“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)踐教學(xué)探討

文章編號(hào)：1672-5913(2008)20-0082-02

摘 要：本文主要探討了計(jì)算機(jī)專業(yè)主干課程“計(jì)算機(jī)組成原理”的課程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，分析比較了University of California at Berkeley、Carnegie Mellon University、清華大學(xué)和我校等幾所大學(xué)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)情況，探討了作為“計(jì)算機(jī)組成原理”的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)的“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐”課程的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)模式，有助于提高“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐；實(shí)踐教學(xué)；綜合能力

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 引言

“計(jì)算機(jī)組成原理”是硬件系列課程中的核心課程，是計(jì)算機(jī)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它對(duì)其它課程有承上啟下的作用，它的先修課程為“匯編語(yǔ)言”、“數(shù)字邏輯”，它又與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”、“操作系統(tǒng)”、“計(jì)算機(jī)接口技術(shù)”等課程密切相關(guān)。主要教學(xué)任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)能力?！坝?jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐”課程作為“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的后續(xù)課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)，將計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)內(nèi)容深化到應(yīng)用實(shí)踐，教學(xué)過(guò)程中不僅僅傳授有關(guān)硬件設(shè)計(jì)的課本知識(shí)，更重要的是重視理論知識(shí)與實(shí)踐過(guò)程的結(jié)合，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容不僅要將組成原理知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，還需將知識(shí)綜合靈活運(yùn)用，重視學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)[1]。

本文主要探討“計(jì)算機(jī)組成原理”的課程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)University of California at Berkeley、Carnegie Mellon University、清華大學(xué)和我校等幾所國(guó)內(nèi)外知名大學(xué)所開(kāi)設(shè)的“計(jì)算機(jī)組成原理”課程進(jìn)行多方面的比較、分析研究，以期為“計(jì)算機(jī)組成原理”這門重要課程的課程設(shè)置和教學(xué)實(shí)踐提供借鑒，提高課程的教學(xué)質(zhì)量，與國(guó)際化接軌。

2 國(guó)內(nèi)外教學(xué)情況

2.1 UC Berkeley

UC Berkeley大學(xué)的課程名稱為“Machine Structures[2]”，選用教材為Patterson和Hennessy的“Computer Organization and Design: The Hardware Software Interface， Third Edition”。參考教材為Kernighan和Ritchie的“The C Programming Language， Second Edition”。

課程從機(jī)器結(jié)構(gòu)高層設(shè)計(jì)的抽象描述到基本邏輯部

件的CPU設(shè)計(jì)，用C語(yǔ)言和MIPS匯編語(yǔ)言來(lái)介紹機(jī)器的抽象描述。課程內(nèi)容主要有數(shù)的表示、C語(yǔ)言簡(jiǎn)介、存儲(chǔ)管理、MIPS、浮點(diǎn)表示、輸入輸出、中斷、磁盤存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、緩存系統(tǒng)、虛擬存儲(chǔ)器、邏輯設(shè)計(jì)、CPU結(jié)構(gòu)，包括CPU數(shù)據(jù)通路、CPU控制等和流水線技術(shù)。

對(duì)應(yīng)教學(xué)內(nèi)容，都有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生編寫和調(diào)試C和匯編語(yǔ)言的編程能力和用硬件描述語(yǔ)言模擬硬件的能力。相應(yīng)的作業(yè)和設(shè)計(jì)題目強(qiáng)化學(xué)生對(duì)機(jī)器結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的理解，簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)包括用C語(yǔ)言寫的機(jī)器語(yǔ)言解釋器，緩存模擬器和一個(gè)CPU模擬器。

UC Berkeley大學(xué)的課程主要講授C和匯編語(yǔ)言編程，高級(jí)語(yǔ)言如何轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，中斷，緩存，地址映射，CPU設(shè)計(jì)等，課程內(nèi)容較廣。

2.2 Carnegie Mellon University

Carnegie Mellon University大學(xué)的課程名稱為“Computer Architecture[3]”，選用教材也是Patterson和Hennessy的“Computer Organization and Design: The Hardware Software Interface”，參考教材為Donald Thomas的“The Verilog Hardware Description Language， Fifth Edition”。

課程講授如何選擇和連接硬件元件來(lái)創(chuàng)建一個(gè)滿足功能、性能和成本需求的計(jì)算機(jī)，介紹了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本的硬件結(jié)構(gòu)，如何用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)處理器的控制單元和數(shù)據(jù)通路，如何使機(jī)器指令同時(shí)執(zhí)行，以及怎樣設(shè)計(jì)快速存儲(chǔ)系統(tǒng)。

