計算機組成原理20年建設(shè)效果回顧與展望

[摘要]通過介紹軍械工程學(xué)院計算機組成原理建課和改革20年來的背景、思路、方法，闡述了該項教學(xué)的講授、實驗、課程設(shè)計等各個環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，以及對其進行完善、發(fā)展的諸多努力。再經(jīng)詳細回顧具體實施方法以及真實列舉學(xué)生多年來的工作積累，佐證了組成原理教學(xué)改革的重要意義以及由此而取得的一定成就。進而，對本課程今后的發(fā)展方向和實施過程概要地進行了展望，提出了4點深化建設(shè)的原則。

[關(guān)鍵詞]組成原理;實驗環(huán)境;硬件教學(xué);課程設(shè)計

[中圖分類號]TP391.6[文獻標(biāo)識碼]A[文章編號]1005-4634(2010)05-0034-04

0引言

《計算機組成原理》(以下簡稱“組成原理”)是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的硬件類核心課程。國內(nèi)一些院校正式開設(shè)該課至今適逢20周年，此間計算機技術(shù)得以長足發(fā)展，計算機教育亦獲空前普及，組成原理也已成為諸多院校的重點建設(shè)課程之一。本文主要以軍械工程學(xué)院的實施情況為例并參照部分其它院校的成功做法，作以回顧性的總結(jié)，進而對其發(fā)展予以方向和措施上的展望。

1歷史沿革

組成原理的前身是《計算機原理》，當(dāng)時多以抽象介紹計算機內(nèi)部器件的工作原理為主，缺少相應(yīng)的實驗和驗證，講授難度大、理解效果差。盡管這在早年的技術(shù)背景下無可厚非，且曾大有作用，但終究無法跟上時代的步伐，不能滿足高速發(fā)展的教學(xué)需求。為此，美國計算機教育界于1987年公布了“87教程”對此進行改革。國內(nèi)相關(guān)部門亦同步推出“計算機科學(xué)與工程專業(yè)示范教學(xué)計劃”，進而迅速組織專家編寫組成原理教材，并于1989年在國內(nèi)數(shù)所院校得以試用。

組成原理是一門承上啟下的專業(yè)基礎(chǔ)課，從系統(tǒng)與實現(xiàn)的角度講述計算機組成，并添加了具體的硬件實驗和新的技術(shù)內(nèi)容。這種以同步實驗為要求、真實設(shè)計為背景、實際運行為目標(biāo)的方式，使學(xué)生不但能綜合運用所學(xué)的理論知識完成模型計算機的分析、設(shè)計等實驗，而且在此基礎(chǔ)上可自行把握課程之間的“接口”，較為自然地感受到計算機科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)的“主線”。這樣，其它后續(xù)課程陸續(xù)開設(shè)時，可以處于較為平滑的銜接狀態(tài)，有助于學(xué)生在不同的課程之間形成寶貴的橫向聯(lián)系。

這種方式還為進一步加強學(xué)生的科學(xué)思維修養(yǎng)、形成完整的“硬件課程鏈”起到了積極作用，并使他們能舉一反三、觸類旁通地拓展所學(xué)知識，具體歸納到更為一般的系統(tǒng)模式、結(jié)構(gòu)和規(guī)律的學(xué)習(xí)研究上。因此，該課于數(shù)年之后廣受認(rèn)可，并逐步普及至國內(nèi)大部分理工科院校的計算機專業(yè)。

軍械工程學(xué)院的組成原理課程過渡工作亦于1989年開始。課程組始終關(guān)注國內(nèi)外相關(guān)教改情況，與該領(lǐng)域中的多所領(lǐng)先院校保持長期合作，在課程建設(shè)方面做出不懈努力，以適應(yīng)軍隊相關(guān)學(xué)科建設(shè)和專業(yè)發(fā)展的需要。幾經(jīng)總結(jié)提高后，教學(xué)效果令人滿意，后被評為軍械工程學(xué)該院優(yōu)質(zhì)課程。

