“計算機組成原理”課程實踐與理論教學體系關(guān)聯(lián)性研究

蔣本珊 王 娟 馬忠梅

摘要:本文通過分析“計算機組成原理”課程的特點,闡明理論與實踐環(huán)節(jié)必須有機結(jié)合,不能完全脫節(jié)的觀點。結(jié)合本?！坝嬎銠C組成原理”課程教學的體會,總結(jié)注意實踐教學體系和理論教學體系的關(guān)聯(lián)性,推動實踐教學體系改革的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞:計算機組成原理;理論教學體系;實踐教學體系;硬件實驗

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

“計算機組成原理”課程是計算機科學與技術(shù)、軟件工程等相關(guān)專業(yè)本科生的主干核心課程,是必修的專業(yè)基礎(chǔ)課,同時又是碩士研究生入學專業(yè)基礎(chǔ)課全國統(tǒng)一考試的科目之一,在計算機及相關(guān)專業(yè)本科生的教學計劃中起著承上啟下的重要作用。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,“計算機組成原理”課程的內(nèi)容也不能一成不變,只有保證課程教學內(nèi)容及實驗手段的先進性,才能確保課程教學效果的優(yōu)秀性。目前,“計算機組成原理”課程的理論教學體系比較成熟和完善,但實踐教學體系建設(shè)相對滯后,實驗內(nèi)容和實驗手段比較落后。造成這一現(xiàn)象的原因除實驗條件等客觀因素以外,也與國內(nèi)高校中實際存在著的“重理論,輕實踐”、“重軟件、輕硬件”的傾向是分不開的。

1理論教學和實踐教學必須有機結(jié)合

“計算機組成原理”課程首先強調(diào)基本概念和基本原理的學習,對計算機的各大基本部件的組成原理、設(shè)計方法及相互關(guān)系都進行了較詳細的介紹,使學生了解計算機系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)概念,熟悉一些典型的有代表性的計算機結(jié)構(gòu),弄清硬件與軟件之間的接口界面,建立起一個完整的計算機系統(tǒng)的整機概念,為后續(xù)課程的學習準備必要的硬件方面的基礎(chǔ)知識。同時本課程又具有很強的實踐性,必須注重理論與實際應(yīng)用相結(jié)合,以避免理論和實際脫節(jié)。在計算機技術(shù)飛速發(fā)展的今天,硬件的許多理論知識只有通過實驗環(huán)節(jié)才能加深理解,實驗將使學生掌握計算機硬件設(shè)計、制造、調(diào)試和運行維護等多方面的技能。培養(yǎng)和訓練學生的動手能力、創(chuàng)新能力以及認真、嚴謹?shù)目蒲凶黠L。

我校的“計算機組成原理”課程共分理論和實踐兩門獨立的課程,其中理論課程56學時(3.5學分),實踐課程32學時(2學分)。兩門課程均有獨立的教學大綱,均為必修環(huán)節(jié),分別單獨在不同的學期設(shè)置,單獨計算學分,單獨考核。理論和實踐課程的比例為1.75∶1。

在理論教學中,我們在參考CC2005課程體系和CCC2002對“計算機組成原理”課程所列知識點的基礎(chǔ)上,不斷完善課程的教學大綱和教學內(nèi)容。在講授基本原理的過程中,注意融入計算機發(fā)展的新技術(shù)和新動向,注重基礎(chǔ)理論與先進技術(shù)的融合。使得本課程內(nèi)容既符合計算機技術(shù)的發(fā)展潮流,又具有專業(yè)基礎(chǔ)課的相對穩(wěn)定性。56學時的理論課程全部采用課堂教學方式,以多媒體課件為主,適當使用一些板書。教學中注意與學生的交流和互動,經(jīng)常會向?qū)W生提出一些小問題,請學生思考并回答。講課中注意多舉例,多比喻,將深奧、難以理解的問題與日常生活中的實際例子相對應(yīng)。

實踐課程安排在短學期,暑假前三周,以學生動手為主,在硬件實驗室中進行,這樣做的目的是為了使學生有一段相對集中的時間,學生以自然班為單位在指定的時間輪流到實驗室。根據(jù)學生的實驗結(jié)果以及提交的預(yù)習報告、實驗報告并結(jié)合學生個人在實驗中的表現(xiàn)評定成績。

多年來,我們堅持由理論課的主講教師同時擔任實驗課的主講教師,并親自設(shè)計實驗方案、親自參與實驗輔導,理論課和實驗課的教師來自于同一教學團隊,避免了實驗環(huán)節(jié)與課堂教學完全脫節(jié),將實驗任務(wù)簡單地交給實驗員了事的現(xiàn)象。

我校的“計算機組成原理”課程具備獨立的理論教學體系和實踐教學體系,這兩個體系既獨立又緊密結(jié)合。計算機組成原理理論課程是實踐課程的基礎(chǔ),同時實踐課程又為了配合理論課程。如果將實踐教學體系和理論教學體系完全割裂開來,學生只知道理論,不知道理論怎么結(jié)合實際,起什么作用,或者學生不知道為什么要做這些實驗,這些實驗涉及到的理論知識點又有哪些,這樣理論知識就變成空中樓閣,抽象程度高,不好理解,同時實踐課程的效果也會大打折扣。

