計算機組成原理和系統(tǒng)結構課程知識點陳舊老化現(xiàn)象解析

◆冉全 陳艷

作者：冉全，武漢工程大學計算機科學與工程學院副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)軟硬件研究與開發(fā)；陳艷，武漢工程大學計算機科學與工程學院（430073）。

1 引言

計算機組成原理和計算機系統(tǒng)結構（也稱體系結構）是大多數(shù)計算機類專業(yè)的基礎硬件類課程，對于很多學生來說，也是兩門比較懼怕的課程。除了課程內容包含較多學生看來枯燥乏味的概念、電路、算法和原理之外，有些知識點相對陳舊，一些描述模糊不清，引起學習者概念混亂甚至不明所以，更加打擊了學習興趣和熱情。這導致一部分學生畏懼甚至厭煩這兩門課，連帶懼怕需要動手和實踐的其他硬件課程，“欺軟怕硬”成為較為普遍的現(xiàn)象。這對于計算機相關專業(yè)學生系統(tǒng)性地掌握計算機知識，畢業(yè)后成為適應社會多方面需要的有用人才無疑是不利的。

2 關于組成原理和系統(tǒng)結構的課程安排

這兩門課程，計算機系統(tǒng)結構講述的是概念性的體系和功能，站在軟硬件分界面的角度討論計算機硬件的結構性框架如何搭建；計算機組成則從經(jīng)典的馮·諾依曼五大部件入手，分析計算機硬件組成的具體內容，包括示例性的邏輯電路和二進制算法，來講述計算機的基本工作原理。兩者站在不同的視角看待硬件問題，難免會有重疊。因此，有些學校兩門課分開上，有些學校合并成一門課；國內的一些出版單位也順勢推出一些合并課本，或者干脆直接取名叫做“計算機組成原理與體系結構”，兩門課程各選取了一些核心內容組在一起，搞成一個混合版本。

筆者認為這種課程合并適合一些高職高專類的院校，對于計算機類本科專業(yè)而言還是存在問題的，如學時安排方面的問題。組成原理是考研課程，要講述透徹則學時數(shù)必須得到保證，加上實驗，總學時需要60 以上。體系結構重點放到流水線、多級存儲層次、多處理機并行計算等現(xiàn)代計算機廣泛采用的新技術，要想講解清楚一般也要40 學時左右。兩者合并，如果學時數(shù)不能得到保證，其結果是兩部分內容都講不好；而如果一味擴大學時數(shù)，如擴充到80 學時以上，又會給學生造成相當大的心理負擔。本來硬件課程就是攔路虎，這樣一個超大學時的硬件專業(yè)課不會有良好的教學效果。

多年前也曾經(jīng)合并做過，效果并不好，后來又改回到兩門課程分別開設，依據(jù)傳統(tǒng)，先講組成原理，緊接著一個學期開設系統(tǒng)結構。但現(xiàn)在面臨一個問題：內容的取舍。很多經(jīng)典的組成原理課本不知從什么時候開始夾雜很多流水線和高速緩沖存儲器的內容，部分課本甚至還有多處理機方面的。這些書的作者可能想適應那些合并開課學校的用書想法，所以開始大幅增加原本屬于系統(tǒng)結構課程中的內容。

另一個方面，考研的組成原理大綱確實包括了流水線、多級存儲層次和多機系統(tǒng)，也就是說考研課程名雖是組成原理，實際卻包括了兩門課的知識點。從這個角度看，這些組成原理教材增加的篇幅包含這些內容也是合理的。問題是，上組成原理課程時怎么應對這些原本下學期才要講述的系統(tǒng)結構課程中的內容？

武漢工程大學是多校聯(lián)合的考試聯(lián)盟出題，為了和考研內容一致，所以題目中有很多系統(tǒng)結構的內容。原本按照課程順序，這些知識點都是下一學期才應該講述的，但是為了考試，又不得不囫圇吞棗提前講解，導致學生考試結果不理想。為了避免這種混亂，能否先講述體系結構課程，然后講述組成原理呢？從內在聯(lián)系來看，組成原理可以看作體系結構的邏輯實現(xiàn)，因此先講“干”再講“枝”應該也行得通，涉及器件組成、數(shù)據(jù)通路、指令、二進制、中斷機制等組成原理中詳細講解的部分，可以講最基本的原理，能輔助課程理解就行。這樣改變傳統(tǒng)排課次序的做法能不能收到更好的效果？準備進行嘗試。

