(hù)硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
素質(zhì)提升目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、創(chuàng)新意識與團(tuán)隊協(xié)作精神。在課程學(xué)習(xí)與實踐過程中，引導(dǎo)學(xué)生注重細(xì)節(jié)、追求精確，鼓勵學(xué)生積極探索新的硬件設(shè)計思路與方法。通過小組合作項目，提升學(xué)生的溝通協(xié)作能力，使其明白團(tuán)隊力量在解決復(fù)雜工程問題中的重要性。
二、課程內(nèi)容
（一）計算機(jī)硬件系統(tǒng)概述
計算機(jī)發(fā)展歷程：詳細(xì)闡述計算機(jī)從誕生之初的電子管計算機(jī)，歷經(jīng)晶體管計算機(jī)、集成電路計算機(jī)，直至現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路計算機(jī)的發(fā)展脈絡(luò)，使學(xué)生明晰計算機(jī)硬件技術(shù)的演變歷程與發(fā)展趨勢。
計算機(jī)系統(tǒng)組成：深入剖析計算機(jī)硬件系統(tǒng)的五大基本組成部分 —— 運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)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(xué)生構(gòu)建計算機(jī)硬件系統(tǒng)的整體框架。
計算機(jī)性能指標(biāo)：介紹計算機(jī)性能評估的關(guān)鍵指標(biāo)，如主頻、運(yùn)算速度（CPI、CPU 執(zhí)行時間、MIPS、MFLOPS 等）、存儲容量、I/O 帶寬等，使學(xué)生學(xué)會如何通過這些指標(biāo)衡量計算機(jī)硬件系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。
（二）數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算
數(shù)據(jù)表示：講解計算機(jī)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(bǔ)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(xué)生理解數(shù)據(jù)在計算機(jī)中的存儲與處理方式。
基本運(yùn)算：深入探討計算機(jī)中的算術(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除）、邏輯運(yùn)算（與、或、非、異或等）和移位運(yùn)算的實現(xiàn)原理與電路設(shè)計，使學(xué)生掌握運(yùn)算過程中的數(shù)據(jù)處理與控制機(jī)制。
運(yùn)算器設(shè)計：介紹運(yùn)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(yùn)算器的工作流程與設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計簡單運(yùn)算器的能力。
（三）存儲系統(tǒng)
存儲器分類與原理：詳細(xì)介紹各類存儲器，包括隨機(jī)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(yīng)用場景，讓學(xué)生了解不同存儲器在計算機(jī)系統(tǒng)中的角色與作用。
存儲層次結(jié)構(gòu)：講解計算機(jī)存儲系統(tǒng)的層次化設(shè)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(jī)制與性能優(yōu)化策略，使學(xué)生明白如何通過合理的存儲層次設(shè)計提升計算機(jī)系統(tǒng)的整體性能。
主存儲器設(shè)計與擴(kuò)展：介紹主存儲器的設(shè)計方法，包括存儲芯片的選擇、地址譯碼電路設(shè)計、數(shù)據(jù)讀寫控制電路設(shè)計等，以及主存儲器容量擴(kuò)展的方法與實現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計和擴(kuò)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(yùn)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(xué)生對 CPU 的工作機(jī)制有全面深入的理解。
指令系統(tǒng)：介紹計算機(jī)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(xué)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(shè)計：講解控制器的設(shè)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(shè)計思路，使學(xué)生掌握控制器如何產(chǎn)生控制信號以協(xié)調(diào)計算機(jī)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(shè)備、I/O 接口、總線等，講解 I/O 系統(tǒng)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸方式與控制機(jī)制，使學(xué)生了解 I/O 系統(tǒng)在計算機(jī)系統(tǒng)中的重要性。
I/O 設(shè)備與接口：詳細(xì)介紹常見的 I/O 設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、磁盤等的工作原理與接口標(biāo)準(zhǔn)，以及 I/O 接口的功能、結(jié)構(gòu)與設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)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(yīng)用場景，使學(xué)生明白如何根據(jù)不同的應(yīng)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(biāo)（帶寬、傳輸速率、負(fù)載能力等），使學(xué)生了解總線在計算機(jī)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(jī)制，以解決多個設(shè)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(xué)生掌握總線通信的控制策略。
總線標(biāo)準(zhǔn)：介紹常見的總線標(biāo)準(zhǔn)，如 ISA、PCI、PCI - Express、USB 等的特點、應(yīng)用場景與發(fā)展趨勢，使學(xué)生了解不同總線標(biāo)準(zhǔn)在計算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
三、教學(xué)方法與手段
（一）多樣化教學(xué)方法
理論講授：通過課堂講授，系統(tǒng)闡述計算機(jī)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(xué)生，幫助學(xué)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(jī)硬件案例，如不同類型計算機(jī)的硬件配置分析、硬件故障診斷案例等，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行分析與解決，培養(yǎng)學(xué)生的實際問題解決能力與工程思維。
小組討論：組織學(xué)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(xué)生發(fā)表自己的見解，促進(jìn)學(xué)生之間的思想碰撞與交流，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力與創(chuàng)新思維。
實踐教學(xué)：安排豐富的實驗課程，包括硬件電路設(shè)計實驗、計算機(jī)組裝與調(diào)試實驗、I/O 接口實驗等，讓學(xué)生在實踐中親身體驗計算機(jī)硬件的設(shè)計與實現(xiàn)過程，提升學(xué)生的實踐動手能力與創(chuàng)新能力。
（二）現(xiàn)代化教學(xué)手段
多媒體教學(xué)：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(jī)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(xué)生，增強(qiáng)教學(xué)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(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行硬件電路設(shè)計與仿真調(diào)試，降低實驗成本，提高實驗效率，同時為學(xué)生提供更多的實驗探索機(jī)會。
在線學(xué)習(xí)平臺：搭建在線學(xué)習(xí)平臺，提供豐富的教學(xué)資源，如課程視頻、電子教材、在線測試、討論區(qū)等，方便學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)與交流，打破學(xué)習(xí)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(xué)生平時學(xué)習(xí)過程的全面考核，督促學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)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(xué)生前半學(xué)期所學(xué)的計算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識進(jìn)行階段性考核，及時反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)中的問題并加以改進(jìn)。
期末考試（40%）：采用閉卷考試的方式，全面考查學(xué)生對整個學(xué)期課程內(nèi)容的掌握程度，包括計算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成、工作原理、設(shè)計方法等，題型涵蓋選擇題、填空題、簡答題、綜合應(yīng)用題等，以檢驗學(xué)生對知識的理解與應(yīng)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(xué)生的知識掌握程度進(jìn)行評價，了解學(xué)生對計算機(jī)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(xué)生在實驗課程、案例分析、小組討論等教學(xué)環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)，對學(xué)生的實踐動手能力、問題分析與解決能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、創(chuàng)新能力等進(jìn)行評價，關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的能力提升。
學(xué)習(xí)態(tài)度評價：通過課堂考勤、課堂表現(xiàn)等對學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度進(jìn)行評價，鼓勵學(xué)生積極主動地參與學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)動力。