2實踐教學體系的不斷創(chuàng)新改革

目前,社會上對加強實踐環(huán)節(jié)的呼聲越來越高,教育行政部門對實踐教學的重視程度也越來越高,各專業(yè)教學計劃中實踐環(huán)節(jié)的比重也有所提升。為了加強實踐環(huán)節(jié),有不少課程中都增加了一些單獨設(shè)課、單獨計算學分的實踐環(huán)節(jié)。但在實施過程中,確實有些課程的實驗環(huán)節(jié)和理論環(huán)節(jié)完全脫節(jié),甚至是由兩個教學團隊來完成,互相之間不通氣,完全根據(jù)各自的教學體系開課,根據(jù)實驗設(shè)備條件開設(shè)實驗,這種將實踐環(huán)節(jié)與理論環(huán)節(jié)完全割裂開的方式是不可取的。

課堂教學是老師向?qū)W生傳授知識的重要途徑,但不是唯一的途徑。對于“計算機組成原理”課程來說,僅僅靠課堂教學顯然是不夠的。近年來,我們既注意實踐教學體系和理論教學體系的關(guān)聯(lián)性,使我們精心設(shè)置的每個實驗均有相應(yīng)的理論支撐,每個實驗的實驗?zāi)康拿鞔_,實驗任務(wù)、實驗要求清晰;同時又對實驗內(nèi)容進行過多次更新和改進,不斷減少原理驗證性實驗的比重,增加學生自主設(shè)計實驗的比重,推動了實踐教學體系的改革。

計算機組成原理實驗歸屬于硬件實驗,目前,我們開設(shè)的計算機組成原理實驗中既有驗證性的實驗、也有綜合性、設(shè)計性的實驗,既有計算機的部件實驗,也有整機實驗,下面簡要的介紹3種不同的類型的實驗。

2.1傳統(tǒng)的計算機部件實驗

本實驗屬于驗證性的實驗,要求學生按照要求利用中規(guī)模集成電路芯片構(gòu)成一個簡單的硬件模塊,自己動手連線和調(diào)試。例如,總線傳輸實驗就要求學生利用常見的三態(tài)輸出器件建立一個簡單的8位數(shù)據(jù)總線傳輸電路,通過總線并利用RAM實現(xiàn)存放在兩個寄存器中的不同數(shù)據(jù)的交換。實驗?zāi)康脑谟诹私夂驼莆湛偩€的分時與共享特性、傳輸控制技術(shù)、靜態(tài)RAM的讀寫原理和使用方法以及三態(tài)輸出器件的性能和使用方法。

這類實驗由于需要大量的連線,可能會因為接觸不良等原因使實驗工作量加大。但我們認為這類實驗對于培養(yǎng)學生寄存器級硬件故障的檢錯和排錯能力還是有積極作用的,這就是我們至今仍保留一個簡單的傳統(tǒng)的硬件實驗的原因。為避免花費過多的時間用于連線,我們將這類實驗的任務(wù)盡可能簡化,將實驗的主要考核點放在電路的設(shè)計和調(diào)試的過程中。這類實驗的不足之處是比較簡單,難以進行有創(chuàng)意的或綜合性較強的設(shè)計性實驗。

2.2基于FPGA的計算機模塊設(shè)計實驗

本實驗屬于設(shè)計性實驗,要求學生采用硬件描述語言進行邏輯設(shè)計,首先在計算機上進行功能仿真,最后下載到可編程邏輯器件中測試的方法。例如,在基于FPGA的運算器設(shè)計實驗中,我們要求學生用硬件描述語言設(shè)計并實現(xiàn)一個16位運算器,支持基本的算術(shù)運算和邏輯運算,設(shè)計完成后下載到DE2開發(fā)板上測試。

這類實驗對設(shè)計方案沒有任何限制,對于所連接的輸入、輸出設(shè)備允許有多種選擇,可以使用DE2開發(fā)板上的資源(如開關(guān)、按鍵、LED燈、數(shù)碼管和LCD),也可以使用外接的小鍵盤、大鍵盤和VGA顯示器,學生可以根據(jù)自己的情況自行選擇設(shè)備,最終根據(jù)使用設(shè)備的難易程度和設(shè)計實現(xiàn)的功能計分。對于這類實驗,學生的積極性很高,有不少學生提出了獨特的設(shè)計方案,對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有積極作用。

