“計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)中的體會

郭惠芳　趙秋霞　何紅旗

摘要：本文從“計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程的內(nèi)容組織和教學(xué)組織兩個方面對該課程進(jìn)行了闡述，針對筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了一些解決方法與體會，在如何保持該課程的經(jīng)典特色及提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣方面提出了一些觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)；教學(xué)組織；控制器原理與設(shè)計；課程設(shè)計

中圖分類號：G64文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1672-5913(2009)04-0092-03

1課程地位和特點(diǎn)

各所大學(xué)對計算機(jī)專業(yè)都制訂了各自的學(xué)科教學(xué)計劃，大部分都參考了CC2001或CC2005。CC2001與CC2005是IEEE/ACM分別于2001年和2005年發(fā)布的具有指導(dǎo)意義的計算學(xué)科本科教學(xué)參考計劃(computing Curricula)?！坝嬎銠C(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)”課程在CC2005中是一門計算機(jī)結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)方面的中級課程，采用精簡的、系統(tǒng)的、主題教學(xué)方法相結(jié)合的教學(xué)方法，它是這個方向最基礎(chǔ)的重要課程。這門課程不僅在后續(xù)課程學(xué)習(xí)中有非常重要的承前啟后的作用，而且在學(xué)生以后的職業(yè)生涯中也有著非常重要的作用，大部分有關(guān)計算機(jī)的專業(yè)概念都是在這門課程中給出的，它讓你學(xué)會設(shè)計一個復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)該從哪兒入手。

“計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程要求掌握計算機(jī)組織和計算機(jī)結(jié)構(gòu)兩方面的內(nèi)容，計算機(jī)的結(jié)構(gòu)是指那些對程序員可見的系統(tǒng)的屬性，直接影響到程序的邏輯執(zhí)行，包括指令集、數(shù)據(jù)的表示、I/O機(jī)制及內(nèi)存訪問技術(shù)。而計算機(jī)組織是指實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)規(guī)范的部件和它們相互的連接，其中包括那些對程序員透明的硬件細(xì)節(jié)，如控制信號、計算機(jī)和外設(shè)的接口、使用的存儲器技術(shù)等。最終目的是達(dá)到從系統(tǒng)、整機(jī)的角度理解計算機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成。由于計算機(jī)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，完整并清楚地描述它本身就是一項非常困難的事，更何況還要求學(xué)生不僅要掌握計算機(jī)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，還要掌握重要部件的組成原理與設(shè)計方法。所以這門課程的教與學(xué)都比較難，是老師與學(xué)生比較頭疼的一門課。

該課程的特點(diǎn)具體體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，內(nèi)容龐雜?！坝嬎銠C(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程，對于計算機(jī)各個專業(yè)來說都起到一個高屋建瓴的作用，它既要全，又要精，還要細(xì)，在內(nèi)容詳略選擇等問題上是非常值得推敲的；第二，內(nèi)容的關(guān)聯(lián)不是特別緊密，比如計算機(jī)的各大部件之間雖然相互關(guān)聯(lián)，但由于各大部件本身就足夠復(fù)雜，在相應(yīng)章節(jié)已疲于內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理的介紹，而對于相互的聯(lián)系，很多情況下都涉及更多的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，無法在局限的篇幅中介，所以各章內(nèi)容顯得很零散，系統(tǒng)性不強(qiáng)；第三，很多內(nèi)容比較抽象，無法直觀展現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中較難提起興趣。

2內(nèi)容組織

國內(nèi)的“計算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)”課程一般介紹單處理器計算機(jī)的組成原理與結(jié)構(gòu)體系，包括數(shù)據(jù)在機(jī)器中的表示、總線系統(tǒng)、外圍設(shè)備接口、存儲器組織與結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、中央處理器(含運(yùn)算器與控制器)、流水與并行處理等內(nèi)容。其中重點(diǎn)是數(shù)據(jù)在機(jī)器中的表示、存儲器組織與結(jié)構(gòu)、中央處理器等內(nèi)容。而對外圍設(shè)備接口、指令系統(tǒng)等只作簡單介紹，在后續(xù)的“匯編語言與微機(jī)接口技術(shù)”課程中再作重點(diǎn)介紹。本課程對流水與并行處理也只作簡單介紹，其詳細(xì)內(nèi)容在后續(xù)的“計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”中重點(diǎn)介紹。