教學(xué)形式包括課堂講授、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)和報(bào)告。

為了培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生用Verilog實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有緩存和分支功能的超標(biāo)量流水線處理器，處理器實(shí)現(xiàn)MIPS指令集的一個(gè)子集。

成績(jī)?cè)u(píng)定方式為作業(yè)占10%(共有10次作業(yè))，實(shí)驗(yàn)占30%(共有5次實(shí)驗(yàn))，兩次期中考試(各占15%)，期末考試占30%。

2.3 清華大學(xué)

清華大學(xué)的課程名稱為“計(jì)算機(jī)組成原理[4]”，選用教材為王誠(chéng)的《計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)》。

課程主要介紹簡(jiǎn)單、完整、單處理器計(jì)算機(jī)的基本組成原理和內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制，主要講授數(shù)據(jù)表示、運(yùn)算和運(yùn)算器部件，指令、指令系統(tǒng)和控制器部件，多級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，輸入/輸出設(shè)備與輸入/輸出系統(tǒng)等。課堂教學(xué)48學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)32學(xué)時(shí)，其中16個(gè)課內(nèi)學(xué)時(shí)和16個(gè)課外學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)分為兩部分，第一部分為原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，第二部分為工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，采用教學(xué)計(jì)算機(jī)TEC-2000實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)題目為“TEC-2000-16位機(jī)教學(xué)計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)單用法與運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)(2學(xué)時(shí))”和“TEC-2000-16位教學(xué)計(jì)算機(jī)的控制器實(shí)驗(yàn)(2學(xué)時(shí))”，工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目題為“設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)TEC-2000 8位教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(28學(xué)時(shí))”，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中，以16位教學(xué)計(jì)算機(jī)及其軟件模擬系統(tǒng)為基礎(chǔ)，獨(dú)立設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一臺(tái)8位的計(jì)算機(jī)。

考核方式包括作業(yè)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，大實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)報(bào)告和期末考試。

3 我?！坝?jì)算機(jī)組成原理”教學(xué)情況

我校的課程“計(jì)算機(jī)組成原理”，選用教材為唐朔飛的《計(jì)算機(jī)組成原理》。

課程旨在使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件各子系統(tǒng)的組成原理及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，主要講授系統(tǒng)總線、存儲(chǔ)器、輸入輸出系統(tǒng)、數(shù)的表示、計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法和運(yùn)算器、指令系統(tǒng)、CPU的結(jié)構(gòu)和功能、控制單元和控制單元的設(shè)計(jì)。課堂教學(xué)52學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)。為更好突出對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，做到教師與學(xué)生按1:15的比例，體現(xiàn)了個(gè)性化教學(xué)的思想。共有6個(gè)實(shí)驗(yàn)題目，包括存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì)型，3學(xué)時(shí))、基本輸入輸出實(shí)驗(yàn)(綜合型，3學(xué)時(shí))、中斷實(shí)驗(yàn)(驗(yàn)證型，2學(xué)時(shí))、運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)(綜合型，2學(xué)時(shí))、控制器實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì)型，3學(xué)時(shí))和綜合設(shè)計(jì)(綜合設(shè)計(jì)型，3學(xué)時(shí))。實(shí)驗(yàn)成績(jī)根據(jù)預(yù)習(xí)、表現(xiàn)、報(bào)告等方面綜合打分。

成績(jī)?cè)u(píng)定由三部分組成，.期末考試占總成績(jī)的80%，平時(shí)作業(yè)占總成績(jī)的10%，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰φ伎偝煽?jī)的10%。

為了進(jìn)一步提高學(xué)生的動(dòng)手能力和獨(dú)立創(chuàng)新地解決實(shí)際問(wèn)題的能力，除了實(shí)驗(yàn)課外，還增設(shè)了實(shí)踐性很強(qiáng)的“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐”課，作為計(jì)算機(jī)組成原理的必要補(bǔ)充。該課程是一門以應(yīng)用為視角，進(jìn)一步提高學(xué)生硬件方面的實(shí)際動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力的課程。課程采用理論和實(shí)踐相結(jié)合的方法進(jìn)行教學(xué)，以實(shí)踐為主(18學(xué)時(shí)授課/60學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn))，要求學(xué)生掌握有關(guān)硬件設(shè)計(jì)工具的功能和用法，初步掌握計(jì)算機(jī)部件和CPU的設(shè)計(jì)方法和調(diào)試方法，極有利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程對(duì)于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與科學(xué)實(shí)踐能力具有特殊的作用，著重培養(yǎng)學(xué)生的以下能力。