3 CPU 部分的討論

CPU 的內容很多，兩門課都有大量涉及，以下討論不再和課程掛鉤，只說明哪些內容值得商榷。

CPU 的發(fā)展和兼容 第一代電子管計算機，第二代晶體管計算機，這個沒什么疑問；第三代、第四代都是對應集成電路，只是規(guī)模不同，量變引起質變，劃到下一代也能接受；而關于第五代計算機就值得推敲了，到底第五代計算機是什么？一些教材把它劃歸到超大規(guī)模集成電路中去，筆者認為不妥，其實學術界從20 世紀90年代就在呼喚第五代計算機，但是并沒有明確是什么，而是等待采用全新技術或者全新材料的計算機問世，普遍認為光子、量子、超導、生物這幾個方面有可能誕生出第五代計算機出來，遺憾的是現(xiàn)在仍然都處于研究階段，所以關于計算機的劃代應該到四代為止。要讓學生明白，科學的發(fā)展有高潮和低谷，過10 ～20年強行劃分新一代來說明計算機的進步?jīng)]有意義，因為集成電路不能一次次由量變引發(fā)質變！

關于發(fā)展過程中的兼容，也很難明確，就拿向前和向后兼容來說，站在機器的角度來說，后面的機器能運行前面機器的軟件，應該叫向前兼容，但是站在軟件的角度來說，前面開發(fā)的軟件要能在后面出現(xiàn)的機器中運行，則又成了向后兼容。兩者實質上是一回事，卻可以有兩種說法，如果出題討論兼容性，學生該怎么給出答案？

運算方法 各種碼制、定點數(shù)、浮點數(shù)可以詳述，這些是基本的，對于以后實際使用和各種編程都有好處；加減法和溢出概念作為了解計算機內部的運算原理，也可以讓學生掌握；但是乘法和除法，特別是兩位乘以及除法的余數(shù)校正這些東西，學生要費很大力才能弄明白，一個月后就一定會忘記得干干凈凈。這些屬于技巧類的算法還是不要占那么多篇幅介紹為好。一些課本不再講述各種進位制的轉換，筆者認為不恰當，作為初接觸二進制的學生而言，搞清各種進位制及其轉換是很有必要的，至少比兩位乘法或者加減交替做除法重要得多。

尋址方式 很多學生一直到畢業(yè)也沒弄清尋址方式，這部分內容應該把那么多紛繁的名詞簡化。舉例來說，基址、變址、索引、縮放、偏移、自增、自減，再加上直接、間接、相對尋址等，這些本來都是針對存儲器的尋址方式，弄出這么多名詞來學生不頭疼才怪。其實尋址完全可以簡單明了做介紹，而不拘泥于這些奇怪的名詞上：數(shù)據(jù)可以在三個地方出現(xiàn)，分別是指令中、寄存器中、存儲器中；前兩種叫做立即數(shù)和寄存器尋址，第三種則區(qū)分為直接地址和間接地址，只有間接地址可以變化多端，其中基地址加上偏移量組合是最基本的形式。

關于微程序控制器 當今CPU 還有多少使用微程序控制器的？即使是CISC 也變臉為硬件解碼后送入內部長長的類似RISC 的管線系統(tǒng)。作為訓練和實踐控制器部分的手段可以講述，畢竟一個硬邏輯的控制器很難實現(xiàn)，但是關于水平的、垂直的微程序甚至毫微程序這些概念還是盡量簡化吧。這里面有很多難題、怪題，各種字段的分解與組合作為考試的手段也應該點到即止，畢竟誰都不會去真正設計一款復雜的微程序控制器。

4 存儲器部分的討論

主存典型芯片 還在用2114、4116 作為芯片實例？對這些舊貨市場都不一定買得到的東西進行詳細分解，其古怪的時序、簡陋的內部組成結構占據(jù)了大量篇幅，為什么不用現(xiàn)在市場上仍在普遍使用的簡單8 位或者16 位存儲芯片舉例呢？如27 系列ROM、62 系列RAM。而高性能存儲芯片的介紹也停留在20年前的SDRAM、早已淘汰的RDRAM/CDRAM，要知道現(xiàn)在已經(jīng)是DDR4 的時代了。

輔存 還在大力介紹軟盤，甚至是8 英寸軟盤，而市場上3.5 寸的最后一代軟盤都找不到了，8 寸的軟盤估計博物館里面也難得一見。磁記錄的編碼方式似乎也沒有講解的必要，歸零制、不歸零制的編碼方式過時不說，實在和計算機的軟硬件組成都沒有太大的關系。關于硬盤方面的先進技術介紹，停留在幾個G 的容量、幾十KB 的緩存，以及IBM 硬盤、昆騰硬盤等這些不知消失多久的產品上，感覺又回到了20 世紀90年代。