大家對該課程的基本內(nèi)容是有共識的，但對于這些基本內(nèi)容的組織卻有比較大的分歧，有些人先講整機(jī)系統(tǒng)以及部件之間相互連接，然后由部件到結(jié)構(gòu)、原理至具體實(shí)現(xiàn)；而有些人則先從每個部件的實(shí)現(xiàn)原理到結(jié)構(gòu)，再由各個部件相互連接而成整個系統(tǒng)，再到整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等等進(jìn)行講解。也有一些人講兩種方法進(jìn)行結(jié)合。每一部分內(nèi)容的組織也有分歧，我們通過多屆的教學(xué)有一些體會，當(dāng)然不同老師的觀點(diǎn)也不盡相同，這里介紹一下我們對內(nèi)容組織的考慮，希望與同行們共同探討。

2.1分章內(nèi)容安排

一般來說，學(xué)生是沒有錯的。我一直認(rèn)為，如果一門課不能吸引學(xué)生，作為老師，首先考慮的就是自己的教學(xué)是否有問題。只要這么去想，教學(xué)就會有改善。而教學(xué)過程中第一要改善的就是內(nèi)容的組織?；叵雽W(xué)生時代，一門課上過二、三次課后，也就基本確定喜歡不喜歡這門課了，所以一開始的內(nèi)容組織就非常重要。

計算機(jī)如此之復(fù)雜，講解需要有一個引導(dǎo)的過程，如果一開始就講數(shù)的表示，計算等等，學(xué)生會覺得很枯燥，不知目的何在。很多教科書也是這樣講的，實(shí)踐證明，這樣的開端效果不好。如果一開始利用一章來足夠概括，也足夠簡明地向?qū)W生介紹一下計算機(jī)的功能和工作過程，進(jìn)而引出整門課的內(nèi)容組織，學(xué)生就容易與老師的思路同步，而且對整個計算機(jī)有了一定了解以后，自然而然地就會對其中每一部分的工作原理以及設(shè)計感興趣。

第1章是計算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論，首先介紹計算機(jī)系統(tǒng)的分級層次的概念，指出本門課程在其中處于什么位置；然后簡單地介紹一下計算機(jī)硬件的組成及功能、計算機(jī)執(zhí)行程序的過程，進(jìn)而介紹計算機(jī)執(zhí)行指令的過程。

這樣的開端，益處有幾條：第一，學(xué)生快速進(jìn)入狀態(tài)，它與以往課程不同之處在于，我們是研究計算機(jī)較為底層的工作原理，是要詳細(xì)到一條指令是如何執(zhí)行的。其實(shí)以后的各章也是圍繞這個問題展開的。第二，學(xué)生學(xué)習(xí)的目標(biāo)性強(qiáng)，知道每一章節(jié)的學(xué)習(xí)目的。第三，人有探索未知領(lǐng)域的本能，這樣的方式容易激發(fā)出學(xué)生的本能。

第2章是系統(tǒng)總線，它以總線為切入點(diǎn)講解現(xiàn)代計算機(jī)的結(jié)構(gòu)以及各個部件的互連，重點(diǎn)不是為講總線而講總線。有些書上大講特講各種總線標(biāo)準(zhǔn)，但我認(rèn)為在這一章我們首先要使學(xué)生了解，各個部件特別是CPU和存儲器、各種I/O設(shè)備之間如何協(xié)調(diào)工作，CPU為什么要與它們交換信息以及如何交換信息，總線為什么要制訂標(biāo)準(zhǔn)等。這些都交代清楚后，再介紹幾種典型的總線標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。

講任何一章內(nèi)容都要使學(xué)生了解我們?yōu)槭裁匆獙W(xué)習(xí)這一章內(nèi)容，這部分內(nèi)容對于我們的整體目標(biāo)有什么作用，然后再往細(xì)介紹。

