“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)改革的思路和目標(biāo)

摘 要 本文以全新的觀點(diǎn)和有效的方法介紹了計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)改革思路和目標(biāo)。論文的主要貢獻(xiàn)是，在這門課程的教學(xué)和研究中首先提出并實(shí)施了三大教學(xué)理念。

·掌握設(shè)計(jì)CPU的方法、步驟和具體的技能

·具備邏輯上設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的能力

·熟悉現(xiàn)代微機(jī)所采用的新技術(shù)，了解下一代CPU發(fā)展的新動(dòng)態(tài)

為體現(xiàn)深入淺出的教學(xué)方法，本文提出了對(duì)通用CPU進(jìn)行分類的觀點(diǎn)，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 教學(xué)改革設(shè)計(jì)CPU

1計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)大綱都有以下或類似的描述：“計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)各專業(yè)的一門核心課程，本課程的任務(wù)是使學(xué)習(xí)者掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件部分的組成原理，掌握計(jì)算機(jī)的基本工作原理、計(jì)算機(jī)各主要部件的硬件結(jié)構(gòu)、相互聯(lián)系和作用，從而對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從硬件角度有完整的了解，為本專業(yè)后繼課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。”

顯然這樣的教學(xué)大綱很難培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力，更不能滿足我國(guó)“十一五”規(guī)劃關(guān)于提高自主創(chuàng)新能力的長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)對(duì)人才的需求。毫無疑問，所有“211工程”高校應(yīng)為國(guó)家培養(yǎng)出大批具備創(chuàng)新能力的合格人才。

2改革的思路和目標(biāo)

現(xiàn)代電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，包括專用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)、通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī)或電腦），都是基于馮·諾依曼機(jī)（Von Neumann）的理論設(shè)計(jì)并發(fā)展而成的。

馮·諾依曼機(jī)主要由以下五部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。

現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)和馮·諾依曼機(jī)之間的最大區(qū)別是：馮·諾依曼機(jī)以“運(yùn)算器為中心”，現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)以“存儲(chǔ)器為中心”。

馮·諾依曼機(jī)的CPU僅包括運(yùn)算器和控制器。隨著集成電路平面制作工藝的出現(xiàn)，這兩大部分往往集成在同一芯片上。因此，通常將它們合起來統(tǒng)稱為中央處理器（Central Processing Unit），簡(jiǎn)稱CPU。雖然經(jīng)歷了60年的發(fā)展，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，但其實(shí)現(xiàn)的功能（指令控制、操作控制、時(shí)間控制和數(shù)據(jù)加工）是不變的。

計(jì)算機(jī)的核心是CPU，要想真正掌握計(jì)算機(jī)工作原理，首先要懂得CPU的工作原理。而要懂得CPU的工作原理最有效的途徑就是掌握設(shè)計(jì)CPU的方法、步驟和具體的技能。同理，掌握計(jì)算機(jī)工作原理最有效的方法是學(xué)會(huì)在邏輯上設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的技能。為了進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際和拓展同學(xué)們的視野，我們分析和講述了當(dāng)前市場(chǎng)上最先進(jìn)的CPU及微機(jī)所采用的新技術(shù)，如CPU的字長(zhǎng)、Cache 的大小和級(jí)數(shù)、最大和實(shí)際的尋址空間、擁有的流水線條數(shù)、超線程、工藝制程和核心電壓、支持的最高頻率和指令集、最新南北橋主要技術(shù)指標(biāo)及前端總線（FSB）的速度和內(nèi)存帶寬等，拉近了與同學(xué)們的距離并激發(fā)了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)這一思路，提出學(xué)習(xí)這門課程應(yīng)達(dá)到如下目的：

·掌握設(shè)計(jì)CPU的方法、步驟和具體的技能；

·具備邏輯上設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的能力；

·熟悉現(xiàn)代微機(jī)所采用的新技術(shù)，了解下一代CPU發(fā)展的新動(dòng)態(tài)。

講述設(shè)計(jì)CPU知識(shí)，首先要解決同學(xué)們的思想認(rèn)識(shí)問題。不要一談到CPU就只想到Pentium 4甚至雙核CPU Pentium D。因?yàn)镃PU有通用、專用、嵌入式系統(tǒng)等多種類型。對(duì)于已經(jīng)發(fā)展了60年的通用CPU大致可分為如下幾類：

