计算机硬件基础教程pdf（计算机软硬件技术基础是什么）

（一）课程性质

“计算机组成原理”是高等学校计算机类专业的一门技术基础必修课。通过本课程的学习，培养学生掌握计算机各大部件的基本组成、基本原理，各部件间的相互联系，以及各部件在整机中的作用；培养学生具有初步的硬件系统分析、设计和使用的能力；并为学习后继课程、从事科学研究和工程技术工作打下基础。

（二）课程目标

课程目标1：了解计算机系统结构发展现状和趋势，基于计算机组成的基本原理和分析方法，通过文献研究，达到对计算机系统结构领域的问题进行调研和分析、提出解决方案的能力。

课程目标2：掌握计算机系统的基本组成、基本概念和基础知识，从整体上理解计算机系统各部分的功能，分析各部分之间的关系，识别和判断计算机系统结构领域的关键环节和影响因素，培养学生全面、系统和辩证地分析问题解决问题的能力。

课程目标3：掌握运算器的基本组成、基本原理和基本分析方法，分析相关领域复杂工程问题的解决过程的影响因素，达到对相关的理论和实际问题进行求解的能力。

课程目标4：掌握存储器的基本组成、基本原理和基本分析方法，理解存储系统的层次和作用，分析相关领域复杂工程问题的解决过程的影响因素，达到对相关的理论和实际问题进行求解的能力。

课程目标5：掌握控制器的基本组成、基本原理和基本分析方法，理解指令系统和指令执行过程，掌握指令流水线的基本原理，分析相关领域复杂工程问题的解决过程的影响因素，达到对相关的理论和实际问题进行求解的能力。

课程目标6：掌握输入输出和系统总线的基本组成和基本原理，分析相关领域复杂工程问题的解决过程的影响因素，达到对相关的理论和实际问题进行求解的能力。   

注：工程类专业通识课程的课程目标应覆盖相应的工程教育认证毕业要求通用标准。

（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系

指标点2.1：能运用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别和判断计算机领域复杂工程问题的关键环节和影响因素。

