《计算机组成原理》教案.docxVIP

PAGE9

计算机学院

教案

课程名称：

计算机组成原理

开课部门：

计算机学院

开课学期：

2025--2026学年第一学期

授课班级：

23级计算机科学与技术班

任课教师：

XXX

教师职称：

教授

使用教材：

教材

主编

出版社

课程导论与计算系统概述教案设计

题目：课程导论与计算系统概述（课程定位与目标，计算机发展简史，冯·诺依曼模型，性能指标与评测）

授课时长：4学时（180分钟）

授课班级：23级计科班

主讲教师：XXX

学情分析

1.知识基础：23级计算机科学与技术专业大三学生已修《数据结构》《操作系统导论》《数字逻辑》等课程，熟悉软件层面的程序设计（如C语言）和基础硬件概念（如门电路），但对“程序如何通过硬件执行”的底层机制缺乏系统认知。

2.学习特点：

?优势：逻辑思维能力较强，能理解抽象概念（如二进制运算）；对前沿技术（如AI、云计算）兴趣浓厚，可结合实际应用激发学习动机。

?不足：硬件实践经验较少（多数未接触过CPU设计实验），易将“逻辑模型”（如冯·诺依曼模型）与“具体硬件”（如内存条、CPU芯片）混淆；对性能指标的关联性分析（如主频与功耗的权衡）缺乏直观认识。

3.学习需求：希望通过课程理解“计算机如何工作”的本质，为后续考研（如计算机体系结构方向）或就业（如嵌入式开发）提供理论支撑；期待结合案例（如手机SoC的设计）理解抽象原理。

教学目标

教学目标

?掌握：

?冯·诺依曼模型的五大逻辑部件及其协作流程（能画出模型结构图并说明指令执行过程）。

?CPU时间、CPI、MIPS的计算公式（能根据给定主频、指令数、CPI计算程序执行时间）。

?熟悉：

?计算机发展的四个阶段（电子管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路）及各阶段代表性机型（如ENIAC、IBM7000、Intel4004）。

?《计算机组成原理》课程在专业培养方案中的定位（衔接硬件基础课与系统级课程的核心桥梁）。

?了解：

?冯·诺依曼模型的局限性（如“存储墙”问题）及现代改进技术（如缓存、多核）。

?常见计算机性能评测方法（如SPEC基准测试）的适用场景。

教学重点

1.冯·诺依曼模型的核心要素：存储程序、五大逻辑部件（运算器、控制器、存储器、输入/输出设备）的功能与协作关系。

2.计算机性能的核心指标：CPU时间（指令数×CPI/主频）、CPI（每条指令的时钟周期数）、MIPS（主频/(CPI×10^6)）的定义与计算。

3.课程定位与目标：明确本课程是“硬件-软件协同”知识体系的关键枢纽，为后续学习操作系统、计算机体系结构奠定基础。

教学难点

1.冯·诺依曼模型的抽象性理解：学生易将模型与具体硬件（如CPU、内存）直接对应时产生混淆，需明确模型是逻辑层面的抽象描述。

2.性能指标的关联性分析：学生难以理解吞吐率、响应时间、CPI等指标间的相互影响（如提高主频可能增加功耗，影响系统稳定性）。

3.计算系统的整体性认知：学生易孤立看待各组件（如仅关注CPU性能而忽略存储器延迟对整体性能的制约）。

教学方法

1.讲授法：通过PPT动态演示冯·诺依曼模型工作流程（如指令执行动画），结合公式推导（如CPU时间计算）讲解性能指标。

2.案例分析法：对比ENIAC与EDVAC的差异，分析“存储程序”思想的进步性；以Intel4004到Corei9的演进案例，说明集成电路对计算机发展的推动。

3.小组讨论法：组织2-3人小组讨论“冯·诺依曼模型是否过时？”（结合现代多核、GPU并行计算场景），鼓励学生提出改进方案（如分布式存储、指令级并行）。

4.可视化工具辅助：使用Logisim软件展示简单CPU数据通路（取指→译码→执行），直观呈现控制器如何协调各部件工作。

5.提问互动法：通过“为什么早期计算机需要手动接线改变程序？”“如果存储器速度远快于CPU，冯·诺依曼瓶颈是否消失？”等问题，引导学生主动思考。

板书设计

课程导论与计算系统概述

一、课程定位

核心基础课→衔接《数字逻辑》与《操作系统》《体系结构》

二、发展简史

时间线：电子管（ENIAC）→晶体管（IBM7000）→集成电路（Intel4004）→超大规模（多核CPU）

三、冯·诺依曼模型

五大部件：运算器（ALU）、控制器（控制信号）、存储器（程序/数据）、输入/输出

核心思想：存储程序、顺序执行

四、性能指标

公式：CPU时间=（指令数×CPI）/主频；MIPS=主频/(CPI×10^6)

关键指标：主频、CPI、吞吐率

教学过程

教师活动与教学内容

学生活动

教学意图

时间

一、课程定位与目标（开篇引导）

通过提问“为什么大三需要学习《计算机组成原理》？”