2建設(shè)思路

培養(yǎng)高素質(zhì)計算機應(yīng)用人才，無疑是組成原理課程內(nèi)容改革的總體目標(biāo)。而對其實施方式，教育界多有理論和實踐方面的對比[1]、論證和研究[2]。在軍械工程學(xué)院，則是始終堅持“高起點、大跨度、重實現(xiàn)、拓思路”之基本方向，不斷強調(diào)“加強以獨立思維、創(chuàng)新意識為培養(yǎng)目標(biāo)的素質(zhì)教育”和“實施以精講多練、提高能力為主要內(nèi)容的授課方法”，并以此持續(xù)性地指導(dǎo)該課程的整體建設(shè)[3]。

2.1課程內(nèi)容的改革

1)拓展結(jié)構(gòu)。在組成原理課程教學(xué)中，不僅應(yīng)向?qū)W生介紹計算機及主要外設(shè)的基本構(gòu)成和工作原理，而且要從講授內(nèi)容上將運算器、控制器等抽象知識直接拓展至具體、典型的CPU芯片和其它相關(guān)新型器件的實現(xiàn)。除了領(lǐng)悟整機內(nèi)部運作方式的傳統(tǒng)方法，更為重要的是拓展教學(xué)方式和結(jié)構(gòu)，增加實驗環(huán)節(jié)，以同步提高其思考和動手能力。

2)更新內(nèi)容。在教學(xué)內(nèi)容選擇上，始終需要基礎(chǔ)與先進并重，教學(xué)與科研結(jié)合。所謂把握基礎(chǔ)即明確該課程的教學(xué)目標(biāo)，強調(diào)單處理機系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)、理論和實現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生掌握課程的本質(zhì);注重先進則是將成熟的技術(shù)、先進的部件、器件甚至高檔PC機的結(jié)構(gòu)反映在教學(xué)過程中。通過教學(xué)與科研的結(jié)合，可為學(xué)生創(chuàng)造條件、提供機會，適當(dāng)?shù)貜目蒲谐晒惺煜ひ恍㊣SP、FPGA和嵌入式系統(tǒng)等先進技術(shù)[4]，爭取日后能夠盡快適應(yīng)相應(yīng)的硬件工作環(huán)境。

2.2實驗環(huán)節(jié)的改革

1)加強實驗。新器件、新技術(shù)、新方法、新思路的引進，使得傳統(tǒng)教育模式下大多依賴書本知識而無暇它顧的陳舊做法自然受到無法回避的挑戰(zhàn)。動手實驗構(gòu)成了組成原理不可或缺的教學(xué)環(huán)節(jié)，個性與創(chuàng)新更已成為計算機教育工作中的一大特色。學(xué)生在完成基礎(chǔ)實驗后，還能按照自己興趣和能力深化實驗，為此，有些院校還專門對實驗環(huán)境進行了十分深入的研究[5]。

2)增加設(shè)計。改革后的組成原理增加了一個獨立的課程設(shè)計。其核心內(nèi)容就是在前期實驗的基礎(chǔ)上，進行一臺模型計算機的綜合設(shè)計、連接、調(diào)試和運行，培養(yǎng)學(xué)生獨立思維能力和創(chuàng)新意識、提高硬件實驗的技能與制作水平，以完整掌握計算機的基本組成與運行原理。

3)深化應(yīng)用。課程設(shè)計通過強調(diào)工程性和技術(shù)性，還可以進一步拓展學(xué)生的實踐內(nèi)容，包括進行各類串口、并口、電機等與接口技術(shù)相關(guān)的部分實驗。此外，將ISP技術(shù)引入組成原理課程后[6]，能完成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、內(nèi)容更新穎的單片系統(tǒng)研究。

3效果體現(xiàn)

通過多年努力和有效工作，課程組成員逐步豐富了教學(xué)經(jīng)驗，完成了教學(xué)改革的基本要求。授課質(zhì)量的持續(xù)提高和歷屆學(xué)生能力的不斷超越，又促進了軍械工程學(xué)院計算機專業(yè)教學(xué)的整體完善與深化[7]。組成原理的建設(shè)經(jīng)驗主要體現(xiàn)于兩個方面。

3.1教學(xué)綜合環(huán)境的改善

組成原理的創(chuàng)新工作首先體現(xiàn)于“教”，所以在教學(xué)準(zhǔn)備過程中先期開展的內(nèi)容重“軟”，即在教學(xué)思路、模式方面的改革。解決上述問題后，創(chuàng)新工作的焦點又集中于“學(xué)”，因此在教學(xué)實施過程中隨之進行的內(nèi)容偏“硬”，即在環(huán)境、設(shè)施方面的完善[8]。