指标点2.4：能够借助文献研究，分析计算机领域复杂工程问题的解决过程的影响因素，论证解决方案的合理性，以获得有效结论。

指标点4.2：了解计算机科学与技术发展现状和趋势，能够基于科学原理，通过文献研究，对计算机领域复杂工程问题的解决方案进行调研和分析。

第1章 计算机系统概述

本章支持课程目标 1、课程目标2。

（一）课程内容

1. 本课程的性质、目的、任务及学习方法；

2. 数字电子计算机发展简况；

3. 计算机系统的基本组成；

4. 计算机的主要性能指标；

5. 计算机的应用与发展趋向。

（二）教学要求

1. 了解本课程的性质、目的、任务及学习方法；

2. 了解计算机的发展历史、计算机的应用与发展趋向；利用辩证主义唯物法分析计算机的发展规律；

3. 了解计算机系统的层次结构，掌握计算机硬件的基本组成、计算机软件的分类和计算机的基本工作过程；培养学生全面、系统和辩证地分析问题解决问题的能力；

4. 掌握计算机的主要性能指标及不同指标之间的相互关系。

（三）重点与难点

1. 重点：计算机系统的层次结构。

2. 难点：计算机的主要性能指标及相互关系。

本章支持课程目标 2。

（一）课程内容

1. 数制与编码；

2. 数值数据的表示；

3. 非数值数据的表示；

4. 数据校验码。

（二）教学要求

1. 掌握进位计数制，能够进行不同数制之间的转换；

2. 了解真值和机器数的概念，能够将真值表示为原码、反码、补码和移码形式的机器数，或反之；

3. 掌握定点数和浮点数的表示方法；能够理解C语言的数据类型在计算机中的表示；

4. 了解字符与字符串在计算机中的表示方法；

5. 掌握数据校验方法，提高增强数据可靠性的意识。

（三）重点与难点

1. 重点：定点数和浮点数的表示。

2. 难点：C语言的数据类型在计算机中的表示。

本章支持课程目标 3。

（一）课程内容

1. 定点数的运算方法和运算电路；

2. 浮点数的运算方法和运算电路；

3. 运算器的组成与结构。

（二）教学要求

1. 分析不同的运算方法，选择合适的设计方案，尽量优化性能、成本等设计目标，培养学生运用辩证主义唯物法基本原理和方法的能力；

2. 能够进行定点数的四则运算并分析运算结果是否溢出等特征，理解运算方法的硬件实现，并根据运算电路的结构，分析数据加工的过程；

3. 能够进行浮点数的四则运算并规格化；了解浮点数的加/减运算的硬件实现；

4. 能够分析运算器数据通路的信息加工过程，具有初步的ALU和运算器数据通路的设计能力。

（三）重点与难点

1. 重点：运算方法和溢出判断。

2. 难点：运算方法的硬件实现。

本章支持课程目标4。

（一）课程内容

1. 存储器的种类与主要性能指标；

2. 半导体随机存取存储器和芯片；

3. 非易失性半导体存储器；

4. 主存储器的组织；

5. 辅助存储器。

（二）教学要求

1. 理解存储器在计算机中的作用；了解存储器的性能指标；存储器的分类；

2. 理解SRAM和DRAM存储器的工作原理；掌握存储器芯片的外部特性，能够根据应用需求选择合适的存储器芯片；

3. 掌握非易失性存储器的特点，能够根据应用场合选择合适的非易失性存储器；

4. 掌握主存储器的组织方法，具有初步的设计能力；

5.了解磁盘的工作原理。

（三）重点与难点

1. 重点：主存储器的组织。

2. 难点：主存储器与CPU的连接。

本章支持课程目标 5。

（一）课程内容

1. 指令系统的基本概念和JUC指令系统；

2. 控制器的基本概念；

3. CPU数据通路；

4. 指令执行流程；

5. 微程序控制器及设计实例；

6．JUC汇编语言程序设计。

（二）教学要求

1. 掌握指令系统的基本概念、寻址方式以及JUC指令系统；

2. 掌握控制器基本组成，指令控制的基本概念，理解时序系统的基本概念，同步、异步控制方式；

3. 掌握CPU数据通路的基本组成和信息加工处理的基本方法；

4. 掌握指令流程的分析方法，能够依据数据通路分析信息加工的过程，也就是指令的执行过程；

5. 掌握微程序控制器的基本组成及工作原理；

6. 理解控制器与运算器、存储器、指令系统的联系，能够综合运用寻址方式、指令执行流程、CPU数据通路等知识进行微程序设计；

7．掌握JUC汇编语言程序设计。

（三）重点与难点

1. 重点：寻址方式、指令执行流程。

2. 难点：微程序控制器。

本章支持课程目标5。

（一）课程内容

1. RISC基本概念；

2. 硬布线控制；

3. RISC-V开源指令集架构；

4. RISC-V的单周期微架构设计；

5. RISC-V的流水线微架构设计；

6. 流水线的性能。

（二）教学要求

1. 了解RISC的产生、发展及主要特征；

2. 理解单周期数据通路、多周期数据通路和流水线数据通路的硬布线控制方法；

3. 掌握RISC-V指令集和寻址方法，了解RV32I指令；

4. 掌握RISC-V的单周期的数据通路和控制器的设计方法；

5. 理解流水线的基本原理，掌握RISC-V的流水线的数据通路和控制器的设计方法；

6. 理解流水线的性能指标，理解指令流水线的相关与冲突和流水线的指令调度。

（三）重点与难点

1. 重点：RISC-V的单周期微架构设计，RISC-V的流水线微架构设计。

2. 难点：指令流水线的相关与冲突。

本章支持课程目标4。

（一）课程内容

1. 高速缓冲存储器；

2. 虚拟存储技术；

3. 存储系统。

（二）教学要求

1. 掌握高速缓存（Cache）的基本组成和工作原理，能够根据Cache和主存之间的映射方式、Cache中主存块的替换算法，分析CPU访问主存时Cache的工作过程；

2. 掌握虚拟存储器的基本概念，了解页式虚拟存储器、段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器；

3. 了解多模块存储器和相联存储器；理解存储器的层次化结构。

（三）重点与难点

1. 重点：高速缓冲存储器。

2. 难点：高速缓冲存储器的访问过程。

本章支持课程目标6。

（一）课程内容

1. I/O系统基本概念；

2. 程序查询方式；

3. 程序中断方式；

4. DMA方式；

5. 总线仲裁、总线操作和定时；

6. 典型总线标准（自学）。

（二）教学要求

1. 掌握输入输出系统基本组成；

2. 掌握程序查询控制输入输出方式；

3. 掌握中断系统的基本组成和基本原理；

4. 掌握DMA传送数据的原理和工作过程；

5. 掌握总线的基本概念、总线的仲裁方式总线操作和定时；

6. 能够根据主机和输入输出的指标分析主机与输入输出的传输性能。

（三）重点与难点

1. 重点：中断机制。

2. 难点：向量中断和中断嵌套。

注：

1.课程实践学时按相关专业培养计划列入表格。

2.主要教学方法包括讲授法、讨论法、演示法、研究型教学方法（基于问题、项目、案例等教学方法）等。

注：

1.课程考核应做到过程性考核与终结性考核相结合。

2.考核形式主要包括课堂表现、平时作业、阶段测试、期中考试、期末考试、大作业、小论文、项目设计和作品等。

3.考核要求包括作业次数、考试方式（开卷、闭卷）、项目设计要求等。

4.考核权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。

5.考核内容须包含课程思政成效考核。

1.《计算机组成与设计：硬件/软件接口（原书第5版·RISC-V版）》， [美]戴维·A. 帕特森（David A. Patterson） 约翰·L. 亨尼斯（John L. Hennessy） 著，易江芳 刘先华 等译，机械工业出版社，2020年5月第1版。

2.《计算机硬件系统设计原理》，刘子良，高等教育出版社，2016年2月第1版。

3.《数字设计和计算机体系结构（原书第2版）》，戴维·莫尼·哈里斯，机械工业出版社出版, 2016

1. 采用多媒体授课，运用讲授、启发式、案例式等多种教学手段。

2. 课后需要完成一定数量的习题或测试，以加深学生对所学内容的理解和掌握。

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