第3章是存儲器系統(tǒng)，它包括了主存系統(tǒng)與輔存的基本原理，首先討論存儲系統(tǒng)的特性及它的基本操作及主要技術(shù)指標(biāo)。其中，地址線數(shù)、數(shù)據(jù)寬度、存儲周期等概念一定要在此講清楚。而這些為后面的存儲系統(tǒng)的分層及芯片組織打下一個好的基礎(chǔ)。有不少學(xué)生，直到最后也無法掌握如何用半導(dǎo)體芯片組成一個特定的主存系統(tǒng)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)最主要的問題就是前面的這些概念未能搞清楚。芯片的組織是其中一個重點(diǎn)內(nèi)容，前面的基礎(chǔ)概念搞清楚后，用兩個例子說明芯片的組織及與CPU的連接的一些原則、方法。帶Cache的二級主存系統(tǒng)的工作原理是該章另一個重點(diǎn)，其中包括地址映像、替換算法等：有關(guān)輔存的內(nèi)容可以比較簡單，不需詳細(xì)介紹虛擬存儲器的內(nèi)容，因為這部分內(nèi)容只有在操作系統(tǒng)中才能講清夢，而且它的確也不屬于硬件的范疇，但Cache與主存之間地址映像卻是硬件完成的，所以它屬于計算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)的內(nèi)容之一。

關(guān)于存儲器芯片內(nèi)部如何完成二進(jìn)制位的存儲及讀寫這部分內(nèi)容，有一些書中未作介紹，比如William Stallings著的《計算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)：性能設(shè)計》，他在第4章內(nèi)部存儲器中并未對此作介紹。我認(rèn)為，存儲元件如何存儲信息，以及地址如何選中相應(yīng)的存儲單元，還是有必要講解，因為從理解存儲器的工作原理這個角度，這種細(xì)節(jié)如果不作介紹，那么它的原理總是不夠完整，所以可在內(nèi)容上講清存儲信息的邏輯實(shí)現(xiàn)即可。

第4章是數(shù)據(jù)表示及運(yùn)算方法，主要介紹數(shù)的表示、算術(shù)及邏輯運(yùn)算的方法，以及相應(yīng)硬件實(shí)現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)，這部分內(nèi)容分歧較少。

第5章是指令系統(tǒng)，討論計算機(jī)指令系統(tǒng)的發(fā)展歷史、指令格式、指令系統(tǒng)設(shè)計原則以及RISC指令系統(tǒng)特點(diǎn)等等，這一章為后面的CPU功能及控制器原理與設(shè)計做準(zhǔn)備。

第6章是CPU的結(jié)構(gòu)與功能，討論CPU的組成結(jié)構(gòu)，指令周期及指令流水和中斷系統(tǒng)。

第7章是控制器的原理及設(shè)計，重點(diǎn)介紹指令執(zhí)行過程中的微操作命令，組合邏輯設(shè)計中對微操作命令的節(jié)拍安排，微操作時間表等。繼而再介紹微程序級設(shè)計方法及相關(guān)的微操作控制信號的編碼技術(shù)、微指令順序控制技術(shù)等。

2.2內(nèi)容的綜合及細(xì)節(jié)的處理

控制器的工作原理及設(shè)計方法是本課程的核心，前面講的每一部分的內(nèi)容都是為這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備的。在這一章，前面所學(xué)的知識又綜合在了一起，由控制器將各部件的工作過程連接起來，其中指令執(zhí)行的詳細(xì)過程是關(guān)鍵，控制器需要發(fā)出哪些控制信號來控制這一過程，進(jìn)而，這些控制信號該在什么樣的條件下發(fā)出，然后寫出每一控制信號的邏輯表達(dá)式。要想理解控制器的工作原理及設(shè)計方法，必須從組合邏輯控制器設(shè)計著手，給學(xué)生一個直觀的設(shè)計過程，這樣控制器的設(shè)計框架就在腦中形成，而后面的微程序控制器的設(shè)計，只是將上述分析得出控制信號進(jìn)行編碼，形成微指令，并存放在控制存儲器中，指令的執(zhí)行過程也就演變?yōu)閺目刂拼鎯ζ髦幸灰蝗〕鱿鄳?yīng)的微指令執(zhí)行而已。

