構(gòu)建新的《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程體系初探

蔡啟先　王智文　何海釗

摘要：結(jié)合應(yīng)用型專業(yè)教育特點(diǎn)，明確教學(xué)目標(biāo)，強(qiáng)化微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容，引入DLX虛擬處理器實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建既有理論又有實(shí)踐的新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程體系；并且利用信息技術(shù)，努力實(shí)現(xiàn)課程的立體化；從而促使《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程建設(shè)再上新臺(tái)階。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；課程體系；DLX虛擬處理器；立體化課程

中圖分類號(hào)：640文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)18-21ppp-0c

Research and Practice of the Computer Architecture Course System for Applied Type Undergraduate

CAI Qi-xian1, WANG Zhi-wen1，HE Hai-zhao2

(1.Department of Computer Engineering, Guangxi University of Technology, Liuzhou 545006, China; 2. Library, Guangxi University of Technology, Liuzhou 545006, China)

Abstract:According to the applied type the profession education characteristics and teaching goal, form the new Computer Architecture course system with increasing microcomputer architecture contents and introduce into the DLX virtual processor experiments. And make use of the information technique, work hard to carry out a stereo course, that enhance teaching quality of the course.

Key words: Computer Architecture; Course system; DLX virtual processor; Stereo course

1 引言

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)歷來為高校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)必修的主干專業(yè)基礎(chǔ)課。計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史說明，計(jì)算機(jī)性能的不斷提高必須依靠器件的變革和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。今天，在器件潛力幾乎達(dá)到極限的情況下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)尤為重要。該門課程主要反映現(xiàn)代計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的新思想新技術(shù)，如流水線處理、向量處理、并行處理、多處理機(jī)結(jié)構(gòu)等等，要求學(xué)生從分析和評(píng)測(cè)的角度把握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生掌握和應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來處理復(fù)雜計(jì)算問題具有重要意義，也為學(xué)生今后從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件開發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。對(duì)這樣一門核心課程，如何突出地方院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色，研究和提高本課程的教學(xué)質(zhì)量，給我們提出了新的挑戰(zhàn)。

國家教育部在《高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃》中明確指出要“面向21世紀(jì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科技、文化的發(fā)展，改革我國高等教育中與其不相適應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和課程體系。”，該計(jì)劃把 “基礎(chǔ)課程、核心課程的教學(xué)內(nèi)容體系及教材；教學(xué)手段、教學(xué)方法的創(chuàng)新。” 列為改革的主要內(nèi)容[1]。因此，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異、計(jì)算機(jī)應(yīng)用迅猛擴(kuò)展深入的今天，在高校教育逐步由精英教育向大眾化教育轉(zhuǎn)移的今天，在地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展大量地普遍地需要工程應(yīng)用型計(jì)算機(jī)人才的今天，必須重新審視這門課程的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，按照應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)和定位，構(gòu)建新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程體系，從而提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程具有下述特點(diǎn)：

1) 綜合性強(qiáng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般安排為計(jì)算機(jī)專業(yè)高年級(jí)課程，它需要用到幾乎所有計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)和相關(guān)的前繼專業(yè)課程知識(shí)。主要有：計(jì)算機(jī)組成原理、匯編語言程序設(shè)計(jì)、高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯原理等課程。教學(xué)中要求學(xué)生對(duì)各課程知識(shí)融會(huì)貫通，教學(xué)難度較大。

2) 理論性強(qiáng)。內(nèi)容抽象繁雜，概念多，教學(xué)處理不好的話，容易讓學(xué)生感到學(xué)習(xí)乏味，明顯增加了教學(xué)難度。

3) 本課程教材內(nèi)容多是針對(duì)大中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)描述，常以一般學(xué)生接觸不到的機(jī)型作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)舉例，而結(jié)合微機(jī)應(yīng)用實(shí)際，結(jié)合現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展的內(nèi)容幾乎沒有，嚴(yán)重脫離學(xué)生實(shí)際。

