“計算機(jī)組成原理”的課程改革與實(shí)踐

劉旭東　熊桂喜

文章編號：1672-5913(2009)07-0074-03

摘要：“計算機(jī)組成原理”課程教學(xué)歷來是計算機(jī)專業(yè)教學(xué)中的重點(diǎn)，本文分析了“計算機(jī)組成原理”課程的定位和特點(diǎn)，提出了一種從整體功能推進(jìn)到局部組成、從微觀實(shí)現(xiàn)抽象到宏觀結(jié)構(gòu)的層次化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計模式，探討了“計算機(jī)組成原理”教學(xué)與學(xué)生能力培養(yǎng)之間的關(guān)系，探索并實(shí)踐了一種研究性的教學(xué)方法。實(shí)踐證明，這樣的方法也的確收到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)組成原理；課程改革；教學(xué)方法；實(shí)踐

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1引言

“計算機(jī)組成原理”是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程，該課程以馮·諾依曼模型為起點(diǎn)，系統(tǒng)地講述了計算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能部件、功能特征、工作原理、交互方式和基本設(shè)計方法[1]。在教授這門課程的過程中，我們通過課堂講授、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計相結(jié)合的方式，使學(xué)生系統(tǒng)地理解計算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握計算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本分析與設(shè)計方法，為他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等后續(xù)課程，全面培養(yǎng)計算機(jī)硬件系統(tǒng)認(rèn)知、設(shè)計與創(chuàng)新能力奠定良好的基礎(chǔ)。

“計算機(jī)組成原理”課程是計算機(jī)專業(yè)本科階段一門極其重要的課程，也是一門教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)習(xí)難度大的課程[2]。目前國內(nèi)外出版的相關(guān)教材不少，其中不乏較優(yōu)秀的教材，但由于教材容量的限制和文字?jǐn)⑹龇绞降奶攸c(diǎn)，我們很難憑借單本教材就能實(shí)現(xiàn)既能從全局或宏觀的角度掌握計算機(jī)硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理，又能從局部或微觀的角度理解計算機(jī)各個部件的工作過程和交互方式的教學(xué)目標(biāo)。因此，研究并實(shí)踐一種有效的教學(xué)模式，對幫助學(xué)生從微觀層面掌握本課程知識單元、從宏觀層面建立該課程知識體系，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于計算機(jī)硬件系統(tǒng)的認(rèn)知能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，具有重要的作用。

2教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

我們系統(tǒng)地分析了卡耐基梅隆大學(xué)、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)等20余所國內(nèi)外著名大學(xué)同類課程的教學(xué)內(nèi)容和展現(xiàn)方式。國內(nèi)外高校在課程的教學(xué)內(nèi)容上差別基本不大(如表1所示)，但在內(nèi)容的組織和知識的層次化推進(jìn)方面存在一定的差別。

表1 幾所國外大學(xué)計算機(jī)組成課程教學(xué)內(nèi)容分布

“計算機(jī)組成原理”課程教學(xué)過程中，應(yīng)盡快建立計算機(jī)的整體概念，讓學(xué)生清晰地了解所學(xué)內(nèi)容在課程知識結(jié)構(gòu)中的位置以及和其他部分之間的關(guān)系[2,3]，并合理組織課程知識點(diǎn)的展現(xiàn)結(jié)構(gòu)，使學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容具有清晰的脈絡(luò)和思路，這對學(xué)生全面地掌握本課程的知識具有十分重要的作用。

我們基于對國內(nèi)外“計算機(jī)組成原理”課程教學(xué)體系的分析，從知識與能力兩個層次，課堂與實(shí)驗(yàn)兩個環(huán)節(jié)對“計算機(jī)組成原理”課程與實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，基于自頂向下的教學(xué)思路，建立了一種從整體功能推進(jìn)到局部組成、從微觀實(shí)現(xiàn)抽象到宏觀結(jié)構(gòu)的層次化課程內(nèi)容設(shè)計模式。首先，從問題出發(fā)。設(shè)想人類尋求一種可以代替人完成復(fù)雜計算的機(jī)器裝置的功能需求，帶領(lǐng)學(xué)生分析歸納計算機(jī)的功能模型，基于一定的技術(shù)條件帶領(lǐng)學(xué)生分析總結(jié)實(shí)現(xiàn)該計算機(jī)功能模型的組成、結(jié)構(gòu)以及其基本的工作方式，使學(xué)生初步建立計算機(jī)的整體概念。然后按照這樣一種分析問題、探討解決思路、總結(jié)功能特征、介紹設(shè)計與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容展開模式，分別對存儲系統(tǒng)、計算單元、控制單元和輸入輸出系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，貫徹局部組成體現(xiàn)整體功能、微觀實(shí)現(xiàn)體系宏觀結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計思路，同時突出“功能分析”和“結(jié)構(gòu)設(shè)計”兩條主線。內(nèi)容組織上，在對計算機(jī)各組成部分的功能需求分析的前提下，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)這些功能需求的組成部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程和特征。

