“計算機組成原理”與“計算機系統結構”教學研究

摘要：本文針對CP與CA課程內容重復的問題進行研究，在全面分析研究兩門課程的性質和關系的基礎上，合理地調整兩門課程的內容，實際試用取得了一定的效果。

關鍵詞：CP；CA；教學內容；內容重復

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

1 引言

“計算機組成原理”(CP)是高校計算機專業學生的一門必修的專業技術基礎課，它不僅可使學生剖析和體驗計.算機的基本組成和工作原理，掌握計算機系統的基本設計技術，而且可培養學生分析和解決數字系統實際問題的能力，同時也是培養計算機系統分析、系統設計和系統集成技術人員的一個有效的教育環節。它在整個專業課的教學中，起到了承上啟下的作用，是“微機接口技術”、“匯編語言程序設計”、“計算機系統結構”等后繼課程的基礎。該課程以計算機5大部件內容為主線，以內部結構和工作原理為重點，介紹計算機內部各功能部件的結構和工作原理及其構成整機的原理。

“計算機系統結構”(CA)是計算機領域中的一門重要學科，它強調從總體結構和系統分析這一角度來研究計算機系統。學習本課程，對于培養學生系統地、自上而下地分析和解決問題的能力和抽象思維能力有著非常重要的作用。本課程通過講解計算機體系結構的新發展，把國內外體系結構方面比較成熟的研究成果和關鍵技術融入課程當中，并把前續的“數字邏輯”、“計算機組成原理”、“操作系統”、“編譯原理”、“數據結構”、“匯編語言程序設計”等課程中所需的軟硬件知識有機地結合起來，從而建立起計算機系統的完整概念。

由此可見CP與CA有著緊密的聯系，在現有的教材中甚至出現了比較多的重復，在學生中引起比較大的反應。本文主要針對這一問題進行研究，擬在理順這兩門課的關系，調整好兩門課程的教學內容。

2 教學內容的研究

在cP與CA系列教材中，兩門課程出現重復的內容有：計算機系統的層次結構和計算機系統的性能指標；浮點數據的表示、尋址技術、指令格式的優化設計、復雜指令系統(CISC)和精簡指令系統(RISC)：高速緩沖存儲器(Cache)和虛擬存儲器工作原理和地址的映像與變換；輸入輸出系統的原理和方式、中斷系統的工作原理：流水線工作原理。重復的結果不僅占用了CA課程寶貴的課時，而且使學生產生了厭學情緒。CP與cA兩門課程究竟如何分工?該不該重復?又該怎么重復?是教學中值得研究的問題，也是亟待解決的問題。

在課程內容的選擇上，以教學大綱為依據，按照學科知識體系的完整性和適時性原則組織課程內容。在內容上做到沒有知識的簡單重復、沒有重要知識的缺失，同時要刪除已過時知識，并補充新知識，從內容方面激發、吸引學生的學習興趣。本文重點研究分析重復內容的必要性、可完善性和創新性。

對于計算機系統的層次結構，在CP中作為概述來介紹，以了解微程序在計算機系統層次結構中的位置，可以更好地理解軟件、硬件、固件的地位和作用；而在CA里則是從概念和功能上將計算機系統看成多級層次結構，這樣有益于理解各種語言的實質和實現途徑，探索虛擬機新的實現方法和新的系統設計。所以計算機系統的層次結構的概念在CP課程和CA課程中是必需的內容。

關于計算機系統的性能指標，由于在CP中講述的是馮·諾依曼體系結構各組成部分的工作原理，所以了解各組成部分的性能指標是必要的；而在CA課程中用性能指標來衡量計算機系統的標準，所以有必要更深入分析CPU時間、MIPS、MFLOPS和成本指標。

對浮點數據的表示，在CP課程中介紹了浮點數據的表示格式和表示范圍，在CA課程中不必再重復，只需介紹浮點數的基數的選擇、表數精度和表數效率，然后介紹浮點數的IEEE 754表示；當然對于高級數據的表示，在CA課程中是必需的。

對于指令系統，在CP中介紹指令的格式、尋址方式和操作碼的擴展編碼方式，最后介紹CISC和RISe的概念和示例；在CA課程中主要介紹指令格式的優化，CISC和RISC設計的關鍵技術。

輸入輸出系統的原理和方式、中斷系統的工作原理在兩門課程中是重復最多的一部分，CA較CP多出了通道處理機和輸入輸出處理機簡介，可以歸入CP課程。但考慮到中大型計算機的輸入輸出系統在計算機系統結構中是很重要的部分，所以可以將通道處理機和輸入輸出處理機在CA中介紹，同時將CP中的系統總線簡介也歸于系統結構，并從系統設計的角度去介紹。

高速緩沖存儲器和虛擬存儲器工作原理以及地址的映像和變換在兩門課程中也是重復較多的。在CP中可以僅介紹其工作原理；而在CA課程中重點在于其性能分析，深入學習替換算法及其實現，分析提高存儲器系統命中率和性能的方法。

對于流水線工作原理，在CP中僅介紹了流水線、數據相關和控制相關的概念，但在CA中要學習流水線處理機、超標量處理機與超流水處理機，其中包括先行控制技術、流水線原理、流水線性能分析、非線性流水線的調度方法、局部數據相關和全局數據相關、超標量超流水超長指令字處理機和向量流水和向量處理機，其內容遠多于CP，因此這部分內容完全歸入CA比較合理的。

在CA與CP中的未重復的內容，比如向量處理、SIMD并行計算機、SIMD計算機的互連網絡、多處理機將作為重點內容在CA中介紹。而在以上分析中，由于CA課程的內容部分歸入了CP，所以可以在CA課程中添入新的內容，比如多處理機算法，包括并行搜索算法、串行算法到并行算法的轉換、同步并行算法和異步并行算法，并行程序設計語言及其實現方法。最后可以介紹計算機體系結構的新發展，包括數據流計算機、數據庫機與知識庫機以及面向函數程序設計語言的歸納機。

以上對CP與CA兩門課程的重復內容進行了分析研究，擬在理清兩門課程的關系，合理解決兩門課程的內容重復問題。

3 解決方案

解決該兩門課程內容重復的宗旨在于把握CP注重原理介紹，而CA注重高性能設計和并行處理。通過對兩門課程的內容的研究和分析，調整后的內容如表1所示。

將表1中CP的第2、5章與CA的第2章、CP的第7章與CA的第3章、CP的第4章與CA的第4章分別進行比較，雖然在章名上有些類似，但其內容并沒有重復。一個注重原理，另一個側重系統性能、并行處理系統以及進一步提高計算機性能的新技術。CP是CA的基礎，CA是CP的擴展，從提高計算機系統結構性能的角度出發，從單處理機走向并行處理機，走向新型體系結構的計算機，這正是CA的研究方向，展示了計算機系統結構研究的美好前程。

4 結語

本文旨在通過合理的安排兩門專業必修課程的內容，解決CP課程與CA內容重復的問題。其研究成果首先從課件調整開始，已經試用了一屆學生，取得了一定效果，學生反映課程重復的意見減少了。后期工作將在教材改版時全面實施。從表面上來看本研究是調整好兩門課程的內容；而深層次上是在學習原理的基礎上，研究提高計算機系統結構性能的方法與技術，對新型計算機系統結構進行學習與研究，有望在不久的將來打破馮·諾依曼計算機體系結構的模式，在計算機體系結構的設計上來一個質的飛躍。本文的研究成果對大學本科教學中這兩門課程的教學與新型計算機系統結構的深入研究有重要的意義。