基本介紹
- 中文名：計算機原理
- 類別：慕課、國家精品線上開放課程
- 授課平台：中國大學MOOC
- 提供院校：國防科技大學
- 開課時間：2016年02月23日（首次）
- 授課教師：唐玉華、陳微、劉芳、沈立、劉真、任小廣、馬勝
課程性質,課程背景,課程定位,適應專業,開課信息,課程簡介,課程大綱,課前預備,預備知識,學習資料,課程特色,證書要求,所獲榮譽,教師簡介,
課程性質
課程背景
21世紀計算機系統形態、特性多種多樣，智慧型手機、個人電腦、超級計算機，為人類生活帶來了巨大變化。0/1組合如何奠基成複雜的計算機體系、如何通過已有數據推演出精確結論、CPU如何調度處理各項複雜任務、如何建立機器與用戶之間互動的紐帶等一系列問題等待人們探索，因此國防科技大學開設了計算機原理慕課課程。
課程定位
適應專業
該課程適合算機科學與技術、軟體工程、網路工程、信息安全等專業學習。該課程基本涵蓋了中國研究生統一考試大綱的全部教學內容，適用於報考計算機專業的同學複習考研。
開課信息
開課次數 | 開課時間 | 學時安排 | 授課教師 | 參與人數 |
|---|---|---|---|---|
第1次開課 | 2016年02月23日~2016年06月22日 | 4~6小時每周 | 唐玉華、陳微、劉芳、沈立、劉真、任小廣 | 15178 |
第2次開課 | 2017年02月28日~2017年07月28日 | 唐玉華、陳微、劉芳、沈立、任小廣 | 26295 | |
第3次開課 | 2018年03月12日~2018年07月26日 | 3~5小時每周 | 唐玉華、陳微、劉芳、馬勝 | 33669 |
第4次開課 | 2018年03月12日~2018年07月26日 | 唐玉華、陳微、劉芳、沈立 | 15804 | |
第5次開課 | 2020年09月03日~2021年01月17日 | 14858 | ||
第6次開課 | 2021年03月04日~2021年07月14日 | 待定 |
（表格內容參考資料）
課程簡介
計算機原理課程從計算機硬體和軟體兩個角度來闡述電子數字計算機的運算器、控制器、存儲器以及輸入輸出部件的組成結構、工作原理和實現方法，對於建立完整的計算機系統的全局觀和深刻理解計算機系統的工作機理有著較為重要的作用。
課程大綱
第一章 計算機抽象和技術 主要內容： 1. 計算機系統概述 2. 程式的表象之下 3. 打開計算機的機箱 4. 計算機性能評價 第二章 計算機的語言（指令系統） 主要內容： 1.計算機的指令格式 2.指令的定址方式 3.計算機中的數據表示 4.程式的機器級表示 第三章 計算機中的運算 主要內容： 1.計算機的基本運算 | 2.定點數運算 3.浮點數運算 第四章 中央處理器 主要內容： 1.基本MIPS數據通路 2.單周期控制器設計 3.多周期控制器設計 4.流水線數據通路 5.微程式控制器設計 實驗教學部分 主要內容： 1.高級語言與機器表示之間對應關係的驗證實驗 2.數據類型相互轉換及其運算的實現與分析實驗 3.加法器、乘法器等運算器設計與實現系列實驗 4.中央處理器數據通路及控制通路設計與實現實驗 |
（註：課程大綱排版從左到右列）
第一章 計算機抽象和技術 主要內容： 1. 計算機系統概述 2. 程式的表象之下 3. 打開計算機的機箱 4. 計算機性能評價 第二章 計算機的語言（指令系統） 主要內容： 1.計算機的指令格式 2.指令的定址方式 3.計算機中的數據表示 4.程式的機器級表示 第三章 計算機中的運算 主要內容： 1.計算機的基本運算 2.定點數運算 3.浮點數運算 第四章 中央處理器 主要內容： 1.基本MIPS數據通路 2.單周期控制器設計 3.多周期控制器設計 4.流水線數據通路 5.微程式控制器設計 | 第五章 存儲層次結構 主要內容： 1. 存儲器概述 2. 半導體隨機存取存儲器 3. 主存儲器與CPU的連線 4. 高速緩衝存儲器（Cache） 5. 虛擬存儲器 第六章 輸入輸出（I/O）系統 主要內容： 1. 輸入輸出系統概述 2. 外部設備（基本輸入輸出設備、外存儲器） 3. I/O接口 4. I/O控制方式 第七章 匯流排 主要內容： 1. 匯流排概述 2. 匯流排的設計和使用 實驗教學部分 主要內容： 1. 高級語言與機器表示之間對應關係的驗證實驗 2. 數據類型相互轉換及其運算的實現與分析實驗 3. 加法器、乘法器等運算器設計與實現系列實驗 4. 中央處理器數據通路及控制通路設計與實現實驗 5. 存儲器性能分析實驗 6. 存儲器容量擴展實驗 |