① 馮·諾依曼型CPU

運(yùn)算器、控制器

② 現(xiàn)代簡(jiǎn)單CPU

運(yùn)算器、控制器、寄存器（專用和通用）

③ 現(xiàn)代較復(fù)雜CPU

運(yùn)算器、控制器、寄存器（專用和通用寄存器堆）、Cache、流水線

④ 現(xiàn)代復(fù)雜CPU

運(yùn)算器、控制器、寄存器堆、多級(jí)Cache、多條流水線

⑤ 雙核（多核）CPU

我們要求掌握的是現(xiàn)代簡(jiǎn)單CPU設(shè)計(jì)方法、步驟和技能，而非高端產(chǎn)品Pentium 4的技術(shù)。在此基礎(chǔ)上為日后開發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專用CPU（如專用于空調(diào)機(jī)、微波爐、洗衣機(jī)等）和嵌入式系統(tǒng)的CPU（用于手機(jī)或小汽車等機(jī)電一體化）奠定基礎(chǔ)。據(jù)預(yù)測(cè)到2010年我國(guó)對(duì)這兩類CPU的需求消耗量將達(dá)到6000億元人民幣。這樣，同學(xué)們的視野就開闊了。更重要的是學(xué)習(xí)興趣和自信心都大大提高了。這樣一來，就自然會(huì)把同學(xué)們被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)。從而激發(fā)了他們強(qiáng)大的學(xué)習(xí)動(dòng)力，為能達(dá)到這樣的學(xué)習(xí)目標(biāo)，他們會(huì)認(rèn)真搜集有關(guān)資料，會(huì)努力配合老師的講課內(nèi)容和進(jìn)度做預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。在充分調(diào)動(dòng)了同學(xué)們的學(xué)習(xí)積極性后，為加強(qiáng)同學(xué)之間的合作精神，我們布置了一個(gè)基于RTL（寄存器描述語言）由兩人一組完成的大作業(yè)——“設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)代簡(jiǎn)單CPU”（指令集根據(jù)需要而確定。分別用硬布線和微程序兩種方法，并比較兩者的優(yōu)缺點(diǎn)）。

完成這個(gè)課題后，同學(xué)們馬上就會(huì)想到如何提高CPU的速度和功能等問題，通用寄存器、新的數(shù)據(jù)表示、新的指令（保證向上兼容）、雙總線、三總線、Cache、流水線……這正是他們今后能夠深入并有能力解決的問題。

關(guān)于設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)，我們可以考慮給出一個(gè)完整的但不十分復(fù)雜的計(jì)算機(jī)主機(jī)板部分作為范例，至少必須包括有CPU、存貯器、I/O端口。這樣同學(xué)們就更容易、更具體地掌握CPU和存貯器連接的三類線(數(shù)據(jù)線、地線線、控制線)；體會(huì)到存貯器組織的幾種方法（存貯器的位擴(kuò)展、字?jǐn)U展、位字同時(shí)擴(kuò)展）；由于有I/O端口，可分別考慮I/O統(tǒng)一編址和I/O獨(dú)立編址的設(shè)計(jì)。通過上述兩個(gè)綜合應(yīng)用的實(shí)例能很好地解決同學(xué)們普遍存在的“對(duì)于課本的內(nèi)容拆開來都能理解，但合起來就不知所云了”這類致命的學(xué)習(xí)問題。

絕大多數(shù)同學(xué)在做完設(shè)計(jì)CPU課題后寫出了感想，大家的感受都體現(xiàn)了努力后的那“一分耕耘，一分收獲”的成就感和滿足感，且這種感受是無法用語言表達(dá)的。同時(shí)又發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)CPU不像原先想象中的那么“難以靠近”。2002級(jí)4班有一位同學(xué)這樣寫到：“由于以往對(duì)硬件方面的學(xué)習(xí)大多數(shù)只停留在理論，或者是去實(shí)驗(yàn)室作簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，而并沒有聯(lián)系實(shí)際，去體會(huì)它們的工作原理。特別是像CPU這么核心的技術(shù)，光懂得原理的話，可能過一兩年又會(huì)忘得差不多了。但是現(xiàn)在，不但可以更深刻地體會(huì)和學(xué)習(xí)CPU的工作原理，而且還掌握了一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)，我想所有人過十年，二十年后還是不會(huì)忘記的。理論離開了實(shí)踐，永遠(yuǎn)只是虛無的理論，猶如紙上談兵。在目前普遍缺少實(shí)踐指導(dǎo)的學(xué)習(xí)上，老師要求我們?cè)鰪?qiáng)實(shí)踐能力，是反映了同學(xué)的心里期望的。盡管這個(gè)學(xué)期任務(wù)非常重，但是大家沒有半句怨言。所以，這說明了設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)CPU是我們心里非常想學(xué)的東西。因此，我強(qiáng)烈希望這樣的措施可繼續(xù)實(shí)施下去，辛苦老師了。”