4) 缺乏實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生無法獲得對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能改進(jìn)的直觀認(rèn)識(shí)。如果真正要求學(xué)生對(duì)其理論與技術(shù)有直觀的接觸，則需要深入到現(xiàn)代大中型計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行實(shí)踐，這對(duì)我國絕大多數(shù)高校來說是不可能做到的。因此，長期以來，我國高校在開設(shè)這門重要課程時(shí)，僅僅停留在理論講授上，相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)尚是空白，學(xué)生面對(duì)枯燥理論，學(xué)習(xí)興趣大減，這對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量帶來極大障礙。

3 新課程體系的研究和建設(shè)

針對(duì)這門課程的原有特點(diǎn)和不足，我們從以下三方面更新了該課程體系的研究和建設(shè)：

1) 修改教學(xué)要求，明確教學(xué)目的。

我們把對(duì)現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析和評(píng)測(cè)作為學(xué)生意義構(gòu)建的主要目標(biāo)。很難想象，一個(gè)生活工作在微機(jī)廣泛應(yīng)用的信息化時(shí)代的計(jì)算機(jī)高級(jí)技術(shù)人員，如果對(duì)微機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)知之甚少，又怎么能夠用好微機(jī)呢？因此，在認(rèn)識(shí)和了解一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新技術(shù)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學(xué)是完全必要的。

2) 在總的教學(xué)目標(biāo)要求下，大刀闊斧地對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重組，構(gòu)建符合教學(xué)目標(biāo)，既有理論又有實(shí)踐的新的課程體系。

我們積極開展本課程教學(xué)內(nèi)容改革，注意吸收國內(nèi)外同類教材教學(xué)思路，結(jié)合地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)的要求，在教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行壓縮和擴(kuò)充，精簡了有關(guān)大中型計(jì)算機(jī)的過多介紹，增加和突出微機(jī)上常用的新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，突出基本知識(shí)，注意和前繼課程的內(nèi)容貫通，形成具有自己特色的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)大綱。

理論上，既講清一般原理，又緊密結(jié)合微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。比如，結(jié)合80X86指令系統(tǒng)，闡述從CISC到RISC的發(fā)展；在介紹各項(xiàng)新技術(shù)時(shí)，盡量例舉微機(jī)上應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的實(shí)例。如Pentium的4級(jí)整數(shù)流水線、8級(jí)浮點(diǎn)流水線，Pentium的分支預(yù)測(cè)策略等。我們還以“奔4：奔騰不已的‘芯”為題，專門介紹Pentium 4的NetBurst微結(jié)構(gòu)，從Willamette核心、Northwood核心到Prescott核心的不斷發(fā)展，所面臨的問題及Core微架構(gòu)的面世，同時(shí)還涉及到同時(shí)代CPU產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)情況。應(yīng)該說，結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原理比較全面地介紹了與學(xué)生密切相關(guān)的微機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

如何在常規(guī)的條件下例如利用普通的微型計(jì)算機(jī)，讓學(xué)生直接用到有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新思想和新技術(shù)，得到實(shí)踐學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，從而大大提高學(xué)生對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，大大提高這門重要課程的教學(xué)效果，值得我們花大氣力進(jìn)行研究。為此，我們引進(jìn)了DLX虛擬處理器實(shí)驗(yàn)。

DLX處理器是1995年美國斯坦福大學(xué)的John L.Hennessy和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的David A.Patterson在其“Computer Architecture-A quantitative approach”一書中首次提出的一個(gè)虛擬的32位處理器。該處理器不僅體現(xiàn)了當(dāng)今多種機(jī)器（如AMD 29K，DEC station 3100，HP 850，IBM 801，Intel i860，MIPS M/120A，MIPS M/1000，Motorola 88K, RISC I,SGI 4D/60, SPARCstation-1, Sun-4/110, Sun-4/260等）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)，還將體現(xiàn)未來一些機(jī)器的設(shè)計(jì)思想[2]。特別是，DLX虛擬微處理機(jī)提供了一個(gè)基于PC機(jī)的研究平臺(tái)，研究者可以在PC機(jī)上模擬新的處理機(jī)技術(shù)。清華大學(xué)著名教授鄭緯民在其著作中專門介紹了DLX虛擬微處理機(jī)，并指出：“通過了解DLX處理機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并利用DLX模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以幫助讀者綜合地了解和運(yùn)用有關(guān)處理器指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、流水線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等方面的知識(shí)，有助于對(duì)本書前面章節(jié)所述內(nèi)容的理解。”[3]

