计算机硬件技术基础
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课程评价
spContent=本课程通过对计算机硬件的系统学习,了解计算机的基本工作原理,组成方法以及相互关系,了解计算机系统的层次化结构概念,熟悉一些典型的有代表性的计算机结构,理解硬件与软件之间的接口界面,建立起一个完整的计算机系统的整机概念,为后续课程的学习准备必要的硬件方面的基础知识。
—— 课程团队
课程概述

《计算机硬件技术基础》课程是面向非电专业开设一门计算机公共基础课。本课程主要讨论单机系统范围内计算机各部分和系统的组成及内部工作机制。通过对本门课程学习,要求学生掌握计算机各大部件的工作原理、组成方法以及相互关系,了解计算机系统的层次化结构概念,熟悉一些典型的有代表性的计算机结构,理解硬件与软件直接的接口界面,建立起一个完整的计算机系统的整机概念,为后续课程的学习准备必要的硬件方面的基础知识。

    《计算机硬件技术基础》课程共包含八个章节,共计60多个知识点。课程以冯.诺依曼计算机模型作为教学起点,介绍计算机的组织结构和工作原理,剖析计算机的运算器、存储器、控制器和输入输出设备的组成、工作原理与相互关系。目标是使学生对计算机的内部结构、功能部件、功能特征、性能以及交互方式全面掌握,通过本课程的学习和课程配套的系列实验之后,学生不应当把计算机看着一个执行程序的黑匣子,可以从计算机的组成原理和系统结构角度,完整说明计算机的工作过程,并能根据计算机的特征编写出更加高效的程序,为计算机系统分析、设计、开发和使用能力的基础。


授课目标
课程目标是使学生对计算机的内部结构、功能部件、功能特征、性能以及交互方式全面掌握,通过本课程的学习和课程配套的系列实验之后,学生可以从计算机的组成原理和系统结构角度,完整说明计算机的工作过程,并能根据计算机的特征编写出更加高效的程序,为计算机系统分析、设计、开发和使用能力的基础。
课程大纲

模块一:计算机系统组成概述——物理组成与逻辑组成(2学时) 
    知识点1:计算机的发展概况及应用领域 
         要点:简单介绍计算机及CPU的发展历史,计算机的应用领域。 
    知识点2:计算机系统的物理组成及特点 
         要点:介绍CPU、内存、主板、硬盘、光盘、U盘、显示器、键盘鼠标等常见设备的物理外观及功能。 
    知识点3:计算机系统的逻辑组成及特点 
         要点:按照运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等逻辑重新划分计算机硬件,介绍各个类别的功能,给出不同硬件与CPU的三大总线(DB、AB、CB)的逻辑连接关系图。 
    知识点4:计算机程序的执行过程I
         要点:介绍计算机程序从外存调入内存,并由CPU执行,执行结果重新保存的过程。 
    知识点5:计算机系统的主要性能指标 
         要点:介绍计算机系统的运行速度、存储容量等主要性能指标。介绍CPU的主频、能耗、缓存、流水线、生产工艺等主要性能指标。

模块二:计算机系统的两大功能之一——运算(2学时) 
    知识点1:数值信息与文字信息的表示 
         要点:介绍数值与非数值信息的区别,以及不同信息的保存。数值信息的补码等。 
    知识点2:算术运算
         要点:介绍加减乘除算术运算中进借位的产生与处理,及数据溢出的产生与处理
    知识点3:逻辑运算之与、或、非、异或
         要点:介绍四种基本逻辑运算规则。 
    知识点4:运算的电路实现 
         要点:介绍各种运算所对应的累加器、乘法器、基本逻辑门等电路。(不用讲具体电路原理,简单介绍不同运算有不同的对应电路,更复杂的运算是通过转换成基本运算实现的) 
    知识点5:案例——交通灯的减法运算(倒计时)