Cache 和虛存 作為兩個同等重要的存儲層次，討論卻都主要集中在前者，后者的重要性沒有得到體現(xiàn)。改進Cache 失效率的措施花了大量篇幅，其中有些措施根本沒有任何實用價值。而編譯器優(yōu)化和軟件控制的預取等內容本就不屬于體系結構所要關心的，其算法和編程原理同樣占用很多寶貴的篇幅。關于Cache 技術所舉的實例采用的都是20年前的芯片技術，雖然相對簡單易懂，卻也處于和8086 在微機原理課程中作為示例CPU 一樣的尷尬地位。

5 I/O 和總線部分的討論

總線結構和標準 單總線、雙總線、三總線甚至四總線結構的討論，繁瑣、過時且相互矛盾。就拿三總線來說，數(shù)據(jù)、地址、控制總線是三總線，局部、系統(tǒng)、擴展總線也是三總線，還有主存、I/O、DMA 總線又是一種三總線。介紹過時的ISA、EISA、VESA 乃至AGP 總線有價值嗎？最關鍵的一點，很多教材花大篇幅介紹這些淘汰技術的同時，不去直面它們的落后和淘汰的現(xiàn)狀。不是說淘汰的技術不能介紹，作為人類曾經(jīng)的技術結晶和科技歷史，有必要讓學生了解，但是應該把握兩點：一是篇幅要??；二是明確告訴學生，這些東西都已經(jīng)成為歷史。

總線判優(yōu)與控制 集中式判優(yōu)中的鏈式查詢和計數(shù)器定時查詢究竟在什么時候什么場合出現(xiàn)過總應該提及一下。說獨立請求方式響應最快也沒有說服力，和鏈式查詢相比較都是全硬件信號，快慢就看誰的邏輯復雜，獨立請求方式一定最快的根據(jù)并不充分。

同步控制和異步控制以及串行和并行方式是總線控制的兩個主要內容，應該針對具體的總線實例加以分析。一些習題或者課本說同步比異步方式快，或者并行方式比串行方式快，筆者認為這些都是欠妥的，當今高速異步串行總線的帶寬有目共睹?？偩€的快慢，和是否串并行、是否同步異步?jīng)]有直接的對應關系。

I/O 接口與設備 很多查詢、中斷、DMA 等接口電路的組成都給出實現(xiàn)的電路圖，這些圖在實際應用中不會采用，對學生而言復雜晦澀，他們還錯覺地認為這些電路才是標準的I/O 接口。其實實現(xiàn)接口的方式和原理有多種，詳細介紹接口具備的功能應該比介紹這些電路圖有意義得多。

CRT 顯示器和CRT 控制器，隨機掃描和光柵掃描，偽彩色、CGA、EGA 等，講述的課本不在少數(shù)。筆者20年前的課堂上就講過這些，現(xiàn)在再講實在味同嚼蠟。關于多媒體電腦、多媒體專用芯片甚至多媒體操作系統(tǒng)這些概念，同樣顯得和時代格格不入，20年前這些說法可能代表新技術，而在全民手機都能處理多媒體的今天，這些說法本身似乎都失去了意義。

中斷向量 本來向量的含義就是借用物理中定向指向的概念，去說明中斷后自動轉到相應的位置去實現(xiàn)中斷服務，一些教材卻在中斷向量、向量中斷、中斷入口、向量地址等環(huán)節(jié)上反復糾纏，用一些模棱兩可的用詞去“加深”學生的理解，實際的效果卻和“干擾”無異。類似的還有所謂存儲單元、存儲元、存儲字、存儲字長、機器字長、讀寫周期、存儲周期、總線周期、機器周期等，非要讓學生區(qū)分得清清楚楚，恐怕很難，況且這些概念本身就有相交之處。就拿中斷向量來說，究竟是硬件切換出來的向量地址，還是向量地址中存放的服務程序入口，誰能說得清？還有總線周期和存儲周期，當總線上傳遞存儲單元信息時就是一回事。這些細微差別的概念即使要作為考題也要慎重，筆者多次碰到引起歧義的答案。

中斷屏蔽和優(yōu)先級 本來是兩個很清楚的概念，各自的用途也非常明確，一旦把所謂的低優(yōu)先級去中斷高優(yōu)先級的特例弄進去（暫不說這種做法有什么實際意義），一切都變得復雜起來。畫中斷響應軌跡圖是很多題目最喜歡的，實際應用中若是出現(xiàn)像軌跡圖那樣亂七八糟的中斷嵌套，系統(tǒng)很容易徹底崩潰。這些低優(yōu)先級中斷去嵌套高優(yōu)先級中斷的非常規(guī)做法還是不要復雜化。

