计算机组成原理 谭志虎 微课版（第1--3章）教案 计算机系统概述、数据信息的表示、运算方法与运算器.docx

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计算机系统概述

参考学时

2学时。

教学目标（能力要求）

系统梳理计算机软硬件系统的发展历程，激发学生专业热情，结合我国计算机发展面临的卡脖子现状，鼓励学生积极投身信息成业自主可控；

学生能简单描述计算机软硬件系统的发展历程及代表性特征；

学生能列举冯诺依曼计算机基本构成，解释其工作原理与主要特征，并能利用相关原理辨别非冯诺依曼结构；

学生可简单对软件进行基本分类，能解释高级语言程序执行成二值逻辑的一般流程；

学生可阐述计算机系统层次结构及其好处；

学生可辨析常用的计算机性能指标以及评价方法，能进行CPI、MIPS、CPU执行时间等性能指标的简单运算，能使用常见测试工具对计算机基本性能指标进行测试。

教学重点和难点

教学重点：“存储程序”与“程序控制”、计算机系统层次结构、CPI与MIPS的计算

教学难点：单一指标评价计算机性能的潜在问题，如何科学评价计算机系统性能。

教学主要内容

计算机发展历程（45分钟）

原始计算工具到电子计算机发展史

电子计算机发展历史与规律

我国计算机技术的发展概况

计算机系统的组成（20分钟）

计算机硬件系统（冯诺依曼计算机组成及工作原理）

计算机软件系统（软件分类以及高级语言程序执行过程）

计算机系统的层次结构（5分钟）

系统层次结构、各层次之间的关系

软件和硬件的逻辑功能等价性

计算机性能指标（20分钟）

非时间指标：机器字长、主存容量、总线位宽

时间指标：吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、IPC、CPU执行时间;MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS。

性能测试方法（如何综合评价计算机性能）

教学过程与方法

计算机发展历程（45分钟）

原始计算工具到电子计算机发展史

这一部分作为整个课程的导入，根据四个阶段的标志性事件讲解计算机发展历史，穿插一些有趣的传奇故事，激发学生对课程的学习兴趣。具体包括PASCAL加法机发明的目的，莱布尼兹乘法机与加法机的关系，巴贝奇“揭榜挂帅”建造差分机的传奇，第一个程序媛Ada的故事，编程与编织花布的故事，科学家图灵破译德军“谜”电码，哈佛mark系列计算机与第一个计算机Bug，ABC计算机与ENIAC的渊源与纠葛，华人电脑英雄王安的传奇，硅谷八叛逆与仙童公司的前世今生。

PPT课件中提供了较为详实的内容，教师可以根据自己的需要控制时间进行讲述，以上这些故事素材可以在网上百度了解。

结合前述计算机发展历史引出现代计算机理论基础:布尔代数、计算机开关电路、图林机、阿塔纳索夫三原则、维纳现代计算机五原则、冯诺依曼计算机原理。

简单介绍图灵机基本原理，也可以结合必威体育精装版的chatgpt讲讲图灵测试。

总结100年计算机技术发展的历史变革和三类计算机的标志性部件与原理。

电子计算机发展历史与规律

用表格形式介绍电子计算机发展的四个阶段、代表性特征、整体发展规律。

介绍一些计算机领域经典的发展规律，进一步引出摩尔定律。

引导学生仔细观察频率曲线和晶体管数目曲线的差异，2000年左右频率达到极限，处理器芯片向结构优化多核方向发展。

以103机为例介绍我国计算机发展的历史。

介绍我国CPU设计领域现状以及面临的困境，激励学生投身信息产业自主可控国家战略。

计算机系统的组成（20分钟）

计算机硬件系统（冯诺依曼计算机组成及工作原理）

简要介绍冯诺依曼计算机的硬件组成，重点讲解存储程序，程序控制的基本原理。

计算机软件系统（软件分类以及高级语言程序执行过程）

简单介绍软件系统分类、重点强调高级语言程序执行的完整流程。

计算机系统的层次结构（5分钟）

系统层次结构、各层次之间的关系

利用上图讲解计算机层次结构，重点强调抽象分层的主要益处。

软件和硬件的逻辑功能等价性

硬件和软件在功能上的分配关系随着技术的发展而变化。部分功能既可以由硬件实现，也可以由软件实现，从用户的角度来看它们在功能上是等价的。

计算机性能指标（20分钟）

非时间指标：机器字长、主存容量、总线位宽

时间指标：吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、IPC、CPU执行时间;MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS。

CPI

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CPI

(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s12)

CPI指标定义以及计算方法，以X86手册中不同指令的时钟周期数说明CPI概念。

T

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