模块三:运算与控制的核心硬件——中央处理器(由内而外介绍)(4学时) 
    知识点1:80x86处理器的功能结构(内) 
         要点:重点介绍CPU内部功能部件及其相应的功能,补充介绍后续CPU在内部结构上的改进。 
    知识点2:80x86处理器的内部寄存器 
         要点:介绍处理器内部的通用寄存器及专用寄存器等。 
    知识点3:8086处理器的外部引脚(外) 
         要点:以DB、AB、CB三大总线主要的外部引脚,以及工作模式(最大模式、最小模式) 
    知识点4:计算机程序的执行过程II
         要点:以加法为例,介绍程序在CPU内部的取指、译指、执行等动作
    知识点5:8086的存储器组织
         要点:8086的存储器组织方式 
    知识点6:控制是运算的保障——最基本的控制:时序控制(内外联合) 
         要点:介绍机器周期、总线周期、指令周期的概念,以及时钟驱动下的CPU动作,补充指令流水线技术 
    知识点7:处理器的复位与启动 
         要点,在处理器取指技术的基础上,进一步解释第一条指令是如何找到的? 
    知识点8:案例——交通灯之红变绿(或者绿变红)过程的程序流程

模块四:运算与控制的软件支持——处理器的指令系统与汇编程序(6学时) 
    知识点1:指令集的派系(RISC和CISC) 
         要点:对比介绍RISC和CISC指令集的异同 
    知识点2:高级语言与汇编语言指令 
         要点:以运算符为例介绍高级语言中的运算符与汇编语言指令的对应关系,理解两者的差异,重点理解汇编指令与机器码的严格对应关系。 
    知识点3:指令寻址方式 
         要点:寻址方式的概念及基本的寻址方式(立即数寻址、寄存器寻址、直接寻址、寄存器间接寻址、相对寄存器间接寻址) 
    知识点4:数据传送指令 
         要点:MOV、PUSH、POP、XCHG、IN、OUT(留到接口部分讲) 
    知识点5:算术运算指令 
         要点:ADD,ADC,INC,SUB,SBB,DEC,CMP,NEG,MUL,IMUL,DIV,IDIV
    知识点6:逻辑运算指令和移位指令
         要点:AND,OR,NOT,XOR,TEST和SAL、SAR、SHL、SHR、ROL、ROR、RCL、RCR
    知识点7:控制转移指令 
         要点:JMP、CALL、RET、J*、LOOP
    知识点8:处理器控制指令 
         要点:CLC、STC、CMC、CLD、STD、NOP、CLI、STI(留到中断部分讲) 
    知识点9:汇编语言基本语法规则 
         要点:常量、表达式、运算符、伪指令 
    知识点10:汇编伪指令 
         要点:指令助记符、源操作数、目的操作数的基本概念
    知识点11:汇编语言基本程序设计——顺序程序
    知识点12:汇编语言基本程序设计——分支程序
    知识点13:汇编语言基本程序设计——循环程序
    知识点14:中断与DOS功能调用 
         要点:INT n、INT 21H、IRET(留到中断部分讲)
    知识点15:案例——交通灯的双路口联动程序 
         要点:仅实现一个路口由红变绿的同时另一个路口由绿变红

模块五:计算机系统中的存储器——向CPU提供巧妇之米(4学时) 
    知识点1:CPU的寻址空间与存储器的编址 
         要点:介绍8086CPU的寻址空间以及存储器的编址方式 
    知识点2:存储器的分段管理 
         要点:解释如何用16位寄存器管理1M的地址空间。 
    知识点3:存储器的分级管理 
         要点:Cache、主存、虚拟存储器、辅存 
    知识点4:存储器的分类 
         要点:按照作用、存储介质、存储方式等划分 
    知识点5:存储器的扩展 
         要点:字扩展、位扩展 
    知识点6:存储器的性能指标 
         要点:存储容量、存取速度 
    知识点7:内存技术进展 
         要点:DDR、DDR2、DDR3
    知识点8:外存技术进展 
         要点:光存储、磁存储、固态存储