（註：課程大綱排版從左到右列）
第一章 計算機的抽象和技術 1.1 概述 1.2 程式的表象之下 1.3 打開計算機的機箱 1.4 計算機性能評價 第二章 計算機的語言（指令系統） 2.1 指令系統概述 2.2 指令格式 2.3 定址方式 2.4 計算機中的數據表示 2.5 程式在計算機中如何表示 第三章 計算機中的運算 3.1 計算機的基本運算 3.2 加法和減法 3.3 乘法運算 3.4 除法運算 3.5 浮點數運算 3.6 算術運算的精確性 第四章 中央處理器 4.1 基本MIPS數據通路 4.2 單周期控制器 4.3 多周期控制器 4.4 流水線數據通路 4.5 微程式控制器設計 第五章 存儲層次結構 5.1 存儲器概述 5.2 主存儲器 5.3 Cache高速快取 5.4 存儲層次結構 第六章 輸入輸出系統 6.1 輸入輸出系統概述 6.2 I/O接口 6.3 磁碟存儲器 6.4 並行IO: RAID糟陣 6.5 快閃記憶體與光存儲 第七章 匯流排 7.1 匯流排的概念 7.2 匯流排設備和匯流排控制器 7.3 匯流排的設計 7.4 匯流排頻寬 實驗部分授課目錄 實驗一 高級語言與機器表示 1 實驗環境介紹 2 GCC的基本使用方法 3 從源程式到目標代碼 4 機器語言與彙編語言 | 5 機器語言與指令集結構 實驗二 掃雷遊戲的破解 1 掃雷遊戲的破解 2 使用什麼工具破解掃雷 3 如何找到遊戲中的地雷 實驗三 運算器的設計與實現 1 實驗內容的介紹 2 實驗工具的簡單介紹 3 加法器的設計與實現 4 減法器的設計與實現 5 乘法器的設計與實現 實驗四 數據類型轉換與運算 1 整數的類型轉換 2 整數的基本運算 3 浮點數的類型轉換 4 浮點數的基本運算 5 類型間的相互轉換 實驗五 數據存儲與對齊 1 數據存儲的順序 2 數據存儲的對齊 實驗六 中央處理器的設計與實現 1 指令在CPU中的執行 2 數據通路的設計與實現 3 控制通路的設計與實現 4 處理器的集成與驗證 實驗七 存儲器容量擴展 1 存儲擴展測驗 2 字擴展 3 位擴展 4 字位擴展 實驗八 程式性能最佳化 1 程式性能最佳化測驗 2 程式性能最佳化 實驗九 I/O控制方式 1 實驗平台簡介 2 查詢與中斷實驗 3 趣味音樂播放實驗 習題課部分授課目錄 1 第一章_習題課 2 第二章_習題課 3 第三章_習題課 4 第四章_習題課 5 第五章_習題課 6 第六章_習題課 7 第七章_習題課 |
（註：課程大綱排版從左到右列）
第一章（一） 計算機的抽象和技術 1.1 概述 1.2 程式的表象之下 1.3_1 打開計算機的機箱——存儲程式思想和馮諾依曼框架 1.3_2 打開計算機的機箱——硬體組成 第一章（二） 計算機的抽象和技術 1.4 _1 計算機性能評價——性能的基本指標 1.4 _2 計算機性能評價——CPU執行時間 1.4 _3 計算機性能評價——三個簡單的例子 1.4 _4 計算機性能評價——Amdahl定律 第一章測驗 第二章（一）計算機的語言（指令系統） 2.1 指令系統概述 2.2 指令格式 2.3 定址方式 第二章（二）計算機的語言（指令系統） 2.4_1 數據在計算機中如何表示 2.4_2 數值數據的定點表示 2.4_3 數值數據的浮點表示 2.4_4 數值數據的十進制表示 2.4_5 字元數據的機器表示 第二章（三）計算機的語言（指令系統） 2.4_6 數據的度量與存儲 2.4_7 數據出錯了怎么辦？ 2.4_8 基本指令和指令類別 第二章作業 第二章（四）計算機的語言（指令系統） 2.5 程式在計算機中如何表示 第二章測試 實驗一（上） 高級語言與機器表示 來自陳微的問候 1 實驗環境介紹 2 GCC的基本使用方法 3 從源程式到目標代碼 實驗一（下） 高級語言與機器表示 4 機器語言與彙編語言 5 機器語言與指令集結構 第三章（一） 計算機中的運算 3.1.1 按位運算 3.1.2 邏輯運算 3.1.3 移位操作 第三章（二）計算機中的運算 3.2 加法和減法 第三章（三）計算機中的運算 3.3 乘法運算 第三章（四）計算機中的運算 3.4 除法運算 第三章（五）計算機中的運算 3.5.1 浮點運算的基本概念和問題 