雖然微程序控制器的設(shè)計已成為大部分復(fù)雜計算機(jī)控制器設(shè)計的主流方法。但從理解角度上來講，組合邏輯控制器的設(shè)計是理解控制器工作原理及設(shè)計方法的關(guān)鍵。如果像國內(nèi)一部分教科書中所講順序，先講控制器功能，進(jìn)而直接引出微程序控制器原理及設(shè)計，最后是硬布線控制器設(shè)計，許多學(xué)生學(xué)了半天，學(xué)了編碼法，但最終也不知控制器是怎么工作的，整機(jī)觀念更是建立不起來。

在實(shí)踐中反復(fù)證明的一點(diǎn)是，學(xué)習(xí)復(fù)雜的系統(tǒng)，必須使學(xué)習(xí)者首先建立整體框架，然后詳細(xì)了解每一部分，最后再將每一部分綜合起來理解。這樣就可以將一個復(fù)雜系統(tǒng)從上至下地了解清楚。堅決要杜絕的就是，框架建立不起來，卻在許多細(xì)節(jié)問題上反復(fù)糾纏。這樣很快就使學(xué)生對這門課程失去耐心和興趣。

那么對于許多的細(xì)節(jié)如何去講?這是這門課教學(xué)過程中一個較難解決的問題，如果能與每一部分連成一體的，就順著講下來；如果在邏輯上并沒有太多的聯(lián)系，但又必須交待的內(nèi)容，比如多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸與存儲時的大端小端問題等可以用每章后的附錄形式出現(xiàn)，這樣既不影響每一部分內(nèi)容的連貫性，又照顧了完整性：而講課時也可在每章后增加一個個小專題來講，有些內(nèi)容學(xué)生自己看就可以，有一些可用來討論，形式可多樣化。

3教學(xué)組織

內(nèi)容的組織必須配合相應(yīng)的教學(xué)組織，其中包括課前備課、課堂教學(xué)、課下輔導(dǎo)以及課程設(shè)計等環(huán)節(jié)。我認(rèn)為教學(xué)改革絕不僅僅是增加一些華而不實(shí)的動態(tài)效果，或單一地追求講課時的抑揚(yáng)頓挫。這些形式上的東西都是為實(shí)質(zhì)性的內(nèi)容服務(wù)的，我們的目標(biāo)是如何培養(yǎng)出符合現(xiàn)代社會需要的、合格的人才。

3.1課前的準(zhǔn)備

從課前準(zhǔn)備來說，“計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”是一門經(jīng)典課。許多老師認(rèn)為計算機(jī)無論如何發(fā)展，它的基本原理是沒變的，大體來講這句話是沒錯的，但這不應(yīng)成為老師照本宣科的理由。因為愛，老師心中有使命感，有責(zé)任感，甚至有危機(jī)感。每一學(xué)期開始，我都會去認(rèn)真準(zhǔn)備最近TOP500強(qiáng)計算機(jī)的資料，一方面讓學(xué)生了解最新計算機(jī)發(fā)展?fàn)顩r，了解衡量計算機(jī)的幾個指標(biāo)，了解中國與強(qiáng)國的差距，以此喚起聽者心中興趣與使命感。同時涉及計算機(jī)的幾個重要概念：速度、字長以及規(guī)模等。我發(fā)現(xiàn)，每次講完教室里的氣氛都很熱烈，在接下來的授課中他們就會比較用心。

課前的準(zhǔn)備除了內(nèi)容上的不斷更新，還要不斷地去揣摩學(xué)生的心理和接受能力。學(xué)生要想考試得高分，就得揣摩老師的心理，那么同樣的道理，老師要想教好書，就得揣摩學(xué)生的心思。我一直相信學(xué)生是想學(xué)知識的，所以我努力去做的就是讓他們對此有興趣，并沿著正確的思路去學(xué)。

3.2課堂教學(xué)

