“計算機組成原理”實踐教學探討

文章編號：1672-5913(2008)20-0082-02

摘 要：本文主要探討了計算機專業主干課程“計算機組成原理”的課程實現問題，分析比較了University of California at Berkeley、Carnegie Mellon University、清華大學和我校等幾所大學“計算機組成原理”課程的教學情況，探討了作為“計算機組成原理”的重要實踐環節的“計算機設計與實踐”課程的綜合性、創新性實踐教學模式，有助于提高“計算機組成原理”課程的教學質量。

關鍵詞：計算機組成原理；計算機設計與實踐；實踐教學；綜合能力

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

1 引言

“計算機組成原理”是硬件系列課程中的核心課程，是計算機專業重要的專業基礎課，它對其它課程有承上啟下的作用，它的先修課程為“匯編語言”、“數字邏輯”，它又與“計算機系統結構”、“操作系統”、“計算機接口技術”等課程密切相關。主要教學任務是培養學生對計算機硬件結構的分析、應用、設計和開發能力。“計算機設計與實踐”課程作為“計算機組成原理”課程的后續課程和實踐環節，將計算機組成原理課程的教學內容深化到應用實踐，教學過程中不僅僅傳授有關硬件設計的課本知識，更重要的是重視理論知識與實踐過程的結合，實踐教學內容不僅要將組成原理知識應用到實踐中，還需將知識綜合靈活運用，重視學生綜合能力和創新能力的訓練和培養[1]。

本文主要探討“計算機組成原理”的課程實現問題，對University of California at Berkeley、Carnegie Mellon University、清華大學和我校等幾所國內外知名大學所開設的“計算機組成原理”課程進行多方面的比較、分析研究，以期為“計算機組成原理”這門重要課程的課程設置和教學實踐提供借鑒，提高課程的教學質量，與國際化接軌。

2 國內外教學情況

2.1 UC Berkeley

UC Berkeley大學的課程名稱為“Machine Structures[2]”，選用教材為Patterson和Hennessy的“Computer Organization and Design: The Hardware Software Interface， Third Edition”。參考教材為Kernighan和Ritchie的“The C Programming Language， Second Edition”。

課程從機器結構高層設計的抽象描述到基本邏輯部

件的CPU設計，用C語言和MIPS匯編語言來介紹機器的抽象描述。課程內容主要有數的表示、C語言簡介、存儲管理、MIPS、浮點表示、輸入輸出、中斷、磁盤存儲、網絡、緩存系統、虛擬存儲器、邏輯設計、CPU結構，包括CPU數據通路、CPU控制等和流水線技術。

對應教學內容，都有相關的實驗教學，培養學生編寫和調試C和匯編語言的編程能力和用硬件描述語言模擬硬件的能力。相應的作業和設計題目強化學生對機器結構和實現的理解，簡單的設計包括用C語言寫的機器語言解釋器，緩存模擬器和一個CPU模擬器。

UC Berkeley大學的課程主要講授C和匯編語言編程，高級語言如何轉換為機器語言，計算機的體系結構，中斷，緩存，地址映射，CPU設計等，課程內容較廣。

2.2 Carnegie Mellon University

Carnegie Mellon University大學的課程名稱為“Computer Architecture[3]”，選用教材也是Patterson和Hennessy的“Computer Organization and Design: The Hardware Software Interface”，參考教材為Donald Thomas的“The Verilog Hardware Description Language， Fifth Edition”。

課程講授如何選擇和連接硬件元件來創建一個滿足功能、性能和成本需求的計算機，介紹了現代計算機的基本的硬件結構，如何用Verilog語言設計處理器的控制單元和數據通路，如何使機器指令同時執行，以及怎樣設計快速存儲系統。

教學形式包括課堂講授、作業、實驗和報告。

為了培養學生的計算機系統設計和實現能力，實驗要求學生用Verilog實現一個具有緩存和分支功能的超標量流水線處理器，處理器實現MIPS指令集的一個子集。

成績評定方式為作業占10%(共有10次作業)，實驗占30%(共有5次實驗)，兩次期中考試(各占15%)，期末考試占30%。

2.3 清華大學

清華大學的課程名稱為“計算機組成原理[4]”，選用教材為王誠的《計算機組成與設計》。

課程主要介紹簡單、完整、單處理器計算機的基本組成原理和內部運行機制，主要講授數據表示、運算和運算器部件，指令、指令系統和控制器部件，多級結構的存儲器系統，輸入/輸出設備與輸入/輸出系統等。課堂教學48學時，實驗32學時，其中16個課內學時和16個課外學時。實驗分為兩部分，第一部分為原理驗證性實驗，第二部分為工程設計項目，采用教學計算機TEC-2000實驗平臺。驗證性實驗題目為“TEC-2000-16位機教學計算機的簡單用法與運算器實驗(2學時)”和“TEC-2000-16位教學計算機的控制器實驗(2學時)”，工程設計項目題為“設計與實現TEC-2000 8位教學計算機系統(28學時)”，要求學生在實驗中，以16位教學計算機及其軟件模擬系統為基礎，獨立設計和實現一臺8位的計算機。

