計(jì)算機(jī)組成原理微課版（第1章）教案 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述參考學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)。教學(xué)目標(biāo)（能力要求）系統(tǒng)梳理計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的發(fā)展歷程，激發(fā)學(xué)生專業(yè)熱情，結(jié)合我國計(jì)算機(jī)發(fā)展面臨的卡脖子現(xiàn)狀，鼓勵(lì)學(xué)生積極投身信息成業(yè)自主可控；學(xué)生能簡單描述計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的發(fā)展歷程及代表性特征；學(xué)生能列舉馮諾依曼計(jì)算機(jī)基本構(gòu)成，解釋其工作原理與主要特征，并能利用相關(guān)原理辨別非馮諾依曼結(jié)構(gòu)；學(xué)生可簡單對(duì)軟件進(jìn)行基本分類，能解釋高級(jí)語言程序執(zhí)行成二值邏輯的一般流程；學(xué)生可闡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)及其好處；學(xué)生可辨析常用的計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)以及評(píng)價(jià)方法，能進(jìn)行CPI、MIPS、CPU執(zhí)行時(shí)間等性能指標(biāo)的簡單運(yùn)算，能使用常見測(cè)試工具對(duì)計(jì)算機(jī)基本性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：“存儲(chǔ)程序”與“程序控制”、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、CPI與MIPS的計(jì)算教學(xué)難點(diǎn)：單一指標(biāo)評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能的潛在問題，如何科學(xué)評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能。教學(xué)主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程（45分鐘）原始計(jì)算工具到電子計(jì)算機(jī)發(fā)展史電子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史與規(guī)律我國計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展概況計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成（20分鐘）計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)（馮諾依曼計(jì)算機(jī)組成及工作原理）計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)（軟件分類以及高級(jí)語言程序執(zhí)行過程）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)（5分鐘）系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、各層次之間的關(guān)系軟件和硬件的邏輯功能等價(jià)性計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)（20分鐘）非時(shí)間指標(biāo)：機(jī)器字長、主存容量、總線位寬時(shí)間指標(biāo)：吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、IPC、CPU執(zhí)行時(shí)間;MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS。性能測(cè)試方法（如何綜合評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能）教學(xué)過程與方法計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程（45分鐘）原始計(jì)算工具到電子計(jì)算機(jī)發(fā)展史這一部分作為整個(gè)課程的導(dǎo)入，根據(jù)四個(gè)階段的標(biāo)志性事件講解計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史，穿插一些有趣的傳奇故事，激發(fā)學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣。具體包括PASCAL加法機(jī)發(fā)明的目的，萊布尼茲乘法機(jī)與加法機(jī)的關(guān)系，巴貝奇“揭榜掛帥”建造差分機(jī)的傳奇，第一個(gè)程序媛Ada的故事，編程與編織花布的故事，科學(xué)家圖靈破譯德軍“謎”電碼，哈佛mark系列計(jì)算機(jī)與第一個(gè)計(jì)算機(jī)Bug，ABC計(jì)算機(jī)與ENIAC的淵源與糾葛，華人電腦英雄王安的傳奇，硅谷八叛逆與仙童公司的前世今生。PPT課件中提供了較為詳實(shí)的內(nèi)容，教師可以根據(jù)自己的需要控制時(shí)間進(jìn)行講述，以上這些故事素材可以在網(wǎng)上百度了解。結(jié)合前述計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史引出現(xiàn)代計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ):布爾代數(shù)、計(jì)算機(jī)開關(guān)電路、圖林機(jī)、阿塔納索夫三原則、維納現(xiàn)代計(jì)算機(jī)五原則、馮諾依曼計(jì)算機(jī)原理。簡單介紹圖靈機(jī)基本原理，也可以結(jié)合最新的chatgpt講講圖靈測(cè)試?？偨Y(jié)100年計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的歷史變革和三類計(jì)算機(jī)的標(biāo)志性部件與原理。電子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史與規(guī)律用表格形式介紹電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的四個(gè)階段、代表性特征、整體發(fā)展規(guī)律。介紹一些計(jì)算機(jī)領(lǐng)域經(jīng)典的發(fā)展規(guī)律，進(jìn)一步引出摩爾定律。引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察頻率曲線和晶體管數(shù)目曲線的差異，2000年左右頻率達(dá)到極限，處理器芯片向結(jié)構(gòu)優(yōu)化多核方向發(fā)展。以103機(jī)為例介紹我國計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史。介紹我國CPU設(shè)計(jì)領(lǐng)域現(xiàn)狀以及面臨的困境，激勵(lì)學(xué)生投身信息產(chǎn)業(yè)自主可控國家戰(zhàn)略。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成（20分鐘）計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)（馮諾依曼計(jì)算機(jī)組成及工作原理）簡要介紹馮諾依曼計(jì)算機(jī)的硬件組成，重點(diǎn)講解存儲(chǔ)程序，程序控制的基本原理。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)（軟件分類以及高級(jí)語言程序執(zhí)行過程）簡單介紹軟件系統(tǒng)分類、重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)高級(jí)語言程序執(zhí)行的完整流程。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)（5分鐘）系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、各層次之間的關(guān)系利用上圖講解計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)抽象分層的主要益處。軟件和硬件的邏輯功能等價(jià)性硬件和軟件在功能上的分配關(guān)系隨著技術(shù)的發(fā)展而變化。部分功能既可以由硬件實(shí)現(xiàn)，也可以由軟件實(shí)現(xiàn)，從用戶的角度來看它們?cè)诠δ苌鲜堑葍r(jià)的。計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)（20分鐘）非時(shí)間指標(biāo)：機(jī)器字長、主存容量、總線位寬時(shí)間指標(biāo)：吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、IPC、CPU執(zhí)行時(shí)間;MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS。CPI(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s11)CPI(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s12)CPI指標(biāo)定義以及計(jì)算方法，以X86手冊(cè)中不同指令的時(shí)鐘周期數(shù)說明CPI概念。T(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s13)T(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s14)CPU執(zhí)行時(shí)間定義以及計(jì)算方法。MIPS(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s15)MIPS(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s16)M(STYLEREF1\s1SEQ公式\*ARABIC\s17)MIPS、MFLOPS指標(biāo)定義以及計(jì)算方法。結(jié)合具體實(shí)例幫助學(xué)生掌握CPI、MIPS、CPU執(zhí)行時(shí)間等性能指標(biāo)的簡單運(yùn)算。性能