計算機科學與技術專業(yè)三門硬件課程一體化實驗研究探索

易叢琴 馮國富 池濤 王靜

摘要：《數(shù)字邏輯》、《計算機組成原理》、《計算機系統(tǒng)結構》三門課程分別對應計算機科學與技術專業(yè)硬件課程的硬件基礎課、硬件專業(yè)基礎課、硬件專業(yè)課三個層次。在厘清三門課程實驗之間相互銜接關系的基礎上，建立了一體化由簡單到復雜、由部分到整體的循序漸進的實驗平臺。

關鍵詞：硬件課程;課程改革;一體化實驗平臺

中圖分類號：G642? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）37-0277-02

《數(shù)字邏輯》、《計算機組成原理》、《計算機系統(tǒng)結構》三門課程對應了計算機科學與技術專業(yè)硬件課程的不同層次，分別涵蓋了硬件基礎課、硬件專業(yè)基礎課、硬件專業(yè)課，形成計算機專業(yè)硬件課程的一條主線。通過三門課程理論及實驗的學習，學生循序漸進地理解計算機的各組成部件之間的聯(lián)系，了解各組成部件從獨立到統(tǒng)一整體實現(xiàn)基本運算，同時掌握計算機軟件和硬件的關系，學會如何評價及優(yōu)化計算機系統(tǒng)的設計，并且能夠在其他相關課程基礎上實現(xiàn)計算機功能的擴展。

一、計算機硬件課程的改革

計算機硬件課程是計算機學科必不可少的專業(yè)課程[1]，只有熟練掌握計算機硬件知識才能開發(fā)出更高效的軟件項目。計算機性能隨著硬件技術及系統(tǒng)結構的革新不斷提高，雖然其工作原理及工作方式基本保持不變，但是要使學生能夠更好地理解計算機的工作原理，對相關硬件課程的改革和思考也是必不可少的。

上海海洋大學信息學院在2018版的培養(yǎng)方案中，對硬件課程體系進行了相應的調整和改革。把《計算機組成原理》作為計算機相關專業(yè)的核心通識課程，計算機科學與技術專業(yè)加強硬件課程體系的改革及建設，圍繞《計算機組成原理》為核心的硬件課程，建立分層次課程改革中心，以數(shù)字邏輯課程設計為前導課程，以計算機系統(tǒng)結構為提高課程。構建包括基礎課、專業(yè)基礎課和專業(yè)課三個層次的一體化硬件實驗教學平臺，達到既可以系統(tǒng)了解計算機硬件體系，又有助于優(yōu)化軟件系統(tǒng)設計開發(fā)的完整實驗環(huán)境。

二、三門硬件課程之間的相互關系

《數(shù)字邏輯》、《計算機組成原理》、《計算機系統(tǒng)結構》三門課程是計算機科學與技術專業(yè)不同層次且課程內容及難度上相互遞進的重要硬件課程?！稊?shù)字邏輯》是《計算機組成原理》課程的前導及基礎，計算機科學與技術專業(yè)主要關注與CPU相關的邏輯器件技術，掌握與計算機硬件相關的邏輯電路設計的基本理論和知識，理解數(shù)字邏輯器件的工作方式，在此基礎上認識計算機底層基本器件的工作原理，有助于后續(xù)計算機組成及計算機系統(tǒng)結構課程的學習及理解。

《計算機組成原理》是計算機科學與技術專業(yè)硬件課程的核心[2]。通過該門課程的理論學習、實驗及實踐環(huán)節(jié)的實施，使學生建立起計算機基本模型機的概念并實現(xiàn)基本模型機的設計?！队嬎銠C組成原理》課程對學好計算機相關的其他硬件課程起到重要作用[3]，理論課程包括計算機基本邏輯器件（輸入輸出系統(tǒng)、存儲器、運算器、總線控制）的工作原理及數(shù)據(jù)及指令流動方式的理解。

《計算機系統(tǒng)結構》課程在學生學習完《數(shù)字邏輯》及《計算機組成原理》課程后，著重分析計算機架構是怎么樣的，如何提高處理器性能，硬件之間是如何成為有機整體，如何消除CPU與主存之間的速度瓶頸，如何進行性能分析及系統(tǒng)優(yōu)化?！队嬎銠C系統(tǒng)結構》從更高層次整體理解計算機的性能及優(yōu)化思想，思考和解決實際工程中遇到的問題。