1)“軟件更新”始于采用全國統(tǒng)編教材。盡管某些版本留有未盡完善之虞，但可通過自編相應(yīng)的實驗指導(dǎo)予以明示，而且可以重點突出針對性、可行性和知識綜合性。主要教材相同，實驗裝置類似，有助于增加不同學(xué)校之間教學(xué)效果的可比性。另外，課堂教學(xué)的“內(nèi)容規(guī)范化、形式多樣化”主要體現(xiàn)于課件制作和網(wǎng)絡(luò)輔導(dǎo)，既具有較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)性和較為完整的藝術(shù)性，又力求樸實、清晰、易于學(xué)生接受，同時還便于日后修改補充。而課程本身的難度、相關(guān)工作的規(guī)模自然要求強調(diào)團隊合作機制和出臺教學(xué)能力提升措施，使得教師之間得以分工合作、相互借鑒、取長補短、共同提高。

2)“硬件升級”首推“實驗設(shè)備綜合化”。在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，軍械工程學(xué)院與許多院校一樣，先后自主開展了實驗器改進[9]、GAL等可編程器件和EDA技術(shù)引入[10]等嘗試，并在穩(wěn)定后落實于后續(xù)的常規(guī)實驗過程，滿足了不同階段、層次的教學(xué)需要。其次為“學(xué)習(xí)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化”。早在1994年，課程組成員就已借助專業(yè)優(yōu)勢，制定了理論與實踐互補、課堂與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的教學(xué)研究課題，在學(xué)院率先進行了網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)嘗試并予以成功運用[11]。再者，就是“課終考試題庫化”。在軍械工程學(xué)院，本課程最終的總評成績是由平時作業(yè)、綜合實驗和課終考試三個部分組成，相應(yīng)的試題庫和自動組卷、閱卷系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)難度較大。于是，課程組專門立題，在專用的服務(wù)器上完成了整體系統(tǒng)的開發(fā)和維護，同時，“順便”進行了大量的“教學(xué)資料數(shù)字化”等工作。

3.2學(xué)生動手能力的提高

對于學(xué)生而言，能力的提高在動手實驗和課程設(shè)計過程中尤為明顯。課程組將實驗分為基礎(chǔ)、提高和創(chuàng)新共三大類型，且內(nèi)容關(guān)聯(lián)，難度遞增。基礎(chǔ)實驗分時安排，以滿足在實驗器材總量不足情況下，設(shè)備一人一套、獨立操作的要求。隨著整體水平的上升，學(xué)生進步效果明顯，表現(xiàn)如下。

1)基礎(chǔ)實驗的提高。1991年，學(xué)生已將基礎(chǔ)實驗予以改進，增加可讀性較強的數(shù)碼管以代替發(fā)光二極管進行狀態(tài)顯示。次年，全面完成使用3片EPROM芯片取代傳統(tǒng)的4片模式，并且嘗試了RISC工作方式，進行了定長指令的實現(xiàn)。1995年，完成了使用單片EPROM的模型機設(shè)計與實現(xiàn)。雖然難度陡增，但其成本有降，成為日后課程設(shè)計的基礎(chǔ)方案。1996年使用GAL芯片的邏輯電路設(shè)計又使實驗增添了新的內(nèi)容，其水平亦達新高。

2)提高實驗的創(chuàng)新。1997年，兩名學(xué)生針對所用的組成原理實驗器在結(jié)構(gòu)進行了重大改進，使其具有了取消插線、真實芯片、聯(lián)網(wǎng)運行、自動診斷四大特征。2001年，又有學(xué)生在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了由“中心實驗器”和不同的實驗?zāi)K所組成的“可配置”實驗環(huán)境，使其使用時更加靈活、方便。

