计算机硬件系统设计
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spContent=《数字逻辑》《计算机组成原理》《系统结构》学习必备,华科CS最受欢迎的实践课,无需硬件即可开展实验,游戏通关理念设计,上手易,挑战性趣味性俱佳,硬件课程不再枯燥难学,沉迷学习不是梦!
—— 课程团队
课程概述

      《计算机硬件系统设计》是一门综合性较强的实践课程,本课程从实验环节入手、秉承做中学,玩中学的教学理念,帮助同学们学习抽象、晦涩、难懂的计算机硬件系列课程,课程淡化以知识点验证为主的验证性实验,建立了逐层递进、立足计算机系统、设计型实验为主导的能贯穿多门课程的实践教学体系,可为计算机硬件系列课程提供配套实践环节。课程内容受众普及面广,可推广性强,既适合985院校的学生进行复杂的系统能力综合训练,也适合普通应用型高校的学生开展硬件系列课程的单元实验。计算机相关专业的同学在学习《数字电路与逻辑设计》、《逻辑与计算机设计基础》、《计算机组成原理》、《计算机组织与结构》、《计算机体系结构》等课程时可配套本课程的部分或全部实践内容进行辅助学习,可大大提升相关课程的学习效果。课程具有如下特点:

无需硬件,一小时玩转实验平台,随时随地做实验

实验无需任何硬件平台,采用基于JAVA平台的Logisim虚拟仿真软件开展相关实验,可在支持Win、Linux、Mac平台。平台简单易学,一小时即可上手实验,有效突破传统硬件实验对时间、空间的限制,改变实验模式,极大的拓展延长了课外实验时间,大大提升实验效率,特别适合线上线下开展。目前加州伯克利大学CS61C课程,康奈尔大学CS3410课程、杜克大学ECE250D课程均采用该平台进行实验。 

原理图构建电路,简单直观,培养硬件思维

传统实验箱实验可靠性低,调试工作量大,挫败感严重,维护工作量大,在固定的实验场所有限时间内很难完成复杂的设计型实验。FPGA开发板实验采用硬件描述语言进行硬件设计,但学习周期过长,调试难度大,技术水平要求过高;硬件设计程序化导致学生很难建立硬件设计与底层电路的对应关系,硬件设计体会不深。本课程在Logisim虚拟仿真平台上采用原理图方式进行硬件电路设计,不需学习硬件描述语言等课程,平台易学易用,调试方便,原理图构建电路可有效提升学生的硬件思维,延续了数字逻辑课程中的电路设计方法。

  做中学,玩中学,丰富的原创实验等你来通关

本课程开发的一系列的原创性实验,既体现趣味性,又体现实验难度,让学生在做中学,玩中学。原创的海明、CRC校验码编码流水传输实验、流水乘法器实验、磁盘阵列控制器实验、cache硬件设计实验、MIPS多周期硬布线与微程序控制器设计、MIPS五段流水CPU设计、动态分支预测实验等均是国际国内首创,一个个层次递进,由易到难的实验就犹如游戏中设计精巧的关卡,等待你去通关,不服来战!

  评测自动化,结果及时反馈,无需老师相伴左右

通过输入输出接口规范化,测试用例标准化,性能指标数据化,实验测试评分自动化等一系列手段,构建了实验一分钟检测框架,大大提升实验的易检查性。原创的硬件实验自动评测系统,学生可自行检查实验、系统可进行故障记录、自动评分,及时反馈实验结果,大大提升实验效率,为实验提供精准指导,学生自主学习,主动实践,促进实践教学模式的改革。

评测自动化,结果及时反馈,无需老师相伴左右

  无缝对接理论课程,提升学习效果,培养系统能力

实践内容紧扣硬件课程理论教学重点难点,努力让枯燥的理论知识在实践中鲜活起来,重知识点的综合应用和评价,学生反馈完成实验知识点想忘都难,真正做到实践教学助力理论教学。将高难度的五段流水CPU设计任务分解为层次递进,由易到难的多个单元实验,跨课程实施,最终集成为完整的CPU,让多门课程衔接更顺畅,在递进的学习过程中让学生养成系统观,有效提升学生计算机系统设计能力。

课程成果从2014年开始逐步应用在我院《数字逻辑》、《逻辑与计算机设计基础》、《计算机组成原理》、《硬件综合训练》、《计算机组成原理课程设计》等课程的实践教学中,受到了广大师生的一致好评,相关实验课堂多次被评为学生最满意课堂,四次获得校优秀课程设计,四次校优秀课程实验,2018年获华中科技大学实验技术成果奖一等奖。先后主办过3次实验教学导教班,来自全国约80所兄弟院校200余教师学习了课程实验教学模式、目前多所院校采用了本课程的相关实验方案。组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子系统结构体系结构

授课目标

    通过系列实验,帮助学生提升相关理论课程的学习效果,在层次递进的实验中培养学生的硬件思维,努力使大部分学生达到较高的硬件系统设计水准,有效提升学生计算机系统能力。组成原操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子系统结构体系结构

课程大纲
预备知识

    第二章先修课为数字逻辑、其他章节先修课为计算机组成原理、汇编语言设计、C语言程序设计,课程可以配合《操作系统》一起学习,方便大家从软件和硬件两个层次1深入理解计算机。组成原操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子系统结构体系结构

证书要求

1.   完成必修章节的在线视频学习

2.   完成必修章节的课后在线测试

3.   参与视频课件附带的学习讨论

4.   建议完成MIPS多周期CPU或24条指令单周期CPU

5.   60分总成绩80分可以获得合格证书

6.   总成绩80分可以获得优秀证书 组成原操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子系统结构体系结构

参考资料

  1. George Self(). EXPLORING DIGITAL LOGIC WITH LOGISIM2013.

  2. 欧阳星明 溪利亚数字电路逻辑设计(2北京:人民邮电出版社,2016.  

  3. M.Morris Mano(). 逻辑与计算机设计基础(第4版).北京:机械工业出版社,2012

  4. 秦磊华,吴非,莫正坤.计算机组成原理北京:清华大学出版社,2011.

  5. 谭志虎,秦磊华,胡迪青.计算机组成原理实践教程.北京:清华大学出版社,2018.

  6. 袁春风计算机组成与系统结构北京:清华大学出版社,2011.

  7. David A. Patterson().计算机组成与设计硬件/软件接口(原书第5).北京:机械工业出版社.

  8. Randal E. Bryant (). 深入理解计算机系统(第3版).北京:机械工业出版社,2016.

  9. 张晨曦,王志英计算机系统结构高等教育出版社.北京:2008.

  10. David Money Harris().数字设计和计算机体系结构(第二版)机械工业出版社,2016.

  11. 组成原操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子系统结构体系
常见问题

[1]     实验环境:Logisim 2.7.1中文版,java平台,支持Win、Linux、MAC平台,无需任何硬件平台。

[2]     实验资料下载:http://pan.baidu.com/s/13cFXZ5x8auptqzRsRbSpkw组成原操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子组成原理操作系统数字逻辑数字电路数字电子系统结构体系结构