三、三門課程的一體化實驗設計

計算機科學與技術專業(yè)硬件課程學習過程中，如果沒有實驗課的支撐，硬件課程的理論部分是非?？菰锴译y懂的，要提高學生對硬件課程理論部分的理解及動手實踐能力，合理的實驗及實踐課程安排是有必要的。實驗課內容設置上需要理順先導課程和后續(xù)課程的實驗順序和銜接關系，避免實驗內容的重復，建立一體化的實驗平臺。三門課程的實驗內容體現(xiàn)由局部到整體的完整計算機設計思想，按照加法器到運算器、寄存器到存儲器、數(shù)據(jù)總線到數(shù)據(jù)通路、計數(shù)器到微程序控制器、基本模型機實現(xiàn)、基本模型機到復雜模型機系統(tǒng)、復雜模型機系統(tǒng)到系統(tǒng)優(yōu)化過程的順序由簡單到復雜、由部分到整體的基本方法實現(xiàn)。通過三門課程一系列實驗使學生加深對計算機工作原理的理解，掌握計算機設計的基本方法，提高學生解決實際工程技術問題的工作能力[4]。

計算機科學與技術專業(yè)的《數(shù)字邏輯》實驗主要包括與計算機五大組成部件（輸入/輸出設備、運算器、存儲器、控制器）相對應的編解碼器、二進制加法器、寄存器、控制總線設計、二進制計數(shù)器，各部件最終組成一個簡單的實現(xiàn)基本算術運算的簡單計算系統(tǒng)，實驗方式可以采用虛擬實驗與FPGA實驗箱相結合的方式，虛實結合，既能使學生充分理解現(xiàn)象又能提高學生的實際動手能力。

《計算機組成原理》實驗進行計算機相關各功能部件的邏輯實現(xiàn)及處理器的設計，包括運算器、存儲器、微程序控制器、基本模型機設計。先導課程《數(shù)字邏輯》實驗中完成的基本數(shù)字邏輯單元在《計算機組成原理》實驗中組合成具有一定獨立功能的計算機部件，并將獨立功能的計算機部件（如運算器與存儲器、運算器與控制器、運算器與輸入輸出系統(tǒng)，存儲器與輸入輸出系統(tǒng)）聯(lián)系起來協(xié)調統(tǒng)一工作。

《計算機系統(tǒng)結構》課程實驗在《計算機組成原理》基本模型機實現(xiàn)的基礎上，主要實現(xiàn)復雜模型機、基于流水線技術構成模型計算機、帶Cache的CPU的設計及代碼優(yōu)化等。通過不同層次的實驗，使學生更深入地理解計算機的整體性能、加深對流水線的認識，能進一步優(yōu)化程序設計，編寫出執(zhí)行速度快、資源利用率高、性能接近于最優(yōu)的程序。

四、總結

人工智能的發(fā)展對計算機科學與技術專業(yè)人才硬件課程的學習和掌握程度提出了更高的要求，學生要夯實硬件課程基礎才能在其他相關課程的深度和廣度上有所提升。計算機科學與技術專業(yè)學生通過《數(shù)字邏輯》、《計算機組成原理》、《計算機系統(tǒng)結構》三門課程的理論學習和實驗操作，搭建從簡單到復雜的模型機，深入理解計算機的工作原理，為未來從事IT相關行業(yè)打下良好的基礎。

參考文獻：

[1]肖娟，王嵩，張雯雰.計算機硬件類專業(yè)課程實踐教學體系改革研究[J].亞太教育，2015，（27）：90.

[2]王婧.計算機組成原理實驗教學改革的探討[J].軟件工程，2017，20（7）：42-44.

[3]徐愛萍，張玉萍，涂國慶.計算機組成原理課程整機實習教學改革與實踐[J].計算機教育，2014，（10）：101-104.

[4]王冬.《計算機組成原理》實驗教學改革的研究與實踐[J].現(xiàn)代計算機，2015，（4）：50-52.

Discussion on the Integration Experiment of Three Hardware Courses of Computer Science and Technology

YI Cong-qin，F(xiàn)ENG Guo-fu，CHI Tao，WANG Jing

（College of Information Technology Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

Abstract："Digital Logic"，"Principles of Computer Composition" and "Computer System Structure" correspond to the three levels of computer science and technology hardware courses. The contents of the three courses are interrelated and cross-cutting.On the basis of clarifying the connection between the three courses，an integration experimental platform was established，which integrates the three courses from simple to complex.

Key words：hardware course;curriculum reform;integrated experimental platform