3)創(chuàng)新實驗的突破。2005年開始，課程組將創(chuàng)新實驗與學(xué)院的“科技小制作”活動相結(jié)合，使學(xué)生們能夠親自動手設(shè)計、制作和調(diào)試完成一些具有較高難度的“趣味型”計算機控制系統(tǒng)[12]。所以，在每次評比中總能名列前茅，甚至力拔頭籌。2008年，5名學(xué)生在完成課程設(shè)計之后，再接再厲實現(xiàn)了一個光電方式引導(dǎo)運行的模型車，以此參加第四屆“博創(chuàng)杯”全國大學(xué)生嵌入式計算機設(shè)計大賽并進軍決賽，獲得二等獎。

4課程展望

回顧計算機組成原理教學(xué)20年的歷程后可以清晰看到，任何一門課程或教學(xué)方法，只有隨著技術(shù)的發(fā)展而賦予新的概念、內(nèi)容與執(zhí)行方式，才能不斷適應(yīng)新的情況、滿足新的要求并取得預(yù)期成效。盡管組成原理已有成績斐然，但進一步的完善仍系任重道遠。毋庸置疑，組成原理學(xué)時較多，綜合性強。無論是教學(xué)規(guī)劃、實驗環(huán)境，還是硬件需求、軟件結(jié)構(gòu)，其領(lǐng)域覆蓋寬度和知識涉及深度均為其它單獨的計算機課程所難以比擬。從而，使得組成原理彰顯之學(xué)習(xí)難度遠較它課為高。因此，后續(xù)改革仍有“合理目標(biāo)是前提，教師素質(zhì)是基礎(chǔ)，實驗環(huán)境是關(guān)鍵，學(xué)生自律是保證”的特征，應(yīng)予透徹理解和準(zhǔn)確把握。對此，可粗略地提出本課程今后發(fā)展和實施過程中有待考慮的4點原則如下。

4.1以求“新”為目標(biāo)的先進性原則

計算機硬件類的教學(xué)內(nèi)容和實驗手段已經(jīng)逐漸從中小規(guī)模集成電路過渡到超大規(guī)模集成電路，從單元電路過渡到數(shù)字系統(tǒng)，其分析和設(shè)計方法亦有了極大的更新和變革。RISC結(jié)構(gòu)和多核處理器等產(chǎn)品的出現(xiàn)，均及時反映出了組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面最新和成熟的前沿理論與技術(shù)。本課程在講授過程中，需將這些先進技術(shù)盡量結(jié)合相關(guān)基礎(chǔ)內(nèi)容在學(xué)生承受范圍之內(nèi)予以適度介紹，使其能夠了解前沿技術(shù)的發(fā)展與動向。

就軍械工程學(xué)院情況而言，學(xué)生們學(xué)習(xí)潛力巨大，每屆都有天資聰穎、出類拔萃者涌現(xiàn)。只要“教”、“學(xué)”得當(dāng)，他們總能達到一個新的、合理的學(xué)習(xí)和實驗高度。所以，將先進的商用芯片與新型設(shè)備作為一種可以生動演示的“實驗器材”[13]，有望使學(xué)生將質(zhì)樸的好奇心轉(zhuǎn)變成強烈的求知欲，進而生成深邃的專業(yè)理解。同時，促使相關(guān)教學(xué)內(nèi)容“煥然一新”，達到“高起點”的效果和“大跨度”之目的。

4.2以求“實”為目標(biāo)的穩(wěn)定性原則

組成原理學(xué)習(xí)過程中，所有主要內(nèi)容均連帶課后實驗。理論講述和實驗環(huán)節(jié)需要有機配合，其掌握情況直接影響著后續(xù)的學(xué)習(xí)效果。精心設(shè)計的實驗?zāi)苁箤W(xué)生以最為實際、實在和實惠的方式接受訓(xùn)練和挑戰(zhàn)。學(xué)生的能力雖難于用卷面分?jǐn)?shù)直接衡量，卻易于通過實驗效果予以評判。因此，實驗過程不僅要求保持形式的完整，更要像授課內(nèi)容與考試標(biāo)準(zhǔn)一樣，通過制度的落實以保證質(zhì)量的穩(wěn)定。