6 實驗環(huán)節(jié)與課程設計

實驗課一般以某種實驗箱為實驗設備，把經(jīng)典的運算器、存儲器、數(shù)據(jù)通路（總線）、控制器等幾個大的組成部分作為實驗內容，去加深課堂相關內容的理解。課程設計則是依托實驗箱的硬件構造，去設計一個具備更加復雜功能的部件或者組成一臺能運行簡單指令集的模擬整機。這種做法對于大多數(shù)普通院校的學生而言沒有什么問題，少數(shù)重點大學使用FPGA 設計CPU 軟核并在模擬機中移植某種操作系統(tǒng)作為課程設計則屬于高端要求，這里不加分析。

要討論的是這種傳統(tǒng)實驗箱做經(jīng)典組成實驗中遇到的問題，通過對幾個廠家的組成原理實驗箱的對比，發(fā)現(xiàn)它們都有如下特點。

1）采用開放式的面板，把所有部件以及連接線的插孔都安排在這個面積很大的面板上，所有元件和芯片裸露。

2）運算器使用74181 或者在可編程邏輯器件中使用該芯片邏輯，以配合教材內容。

3）存儲器使用普通SRAM 或者雙端口SRAM。

4）控制器以微程序控制方式為主，使用非易失性存儲器構成控存單元。少部分也提供硬邏輯控制器，用可編程邏輯器件構成。

5）大量使用開關和LED 作為輸入輸出部件，信號連接使用針孔配合的導線。

6）說明書和實驗指導書普遍不嚴謹，文字和圖表錯誤很多，印制粗糙，且基本上都不提供電子版。

以上特點的組成原理實驗箱往往還兼顧微機原理或者體系結構，甚至還有數(shù)字邏輯的課程實驗?？傮w來說，它們會導致以下一些問題。

1）很大面積的電路板且裸露，即使上面有分割各個模塊的線條，仍然覺得龐雜凌亂，想找一個信號會非常不便，令學生望而生畏。因為要照顧到多門課程，所以一些電路單元在某門課程中就會用不上，還要增加切換電路的模式開關。這些都使操作復雜化，容易造成儀器損壞。一般來說，三年左右損壞率可以達到50%以上。

2）連線普遍采用插頭和插孔的配合形式，差別在于有的型號粗、有的型號細，有的深、有的淺。這種連接方式太緊了插拔不方便容易斷線，太松了接觸不良；而且隨著實驗的復雜，面板上的線像一團亂麻，什么都看不清楚，即使采用了長短不一和不同顏色的導線加以區(qū)分，仍然不能解決問題，非常不便于調試和觀察。

3）輸入和輸出方式操作復雜，更不直觀。用二進制表示的撥動開關和LED 管，輸入的每個數(shù)據(jù)都要撥8 次開關才能完成，輸出的數(shù)據(jù)因為是LED 表示的二進制信息，不易于識別。這兩種形式的I/O 還存在占用面積大，故障率高的缺點。

7 總結

計算機是發(fā)展很快的一門實踐和工程類學科，不管是軟件還是硬件皆是如此。軟件類的書籍更新很快，當下的的開發(fā)工具和語言可能幾年后就沒有了用武之地，除了某些描述算法和原理的理論書籍，如數(shù)據(jù)結構、編譯原理之類，更新周期可能較長。

相比軟件類課程而言，硬件課程一個版本可能堅持更長時間，有些教材甚至有十年以上的生命周期，如傳統(tǒng)的電路原理、數(shù)字邏輯類的課程。那么，計算機組成原理和系統(tǒng)結構作為硬件基礎課程，是不是也能多少年不用更新呢？即使一些內容已經(jīng)時過境遷，仍然堂而皇之地出現(xiàn)在教材里面，導致一部分了解這些內容的學生產生抵觸情緒。不能追蹤新技術的硬件課程對學生的學習積極性和學習效果都是有消極影響的。

本文希望能起到拋磚引玉的作用，引起教材作者和實驗設備開發(fā)人員的重視，對相關內容及時更新或者刪除，對設備中的不足加以改進，更好地促進計算機組成原理和計算機系統(tǒng)結構兩門課程的發(fā)展。

[1]張晨曦,等.計算機系統(tǒng)結構[M].北京:高等教育出版社,2008.

[2]唐朔飛.計算機組成原理[M].北京:高等教育出版社,2008.

[3]唐朔飛.計算機組成原理:學習指導與習題解答[M].北京:高等教育出版社,2012.

[4]白中英.計算機組成原理[M].北京:中國科學出版社,2009.

[5]蔣宗禮.高等學校計算機科學與技術專業(yè)核心課程教學實施方案[M].北京:高等教育出版社,2009.