考核方式包括作業、驗證實驗，大實驗、學習報告和期末考試。

3 我校“計算機組成原理”教學情況

我校的課程“計算機組成原理”，選用教材為唐朔飛的《計算機組成原理》。

課程旨在使學生掌握計算機硬件各子系統的組成原理及實現技術，建立計算機系統的整體概念，主要講授系統總線、存儲器、輸入輸出系統、數的表示、計算機的運算方法和運算器、指令系統、CPU的結構和功能、控制單元和控制單元的設計。課堂教學52學時，實驗16學時。為更好突出對學生能力的培養，做到教師與學生按1:15的比例，體現了個性化教學的思想。共有6個實驗題目，包括存儲器實驗(設計型，3學時)、基本輸入輸出實驗(綜合型，3學時)、中斷實驗(驗證型，2學時)、運算器實驗(綜合型，2學時)、控制器實驗(設計型，3學時)和綜合設計(綜合設計型，3學時)。實驗成績根據預習、表現、報告等方面綜合打分。

成績評定由三部分組成，.期末考試占總成績的80%，平時作業占總成績的10%，實驗能力占總成績的10%。

為了進一步提高學生的動手能力和獨立創新地解決實際問題的能力，除了實驗課外，還增設了實踐性很強的“計算機設計與實踐”課，作為計算機組成原理的必要補充。該課程是一門以應用為視角，進一步提高學生硬件方面的實際動手能力和設計能力的課程。課程采用理論和實踐相結合的方法進行教學，以實踐為主(18學時授課/60學時實驗)，要求學生掌握有關硬件設計工具的功能和用法，初步掌握計算機部件和CPU的設計方法和調試方法，極有利于提高學生的動手能力和創新能力。

計算機設計與實踐課程對于提高學生的綜合素質、培養學生的創新精神與科學實踐能力具有特殊的作用，著重培養學生的以下能力。

●系統級的認識能力。建立整機概念，掌握自頂向下的問題分析能力，既能理解系統各層次的細節，又能站在系統總體的角度從宏觀上認識系統，然后將系統很好的分解為功能模塊。這種理解必須超越各組成部分的實現細節，而認識到計算機的軟件系統和硬件系統的結構以及它們建立和分析的過程，這一過程是應該以深入理解計算機組成原理為基礎的。

●培養學生理論聯系實際的能力。計算機實踐教學是計算機課程的重要環節，學好計算機僅靠理論知識是不夠的，課堂講授是使學生掌握計算機的基本知識和基本技能，而計算機實踐教學的目的是要通過實際操作將所學到的知識付諸實際，是課堂教學的延伸和補充[5]。計算機設計與實踐就是從理論、抽象、設計三個方面將計算機系統內部處理器、存儲器、控制器、運算器、外設等各個部分聯系起來，達到互相支撐、互相促進的目的。

●培養學生完成工程項目能力。計算機設計與實踐課程不僅僅是對理論的驗證，重要的是技術訓練和能力培養，包括動手能力、分析問題和解決問題的能力、書寫能力和表達能力、團隊協作能力等的培養，也就是要注重學生的工程能力，培養學生完成項目實踐的能力。

在計算機設計與實踐課程中，對學生來說，要求學生完成的設計內容是一個相對較大的設計項目，這樣的項目涉及到不同課程中所學原理的應用，從而可以使學生把各階段所學的內容都聯系起來，達到綜合應用的目的。

4 教學分析

從上述幾所學校的課程教學情況可以看出，目前“計算機組成原理”課程的教學基本上都是采用“課堂教學+課程項目實驗”的模式，課堂教學講授基本概念和理論知識，項目實驗主要是為了加深對基本概念和理論知識的理解及培養動手能力。教學的主要內容包括數據信息的表示，運算器，指令流程，微程序控制，組合邏輯控制，存貯系統，I/O，基本外設等。國外大學側重于系統結構，側重于軟硬件接口，而國內大學側重于組成，側重于邏輯實現。比較而言，國外的教材在新技術的介紹、教材的更新換代方面較有優勢。

從實驗內容的設計上，基本都涵蓋了驗證型、設計型和綜合型實驗內容，最終都以實現一個處理器作為綜合設計型實驗內容。我校在“計算機組成原理”課程之后更開設了一門實踐性為主的“計算機設計與實踐”課程，來加強實踐教學。

從考核方式看，考核形式都比較多樣，包括作業、實驗、報告和考試等。在考核方式上，我校的計算機組成原理課程略顯單一，主要以期末考試成績為主。

通過以上各學校課程教學情況的分析，可以看出，我校的計算機組成原理課程在教學模式、教學內容和實驗內容上都基本與國外一流大學接近。

在教學內容上，我們應適當引進介紹當前計算機發展的新技術，或指定一兩本課外參考書，使學生除了掌握計算機的基本原理和理論外，還能了解當前計算機的新進展、新技術。

在考核方式上適當增加實驗的比重，增加大作業、報告等考核形式，使考核形式更多樣化。

參考文獻

[1] 向琳，左德承，羅丹彥，張展，唐朔飛．“計算機設計與實踐”課程創新性實踐教學探索[J]．計算機教育，2007，(3).

[2] 龔聲蓉，楊季文，朱巧明．強化實踐能力，培養計算機科學與技術專業工程型人才[J]．計算機教育，2006，(2).