課前充分的準(zhǔn)備為課堂的講授打下了基礎(chǔ)，但有時仍然會遇上學(xué)生整體士氣不高的時候，這時，我會稍作停頓，說幾句題外的話，旁敲側(cè)擊一下，在內(nèi)容安排上，會將一些復(fù)雜的、枯燥的內(nèi)容與簡單的、有趣一些的內(nèi)容交叉起來。上課時充滿熱情，時時觀察學(xué)生的狀況與接受程度，及時做出調(diào)整。有時使用研究的方法，將問題提出來，我也在思考，我與他們同步分析，轉(zhuǎn)換角色，將主角的位置讓給他們，讓他們大聲地說出他們的想法，然后沿著他們的思路走，進(jìn)而分析問題所在，以及正確的解決方案。這些方法在課堂上是很有效的，學(xué)生們是很清楚的，老師投入滿腔熱忱，他們也會被感染。相反，老師應(yīng)付差使，他們就很容易隨波逐流。

3.3課外的輔導(dǎo)與課程設(shè)計

課下的輔導(dǎo)在很多情況下是配合課堂教學(xué)的，如果最近上課內(nèi)容比較難以接受，那么學(xué)生在課下會用不少時間來想，如果這時老師未能及時給以輔導(dǎo)，那么大部分學(xué)生很容易知難而退，所以要及時與學(xué)生溝通，給予適當(dāng)?shù)妮o導(dǎo)與疏導(dǎo)。

課程設(shè)計環(huán)節(jié)，一方面的目標(biāo)是加深對理論學(xué)習(xí)的理解，另一方面是為了提高學(xué)生自己動手解決問題的能力。在課堂講授環(huán)節(jié)就要考慮課程設(shè)計的需要，比如知識的準(zhǔn)備，以及相應(yīng)設(shè)計方法的學(xué)習(xí)。所以要想課程設(shè)計環(huán)節(jié)取得好的效果，在相應(yīng)的課堂教學(xué)中，應(yīng)該做好充分的準(zhǔn)備，然后在課程設(shè)計中，給以適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，既不讓學(xué)生產(chǎn)生依賴思想，又不能因為太難而讓學(xué)生不知所措，匆匆地將實(shí)驗結(jié)果湊出來交差。

4進(jìn)一步的思考

“計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程不是一門孤立的課程，它與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、匯編語言與接口技術(shù)以及操作系統(tǒng)課程有著密切關(guān)系，“計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”的老師一方面要劃分好課程之間的分工，另一方面要充分了解相關(guān)課程的內(nèi)容，在講課時如果有交叉時需要交待清楚。原本它們都是相互關(guān)聯(lián)的，教學(xué)過程中如果能關(guān)聯(lián)是最好的，但不應(yīng)涉及太深，細(xì)節(jié)問題在相應(yīng)課程中講。

21世紀(jì)的計算機(jī)科學(xué)發(fā)展如此迅速，如何根據(jù)計算機(jī)學(xué)科發(fā)展以及信息科技發(fā)展情況，及時、動態(tài)地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，及時體現(xiàn)最新發(fā)展技術(shù)是本課程建設(shè)的一個重要方面。比如多核處理器的出現(xiàn)及廣泛使用，它對計算機(jī)結(jié)構(gòu)課程及組成原理課程的影響是深刻的，如何來表現(xiàn)這一點(diǎn)，是一個值得研究的問題。在該課程中增加操作系統(tǒng)支持專題是否值得?有一些書上介紹了一些，但角度不是很好，作用不大。各門課程將內(nèi)容割裂，如何再將它們形成一個整體，軟件與硬件如何形成一個系統(tǒng)?這些都需要更加深入的思考和實(shí)踐。對于最近出現(xiàn)的硬件技術(shù)，哪些應(yīng)該增加進(jìn)來，哪些應(yīng)該忽略，也是值得大家一起來研究與探討的。幾年一度的國內(nèi)同行研討會是非常有益的。

教師絕不是一個輕松的職業(yè)，有人說，教師是世界上最危險的職業(yè)之一，我深有體會。無論如何努力，我都覺得不夠，但我會繼續(xù)努力。本人經(jīng)歷與水平有限，上述觀點(diǎn)肯定有偏頗之處，希望得到同行的批評與指正。