●系統(tǒng)級(jí)的認(rèn)識(shí)能力。建立整機(jī)概念，掌握自頂向下的問(wèn)題分析能力，既能理解系統(tǒng)各層次的細(xì)節(jié)，又能站在系統(tǒng)總體的角度從宏觀上認(rèn)識(shí)系統(tǒng)，然后將系統(tǒng)很好的分解為功能模塊。這種理解必須超越各組成部分的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及它們建立和分析的過(guò)程，這一過(guò)程是應(yīng)該以深入理解計(jì)算機(jī)組成原理為基礎(chǔ)的。

●培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)是計(jì)算機(jī)課程的重要環(huán)節(jié)，學(xué)好計(jì)算機(jī)僅靠理論知識(shí)是不夠的，課堂講授是使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的基本知識(shí)和基本技能，而計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)的目的是要通過(guò)實(shí)際操作將所學(xué)到的知識(shí)付諸實(shí)際，是課堂教學(xué)的延伸和補(bǔ)充[5]。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐就是從理論、抽象、設(shè)計(jì)三個(gè)方面將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部處理器、存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器、外設(shè)等各個(gè)部分聯(lián)系起來(lái)，達(dá)到互相支撐、互相促進(jìn)的目的。

●培養(yǎng)學(xué)生完成工程項(xiàng)目能力。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程不僅僅是對(duì)理論的驗(yàn)證，重要的是技術(shù)訓(xùn)練和能力培養(yǎng)，包括動(dòng)手能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力、書(shū)寫能力和表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等的培養(yǎng)，也就是要注重學(xué)生的工程能力，培養(yǎng)學(xué)生完成項(xiàng)目實(shí)踐的能力。

在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程中，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，要求學(xué)生完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容是一個(gè)相對(duì)較大的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，這樣的項(xiàng)目涉及到不同課程中所學(xué)原理的應(yīng)用，從而可以使學(xué)生把各階段所學(xué)的內(nèi)容都聯(lián)系起來(lái)，達(dá)到綜合應(yīng)用的目的。

4 教學(xué)分析

從上述幾所學(xué)校的課程教學(xué)情況可以看出，目前“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)基本上都是采用“課堂教學(xué)+課程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)”的模式，課堂教學(xué)講授基本概念和理論知識(shí)，項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)主要是為了加深對(duì)基本概念和理論知識(shí)的理解及培養(yǎng)動(dòng)手能力。教學(xué)的主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)信息的表示，運(yùn)算器，指令流程，微程序控制，組合邏輯控制，存貯系統(tǒng)，I/O，基本外設(shè)等。國(guó)外大學(xué)側(cè)重于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，側(cè)重于軟硬件接口，而國(guó)內(nèi)大學(xué)側(cè)重于組成，側(cè)重于邏輯實(shí)現(xiàn)。比較而言，國(guó)外的教材在新技術(shù)的介紹、教材的更新?lián)Q代方面較有優(yōu)勢(shì)。

從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，基本都涵蓋了驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最終都以實(shí)現(xiàn)一個(gè)處理器作為綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。我校在“計(jì)算機(jī)組成原理”課程之后更開(kāi)設(shè)了一門實(shí)踐性為主的“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐”課程，來(lái)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)。

從考核方式看，考核形式都比較多樣，包括作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、報(bào)告和考試等。在考核方式上，我校的計(jì)算機(jī)組成原理課程略顯單一，主要以期末考試成績(jī)?yōu)橹鳌?/p>

通過(guò)以上各學(xué)校課程教學(xué)情況的分析，可以看出，我校的計(jì)算機(jī)組成原理課程在教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上都基本與國(guó)外一流大學(xué)接近。

在教學(xué)內(nèi)容上，我們應(yīng)適當(dāng)引進(jìn)介紹當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展的新技術(shù)，或指定一兩本課外參考書(shū)，使學(xué)生除了掌握計(jì)算機(jī)的基本原理和理論外，還能了解當(dāng)前計(jì)算機(jī)的新進(jìn)展、新技術(shù)。

在考核方式上適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)的比重，增加大作業(yè)、報(bào)告等考核形式，使考核形式更多樣化。

參考文獻(xiàn)

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