模块六:计算机中的数据传送方式——巧妇之米是如何运送的?(4学时) 
    知识点1:传送信息的类型 
         要点:与三大总线的对应(数据信息、地址信息、控制信息) 
    知识点2:传送通道——接口 
         要点:接口的概念、存在的意义、接口的寻址(重点解释与内存地址寻址的差别,) 
    知识点3:接口芯片的基本构成 
         要点:介绍接口芯片的基本要素(控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器)、接口芯片的地址选通 
    知识点4:数据传送方式之无条件传送 
         要点:无条件输入、无条件输出 
    知识点5:数据传送方式之软件查询传送 
         要点:软件查询输入、软件查询输出 
    知识点6:数据传送方式之中断方式传送 
         要点:中断的概念、中断输入、中断输出、中断系统中的基本概念(中断源、中断优先级、中断的屏蔽、断点、现场)、中断的软件支持(中断服务程序、中断返回指令IRET)、中断系统的扩展 
    知识点7:数据传送方式之DMA传送 
         要点:DMA传送概念,适用场合 
    知识点8:数据传送的物理通路——总线 
         要点:计算机系统中的MCH、ICH、以及各类总线(PCI、ISA等)的差别

模块七:时序控制的重要保障——定时器/计数器8253(2学时) 
    知识点1:定时器计数器概述 
         要点:重点介绍定时器计数器在计算机系统中的作用 
    知识点2:可编程定时器计数器的工作原理 
    知识点3:8253的内部结构及编程原则 
    知识点4:8253的工作方式 

模块八:计算机系统的外部接口——让数据进行长途旅行(4学时) 
    知识点1:常见的外部接口与分类 
         要点:区分模块六中的逻辑接口概念和这里的物理接口概念、 分类:按信号类型(数字接口、模拟接口),按通信方式(串行接口、并行接口),按物理标准(RS232、USB、Ethernet、LPT、1394、HDMI、DVI等) 
    知识点2:串行接口通信基础 
         要点:基本概念(工作模式、波特率、同步与异步方式、校验与纠错) 
    知识点3:串行接口芯片 
         要点:8251A接口芯片的简单应用 
    知识点4:并行接口通信基础 
         要点:基本概念(工作方式等)、与串行通信的比较 
    知识点5:并行接口芯片 
         要点:8255A接口芯片的简单应用 
    知识点6:模拟信号的输入与输出 
         要点:ADC、DAC的基本原理及其基本指标 
    知识点7:信号的调制与解调

预备知识

计算机基础

高级语言程序设计

证书要求

每周单元测试占30%

两次期中测试占40%

期末测试占30%

参考资料

李继灿等. 《计算机硬件技术基础(第3版).  清华大学出版社,2015.

王海瑞等. 《计算机原理与体系结构》.  清华大学出版社,2015.

王成端等. 《微机接口技术(第3版)》. 高等教育出版社,2009.

布赖恩特著,龚奕利译. 《深入理解计算机系统(修订版)》. 中国电力出版社,2004.
郑学坚. 《微型计算机原理及应用(第三版)》. 清华大学出版社,2001.
周明德. 《微型计算机系统原理及应用(第四版)》. 清华大学出版社,2002.

常见问题

Q:计算机系统就是硬件系统吗?
A:说计算机系统就是硬件系统是不完整的。一个完整的计算机系统应该包括硬件系统和软件系统两部分。硬件系统包括:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部 件。软件系统分为系统软件和应用软件两大类。系统软件包括操作系统、计算机语言处理程序(各种程序翻译软件,包括编译程序、解释程序、汇编程序)、服务性程序、数据库管理系统和网络软件等;应用软件包括各种特定领域的处理程序。计算机系统中的硬件和软件是相辅相成的,缺一不可。软件是计算机系统的灵魂,没有软件的硬件不能被用户使用,犹如一堆废铁。

Q:《计算机硬件技术基础》与《计算机原理》、《计算机组成原理及应用》、《微机接口技术》等课程之间的关系?
A:《计算机原理》、《计算机组成原理及应用》、《微机接口技术》等课程是《计算机硬件技术基础》的前身。为结合不同专业培养方向,深化计算机基础教育改革的实施方案,将《计算机组成原理及应用》与《微机接口技术》等课程进行合并,构成《计算机硬件技术基础》。