通過對國內(nèi)外相關(guān)情況的調(diào)查、分析、研究,借鑒國內(nèi)外高校的經(jīng)驗,我們從2005年開始提出了將硬件描述語言和可編程邏輯器件引入計算機組成原理實驗的設(shè)想,首先在計算機組成實驗中加入了VHDL實現(xiàn)的實驗內(nèi)容,以取代部分傳統(tǒng)的硬連線實驗,接著又在教學計劃中增設(shè)了“VHDL與計算機硬件模塊設(shè)計”選修課程,讓學生掌握一種硬件描述語言,會使用先進的EDA工具軟件進行硬件設(shè)計。開始時由于設(shè)備的限制,學生還只能完成在軟件環(huán)境下的功能設(shè)計和模擬仿真,這使得很多學生感覺不盡興。目前,我校配置了DE2開發(fā)套件,所有的實驗都能下載到DE2開發(fā)板上測試,與國外著名高校使用的軟硬件環(huán)境基本一致。

我們認為將硬件實驗完全軟化,實驗僅局限于在軟件環(huán)境下的功能設(shè)計和模擬仿真是不夠的,如果一味軟化,可能會使一部分學生只將注意力和興趣集中在各種編程環(huán)境、開發(fā)工具的使用上,對于硬件技術(shù)的學習和應(yīng)用研究望而生畏。這種現(xiàn)象的后果是造成學生的知識結(jié)構(gòu)偏軟,硬件基礎(chǔ)比較薄弱,不能完全滿足社會對軟硬件相結(jié)合人才的需求。

2.3整機設(shè)計實驗

這是一個大的綜合性、設(shè)計性實驗,要求學生利用實驗設(shè)備所提供的硬件資源(基本功能模塊、控制臺及外設(shè)等),設(shè)計一臺具有16條指令的微程序控制的實驗計算機。其目的在于使學生掌握微程序控制計算機的設(shè)計方法,加深了解微程序的特點;通過設(shè)計和調(diào)試,了解計算機如何執(zhí)行指令,如何控制I/O設(shè)備工作;掌握在具體實驗計算機的整機邏輯框圖下,指令流和數(shù)據(jù)流的流動過程,建立整機概念。

微程序設(shè)計技術(shù)是計算機組成原理理論課程教學中的一個難點,由于微程序控制單元看不見,摸不著,涉及微程序控制的許多概念難以理解。整機設(shè)計實驗將使學生了解微程序執(zhí)行的整個過程,讓學生通過親手解剖一個小小的“麻雀”來了解微程序控制單元的設(shè)計方法。

我們給每組學生分配一張指令表,指令表中包含十余條不同的機器指令,要求學生根據(jù)實驗計算機整機邏輯圖來設(shè)計指令系統(tǒng)中每條指令的執(zhí)行流程,設(shè)計微操作控制信號和微指令格式,確定初始微地址和后繼微地址的形成,然后根據(jù)指令流程和微指令格式編寫出每條機器指令所對應(yīng)的微程序,同時還要針對每條機器指令編寫相應(yīng)的測試程序,以測試微程序的正確性。我們還要求學生自主設(shè)計給定指令表上沒有的指令,以培養(yǎng)學生的舉一反三的能力。

從實驗的開展情況來看,由于實驗工作量比較大,獨立完成有一定難度,確有少數(shù)同學表現(xiàn)比較消極,希望通過借鑒、拷貝等方式來完成任務(wù)。針對這種情況,我們在實驗的驗收階段增加了提問環(huán)節(jié),以此來甄別實驗是否獨立完成。

3未來設(shè)想

我們將繼續(xù)堅持實踐教學體系與理論教學體系有機結(jié)合,鼓勵青年教師投身實踐教學改革,使實驗為理論教學服務(wù),實驗為創(chuàng)新設(shè)計服務(wù),全面提升“計算機組成原理”課程的教學質(zhì)量。

希望通過幾年的努力,不斷完善“計算機組成原理”課程實踐教學體系,建設(shè)一個與國際接軌的,能夠體現(xiàn)研究型大學特點的,綜合性、研究性的硬件實驗基地,突破傳統(tǒng)的以驗證性為主的實驗?zāi)Ｊ?增加大量設(shè)計性和綜合性實驗,讓學生通過自主學習,合作學習以及研究型學習,完成創(chuàng)新型實驗項目的完整設(shè)計和調(diào)試過程,提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力。

下面是我們正在設(shè)計實現(xiàn)并且日趨完善的教改思路:

(1) 根據(jù)因材施教的思想,我們將未來的計算機組成原理實驗分成不同的層次,面向不同的對象。保證必做實驗的水平和質(zhì)量;提高選做實驗的數(shù)量和種類,給學生更多的選擇和發(fā)展空間。

(2) 設(shè)置大型的綜合性實驗,突出計算機學科特色,滿足有興趣學生的需要,如讓學生自行設(shè)計計算機,包括CPU、存儲器、輸入輸出接口設(shè)計,甚至包括操作系統(tǒng)和軟件的設(shè)計,所有的設(shè)計最終都下載到開發(fā)板上實現(xiàn),讓學生深入理解計算機系統(tǒng)的概念。

(3) 鼓勵學生以兩至三個人為一小組的形式搞創(chuàng)新活動,自主命題和設(shè)計方案,開發(fā)新的實驗內(nèi)容,為參加學科知識競賽鍛煉隊伍和積累素材。

參考文獻:

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