3課程的能力培養(yǎng)

“計算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)內(nèi)容不僅僅是要傳授有關(guān)硬件設(shè)計的課本知識，更重要的是重視理論知識與實(shí)踐過程的結(jié)合，將知識綜合靈活運(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)[4]。本課程著重培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于計算機(jī)硬件系統(tǒng)方面的三種能力：即計算機(jī)硬件系統(tǒng)的認(rèn)知能力、設(shè)計能力與創(chuàng)新能力。

“計算機(jī)組成原理”課程主要通過對計算機(jī)各功能部件的組成及運(yùn)行原理的分析、講解和配套實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對計算機(jī)硬件的系統(tǒng)級認(rèn)知能力。課程通過數(shù)據(jù)的機(jī)器表示、運(yùn)算方法及運(yùn)算部件的組成等知識點(diǎn)的講解和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握計算機(jī)的運(yùn)算特征；通過指令系統(tǒng)的相關(guān)知識，使學(xué)生掌握計算機(jī)系統(tǒng)匯編級的結(jié)構(gòu)特征和基本操作描述方法；通過存儲系統(tǒng)的詳細(xì)講解和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能從容量、速度和成本的角度理解多層次存儲系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和工作原理；通過CPU及控制單元的功能和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析，結(jié)合指令執(zhí)行控制的深入講解和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生理解計算機(jī)系統(tǒng)指令執(zhí)行的實(shí)質(zhì)和控制單元的基本實(shí)現(xiàn)方法；通過總線、輸入輸出接口及外部設(shè)備等知識的講解，使學(xué)生了解計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部、計算機(jī)系統(tǒng)與外部的交互方式。

在培養(yǎng)學(xué)生對計算機(jī)硬件的系統(tǒng)級認(rèn)知能力的基礎(chǔ)上，我們通過對運(yùn)算部件、存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、控制單元、整機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計方法等知識的講解，結(jié)合相應(yīng)設(shè)計實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對計算機(jī)硬件系統(tǒng)的理解和設(shè)計能力。在設(shè)計能力培養(yǎng)的具體方式上，可通過課堂講授、課后練習(xí)、配套實(shí)驗(yàn)等形式分層次實(shí)現(xiàn)。如課堂講授可重點(diǎn)介紹系統(tǒng)和部件的設(shè)計方法和設(shè)計過程等內(nèi)容；課后練習(xí)可進(jìn)行框架性設(shè)計；配套實(shí)驗(yàn)可圍繞規(guī)范、典型的模型系統(tǒng)，從功能部件的實(shí)現(xiàn)開始，直至最終設(shè)計出一臺具備基本運(yùn)算能力和存儲能力、支持有限指令集的計算機(jī)設(shè)備。從而達(dá)到驗(yàn)證功能部件和系統(tǒng)的功能，掌握必要的硬件描述語言、設(shè)計工具及仿真環(huán)境，體驗(yàn)計算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計過程，掌握相關(guān)硬件設(shè)計技術(shù)與方法等目的。

課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)努力為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力打下基礎(chǔ)，課程在培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知和設(shè)計能力的基礎(chǔ)上，可通過計算機(jī)硬件系統(tǒng)不同階段面臨的問題及其技術(shù)發(fā)展的分析和探討，體會在特定的技術(shù)條件下的創(chuàng)新思維；針對計算機(jī)硬件系統(tǒng)面臨的新問題和新需求，結(jié)合新技術(shù)的介紹大膽暢想未來的技術(shù)發(fā)展趨勢，引領(lǐng)學(xué)生突破思維定勢，以此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。進(jìn)一步可通過集成計算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)等課程知識內(nèi)容的綜合課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的基本創(chuàng)新能力。

4教學(xué)方法實(shí)踐

計算機(jī)學(xué)科的知識體系是一個動態(tài)變化的知識體系，對于計算機(jī)原理這樣一門課程，在教學(xué)過程中，啟發(fā)學(xué)生充分思考計算機(jī)硬件系統(tǒng)發(fā)展不同階段的需求、基本背景和應(yīng)解決的本質(zhì)問題，遠(yuǎn)比直接的知識灌輸要重要的多。在教學(xué)方法上，目前普遍采用的是針對不同的教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)采用啟發(fā)式、討論式或提問式等的教學(xué)方法，這些教學(xué)方法被證明在教學(xué)過程中確實(shí)起到了良好的作用[2,4,5]。我們認(rèn)為，課堂教學(xué)一方面要傳播課程的知識，更重要的是要傳播一種正確的科學(xué)研究方法。課程教學(xué)既要使學(xué)生掌握課程知識，又要讓學(xué)生了解與課程相關(guān)的領(lǐng)域曾經(jīng)所面臨的應(yīng)用和技術(shù)問題，以及所采取的解決思路，因此探索并實(shí)踐一種“發(fā)現(xiàn)提出問題、分析技術(shù)背景、提出解決方法、實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證”的研究性教學(xué)方法，對該課程的教學(xué)十分有益。