我們?cè)谌媪私釪LX虛擬處理器的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，探討從“軟”的角度，利用DLX虛擬處理器進(jìn)行處理器指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、流水線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、并行處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等帶有新一代處理器思想和技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)體系，總結(jié)出有典型教學(xué)意義的實(shí)驗(yàn)[4~6]；并編寫相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教材，注重設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練。比如，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)軟件，模擬采用旁路技術(shù)消除數(shù)據(jù)相關(guān)，采用增加運(yùn)算單元的方法消除控制相關(guān)，采用優(yōu)化程序的方法來提高流水線的性能等。此外，我們開辟了一些有關(guān)Cache、CPU性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)，形成一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)體系。這是一項(xiàng)難度較大的具有開創(chuàng)意義的教學(xué)研究工作。

3) 革新教學(xué)方法手段，利用信息化技術(shù)，努力構(gòu)建立體化的課程體系。

我們自行制作CAI課件，以多媒體的形式精心展現(xiàn)課程內(nèi)容，形象地講解理論，化解難點(diǎn)，融匯前繼課程知識(shí)，雖然為此付出了很大的心血，但是保證了全部理論課在多媒體電教室上課，取得了很好的教學(xué)效果。同時(shí)研制實(shí)踐教學(xué)軟件，以多媒體形式介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作過程，并以網(wǎng)絡(luò)課件形式提供給本校學(xué)生，以便學(xué)生實(shí)驗(yàn)前自學(xué)。

我們充分利用校園網(wǎng)環(huán)境，建立一個(gè)以本門課程為主的基于校園網(wǎng)的教學(xué)網(wǎng)頁，不僅有覆蓋全部教學(xué)內(nèi)容的CAI課件，還有與網(wǎng)絡(luò)電子教案配套的課程介紹、信息發(fā)布、教師答疑、名詞解釋詞典、教學(xué)論壇、實(shí)驗(yàn)探索、習(xí)題與題解、相關(guān)鏈接等輔助網(wǎng)絡(luò)資源。

在課堂教學(xué)上除了用多媒體教學(xué)外，還積極探索開展課堂討論，通過“協(xié)作”、“會(huì)話”等方式引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，在此基礎(chǔ)上，撰寫高質(zhì)量的小論文，很多小論文體現(xiàn)了學(xué)生課堂討論的成果。

本門課程的改革成效已初見端倪，學(xué)生們普遍反映，這門課程好學(xué)實(shí)用，學(xué)了后眼界開闊，有助于全面把握專業(yè)知識(shí)。在學(xué)生評(píng)教活動(dòng)中，本門課程得到了較高的評(píng)價(jià)。

總之，一門課程體系的構(gòu)建，必須與所屬專業(yè)辦學(xué)定位和學(xué)生實(shí)際相適應(yīng)，必須與社會(huì)需求相適應(yīng)，必須與學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)。目前，我們?nèi)栽趯?duì)該課程的立體化和信息化方面進(jìn)行研究、探索，力求完善課程的理論體系、實(shí)踐體系和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境，進(jìn)一步提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國家教育部. 高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃.

[2] John L.Hennessy, David A.Patterson. 鄭緯民, 湯志忠, 汪東升, 等譯. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法（第二版）[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,2002.

[3] 鄭緯民, 湯志忠. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第2版）[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,1998.

[4] 蔡啟先，李日初. DLX處理器整數(shù)流水線性能的研究[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2005,25(12B):374-376.

[5] 蔡啟先，李日初. DLX處理器浮點(diǎn)數(shù)流水線性能的研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程,2006, 32(9):222-224.

[6] 蔡啟先, 李日初，王智文. DLX虛擬處理器流水線向量運(yùn)算的性能研究[J]. 廣西工學(xué)院學(xué)報(bào), 2007,18(1):43-47.

收稿日期：2008-03-22

基金項(xiàng)目：新世紀(jì)廣西高等教育教學(xué)改革工程“十一五”第一批立項(xiàng)項(xiàng)目（168）

作者簡介：蔡啟先（1948-），男，廣西工學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。