3.5.2 浮點數的加法運算 3.5.3 浮點數的乘除運算 3.6 算術運算的精確性 第三章測試 實驗二 掃雷遊戲的破解 1 掃雷遊戲的破解 2 使用什麼工具破解掃雷 3 如何找到遊戲中的地雷 第四章（一）中央處理器 4.1基本MIPS數據通路 4.2單周期控制器 第四章（二）中央處理器 4.3 多周期控制器 實驗三 運算器的設計與實現 1 實驗內容的介紹 2 實驗工具的簡單介紹 3 加法器的設計與實現 | 4 減法器的設計與實現 5 乘法器的設計與實現 第四章（三）中央處理器 4.4 流水線數據通路 第四章（四）中央處理器 4.5 微程式控制器設計 第五章（一） 存儲層次結構 5.1 存儲器概述 實驗四 數據類型轉換與運算 簡介 1.整數的類型轉換 2.整數的基本運算 3.浮點數的類型轉換 4.浮點數的基本運算 5.類型間的相互轉換 實驗五 數據存儲與對齊 簡介 1.數據存儲的順序 2.數據存儲的對齊 第四章單元測驗 第五章（二） 存儲層次結構 5.2 主存儲器 第五章（三） 存儲層次結構 5.3 Cache高速快取 （1） 實驗六（上） 中央處理器的設計與實現 簡介 1 指令在CPU中的執行 2 數據通路的設計與實現（上） 第五章（四） 存儲層次結構 5.3 Cache高速快取 （2） 實驗六（下） 中央處理器的設計與實現 3 數據通路的設計與實現（下） 4 控制通路的設計與實現 5 處理器的集成與驗證 第五章（五） 存儲層次結構 5.4 存儲層次結構 第五章單元測驗 第六章（一） 輸入輸出系統 6.1 輸入輸出系統概述 6.2 I/O接口 6.3 磁碟存儲器 第六章單元測驗 第六章（二） 輸入輸出系統 6.4 並行IO: RAID糟陣 6.5 快閃記憶體與光存儲 實驗七 存儲器容量擴展 1 字擴展 2 位擴展 3 字位擴展 第七章 匯流排 匯流排的概念和匯流排設計 實驗八 程式性能最佳化 1 程式性能最佳化 實驗九 I/O控制方式 1 實驗平台簡介 2 查詢與中斷實驗 3 趣味音樂播放實驗 第一章_習題課 習題課_第一章 習題課（二） 習題課_第二章_（下） 習題課_第二章_（上） 第三章_習題課 第三章_習題課 第四章_習題課 第四章_習題課 |
（註：課程大綱排版從左到右列）
課前預備
預備知識
學習計算機原理課程，學習者需要具備大學計算機基礎、數字電子技術基礎，需要有一些數字電子技術和程式設計的基礎。
學習資料
書名 | 作者 | 出版時間 | 出版社 |
|---|---|---|---|
《Computer Organization and Design—The Hardware/ Software Interface》（Fifth Edition） | David A. Patterson等 | 2014年 | - |
深入理解計算機系統》 （第二版） | Randal E. Bryant等 | 2011年 | |
《計算機組成原理與設計》 | 王保恆等 | 2005年 | 機械工業出版社 |
（註：表格內容參考資料）
課程特色
該課程既有較強的基礎性和系統性，又有較強的工程性和實踐性，在計算機技術的學科基礎課和專業課之間具有較為重要的承上啟下的核心地位。該課程的基本理念是：採用“視頻講授＋線上練習＋習題課講解＋實驗設計”的四維融合教學模式，涵蓋全國研究生統一考試大綱中的全部教學內容和實驗內容；課堂講授強調知識的基礎性、系統性，以啟發引導和案例分析為基本教學手段；線上練習和習題課注重在求解問題中的探索式學習和體驗；實驗設計突出工程性和實踐性，利用網路平台進行師生互動，為同學們開展自主學習、跨學科專業選修課程、計算機原理考研複習提供支撐。
證書要求
按百分制計分，85~100分為優秀，60~84分為合格。
章節測試每次占5%，共6次占30%；討論占10%；期末考試占60%。
積極參與課程的各項討論，注重參與質量，對課程有特殊貢獻的學生，可以獲得5~10分的加分。
所獲榮譽
2008年被評為“國家精品課程”，是首批“國家精品資源共享課程”。
2019年1月8日，該課程被中華人民共和國教育部認定為“2018年國家精品線上開放課程”。
教師簡介
沈立，國防科技大學教授。
劉真，國防科技大學教授。
陳微，國防科技大學教授。
劉芳，國防科技大學副教授。
唐玉華，國防科技大學研究員。
任小廣，國防科技大學講師。
馬勝，國防科技大學助理研究員。