3實(shí)施的成效

計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)改革的思路和目標(biāo)在我們學(xué)院已實(shí)施了兩屆（第一次是在2002級(jí)）。2005年12月5日開始，教育部對(duì)我校進(jìn)行本科教學(xué)工作水平評(píng)估，并聽取了我講授2003級(jí)的該門課程，得到專家組的一致肯定。此外，還可從這兩屆學(xué)生的體會(huì)、反應(yīng)和圖1數(shù)據(jù)得出，教學(xué)的效果非常理想，教學(xué)的目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)。2006年9月在2004級(jí)也實(shí)施這一改革理念。

為了準(zhǔn)確掌握這一改革的真實(shí)情況，對(duì)2002級(jí)（1～6班，回收問卷191份）、2003級(jí)（1～5班，回收問卷207份）全級(jí)都作了如下的問卷調(diào)查：“你認(rèn)為本學(xué)期所進(jìn)行的《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的教學(xué)改革是否有必要？”四選一回答：很有必要、有必要、無意見、無必要。

結(jié)果是：回答很有必要 302人、有必要 89人、無意見 5人、無必要 2人。參看圖1。

4結(jié)束語

上述強(qiáng)調(diào)的“自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CPU”在非常時(shí)期對(duì)國(guó)家的安全起到了關(guān)鍵性的作用，以導(dǎo)彈和導(dǎo)航系統(tǒng)為例，必須用“有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CPU”才能從根本上完全掌握和控制其發(fā)射和運(yùn)行軌道的正確性和可靠性。

中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)路甬祥院士在廣州舉行的“第七屆海內(nèi)外設(shè)計(jì)與制造科學(xué)會(huì)議”作報(bào)告時(shí)指出：“如過多依賴國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)而沒有自己的創(chuàng)新，自給率低；高層次人才嚴(yán)重缺乏，特別是能參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略科學(xué)家太少。目前制造業(yè)的許多領(lǐng)域還停留在國(guó)際價(jià)值鏈分工的低端，改變這種狀況必須在制造業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)造中國(guó)人自己的設(shè)計(jì)理論、方法和先進(jìn)制造工藝技術(shù)，創(chuàng)造具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的裝備、儀器、工程系統(tǒng)。長(zhǎng)期從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用及研究的專業(yè)人士指出“微處理器的研發(fā)絕對(duì)是一個(gè)國(guó)家的計(jì)算機(jī)水平的尖端體現(xiàn)”。

大家是否有發(fā)現(xiàn)，形形色色的 OEM和并非少數(shù)的ODM其實(shí)是我國(guó)IT產(chǎn)業(yè)的“毒品”。尤其是在硬件方面幾乎處處出現(xiàn)了瓶頸。究其原因使我們不能不正視產(chǎn)業(yè)中的核心技術(shù)——CPU!!!

中華民族創(chuàng)造的古老文明，可以說是地球上唯一歷數(shù)千年而不衰的文明。然而，我們也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，審視我們的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明，唯獨(dú)缺少誕生在這片土地上的創(chuàng)新貢獻(xiàn)。問題出在哪里？其中一個(gè)因素應(yīng)該是我們的大學(xué)到現(xiàn)在還沒有培養(yǎng)出能掌握這一核心技術(shù)的大量合格人才，離創(chuàng)新的路就更加漫長(zhǎng)了。

我們正是基于這一目的而邁出的第一步。只要堅(jiān)持不懈，中華民族設(shè)計(jì)的各類CPU終有一日能達(dá)到世界先進(jìn)水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫強(qiáng)南，孫昱東．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［Ｍ］．北京：科學(xué)出版社，1997．

[2] 白中英．計(jì)算機(jī)組成原理［Ｍ］（第三版）．北京：科學(xué)出版社，2001．

[3] 廣州日?qǐng)?bào).2004-1-19（5）．

[4] 廣州日?qǐng)?bào).2006-6-21（5）．

[5] 郝柏林，張淑譽(yù)．?dāng)?shù)字文明物理學(xué)和計(jì)算機(jī)［Ｍ］．北京：科學(xué)出版社，2005．

[6] 唐朔飛．計(jì)算機(jī)組成原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2000．

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文