比如講授計算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示方法，其實(shí)這部分是課程中很簡單的內(nèi)容，最直截了當(dāng)?shù)姆绞骄褪侵苯又v授計算機(jī)中各種編碼的表示方法，學(xué)生容易掌握，但學(xué)生只知其然而不知其所以然。講授過程中應(yīng)從計算機(jī)只能表示“0”和“1”這兩個基本概念入手，引導(dǎo)學(xué)生思考計算機(jī)如何充分利用“0”和“1”來表示大千世界抽象的概念和具體的形象，進(jìn)一步讓學(xué)生思考計算機(jī)中數(shù)值的表示、非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示應(yīng)解決的問題，使學(xué)生充分理解計算機(jī)中把數(shù)分成定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、有符號數(shù)和無符號數(shù)，以及需要各種字符編碼、檢錯糾錯碼的合理性和必要性，讓學(xué)生主動去發(fā)掘計算機(jī)中數(shù)值和符號表示的根本問題。同時結(jié)合高級語言中的變量類型定義和各種類型變量占內(nèi)存大小方面的知識，使學(xué)生能夠從高級語言和機(jī)器實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的角度理解程序變量類型的規(guī)劃對程序性能的影響等知識。至于具體的數(shù)據(jù)表示方法，屬于比較容易掌握的基本教學(xué)內(nèi)容，講與不講都沒有太大的關(guān)系。

中央處理器是“計算機(jī)組成原理”課程中最難掌握的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)過程可以分為三個步驟推進(jìn)。第一步是要讓學(xué)生掌握控制器的功能、組成和結(jié)構(gòu)，以及控制信號的作用。教學(xué)方法上應(yīng)采用啟發(fā)式的教學(xué)方法，首先應(yīng)通過結(jié)合指令系統(tǒng)、存儲器系統(tǒng)、運(yùn)算單元等已學(xué)部分的知識，系統(tǒng)地分析機(jī)器指令執(zhí)行過程中所需要的功能支持、功能部件(如寄存器部件)支持和數(shù)據(jù)通路支持，進(jìn)而歸納總結(jié)控制單元的功能、組成和結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，以一個便于課程教學(xué)的簡化的指令系統(tǒng)和模型機(jī)的設(shè)計為目標(biāo)，從完整規(guī)劃機(jī)器指令執(zhí)行的指令流和數(shù)據(jù)流入手，系統(tǒng)地分析指令執(zhí)行過程中可能出現(xiàn)的指令代碼傳送路徑、操作數(shù)地址的形成和傳送路徑、操作數(shù)傳送路徑，以及各個功能部件(如存儲器、各類寄存器、運(yùn)算單元等)和這些傳送路徑所需要的控制信號。以這些分析為基礎(chǔ)，一步一步地引導(dǎo)學(xué)生分析、歸納總結(jié)并進(jìn)一步完成控制單元內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的設(shè)計和控制信號的部署，進(jìn)而完成模型機(jī)控制單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。教學(xué)過程第二步以模型機(jī)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析和講解典型機(jī)器指令的執(zhí)行周期和指令執(zhí)行的詳細(xì)流程，使學(xué)生充分理解典型指令執(zhí)行過程中每一個時間段所實(shí)現(xiàn)的基本功能，以及為實(shí)現(xiàn)該基本功能在該時間段上所需要的微操作控制信號，進(jìn)而使學(xué)生掌握每一條指令執(zhí)行周期和詳細(xì)執(zhí)行流程的分析方法。教學(xué)過程的第三步是在完成上述教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合模型機(jī)的控制方式和控制時序信號，仔細(xì)分析和講解模型機(jī)中各種微操作控制信號的邏輯綜合方法，以及控制單元的設(shè)計方法。通過上述三個階段的遞進(jìn)式教學(xué)，使學(xué)生了解并基本理解控制器的基本工作原理，掌握機(jī)器指令執(zhí)行的真正物理含義，從本質(zhì)上掌握計算機(jī)程序運(yùn)行的實(shí)質(zhì)。

5結(jié)束語

“計算機(jī)組成原理”課程是公認(rèn)的枯燥和難學(xué)的專業(yè)核心課程，這些年我們在該課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計和教學(xué)方法的研究上進(jìn)行了探索，并取得了良好的教學(xué)效果，形成了自己的特點(diǎn)。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，“計算機(jī)組成原理”的教學(xué)仍然還有很多工作值得我們?nèi)パ芯亢蛯?shí)踐，只有不斷探索、不斷總結(jié)才能有效地提高教學(xué)質(zhì)量，滿足學(xué)生們不斷增長的求知需求。

參考文獻(xiàn)：

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