除購設(shè)備置花費外，維系實驗另需資金和人力的穩(wěn)定投入。高檔實驗平臺較為復(fù)雜而功能齊全，且對長時間、大強度使用的耐受性較好，操作靈活而性能穩(wěn)定。雖說前期投資較大，但能長期使用，避免了頻繁的維護或更換，利于用戶專注于特點的熟悉、細節(jié)的把握和潛力的發(fā)掘。理想實驗平臺應(yīng)能構(gòu)成基于網(wǎng)絡(luò)的硬件實驗環(huán)境[14]。教師可在不打擾學(xué)生正常實驗的情況下，通過后臺操作對網(wǎng)上每個實驗進行實時監(jiān)測、記錄，并客觀、公正、直至自動評價每個學(xué)生整個實驗過程的操作情況。

4.3以求“深”為目標(biāo)的專業(yè)性原則

求“深”是為了使學(xué)生既具備計算機理論、方法等方面堅實的基礎(chǔ)，又能對整機內(nèi)部運作方式透徹領(lǐng)悟。作為計算機專業(yè)的學(xué)生，在設(shè)計過程中只應(yīng)參考而不可照搬或依賴演示范本，不僅應(yīng)該創(chuàng)造性地設(shè)計并完成一組可用的指令集，而且需要按此編制具備一定功能的匯編程序。以此在其能力和總體的要求范圍內(nèi)，充分得到從基礎(chǔ)、實現(xiàn)、自我完善、環(huán)境適應(yīng)等諸多方面的深化訓(xùn)練，盡可能全面地掌握簡單CPU的設(shè)計方法或充分發(fā)揮其運行潛力所需的精湛技巧。

為此，又需教師為完善實驗環(huán)境再行考慮下列具有一定專業(yè)深度的七項結(jié)合，即真實芯片與模型電路、硬件操作與軟件仿真、模擬演示與課堂教學(xué)、學(xué)生實驗與教師監(jiān)控、接線顯示與自動糾錯、參數(shù)測量與虛擬儀器、以及故障設(shè)置與問題排除。

4.4以求“寬”為目標(biāo)的拓展性原則

目前，不同的硬件課程之間的內(nèi)容聯(lián)系越來越緊密，不同的實驗規(guī)模帶來的效果差異越來越明顯。有鑒于此，組成原理教學(xué)則應(yīng)更好地發(fā)揮其獨到的綜合優(yōu)勢，對于其它諸如接口技術(shù)、單片機以及嵌入式系統(tǒng)等相關(guān)課程予以適度關(guān)注，亦可在允許的情況下將其部分內(nèi)容納入，甚至直接進行匯編語言等類課程的歸并[15]。再經(jīng)悉心倡導(dǎo)，又可鼓勵學(xué)生“橫向”拓展，將多條“線性”知識經(jīng)由不同角度的編織而融會貫通，自行“拓寬為面”。

在相關(guān)實驗器材方面，理應(yīng)繼續(xù)以組成原理內(nèi)容和實驗為主線，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上使用成熟技術(shù)與新型器件再行拓展，爭取向前延伸至數(shù)字電路，包容常用觸發(fā)器或門電路的實驗;向后擴充到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進行新型計算機體系的探索。此舉亦即前述“重實現(xiàn)”的目標(biāo)深化和“拓思路”的設(shè)備保障。

5結(jié)束語

20年來，組成原理教學(xué)所惠及的范圍甚廣，不僅僅是廣大學(xué)生，任課教師也同樣獲益匪淺。前述教學(xué)模式成功避免了機械、勉強地生搬硬套、步入僵化的傾向，對于其它硬件、軟件類課程的改進當(dāng)有裨益。令人備感欣慰的是，在創(chuàng)新型實驗過程中，學(xué)生之間不謀而合地形成、總結(jié)的不少行之有效的學(xué)習(xí)與工作方法，又與一些學(xué)者所大力推許的“找到創(chuàng)造新事物的樂趣并形成相應(yīng)的研究習(xí)慣”之研究型學(xué)習(xí)模式[16]竟有異曲同工之妙。歷屆學(xué)生和任課教師的點滴貢獻經(jīng)由長期積累，共同奠定了組成原理教學(xué)繼續(xù)完善與深化的堅實基礎(chǔ)，并可望與其它課程一道，同以更為有效的方式幫助、引領(lǐng)專業(yè)學(xué)生主動抓緊、利用寶貴的在校學(xué)習(xí)時機，盡快走上計算機的高水平開發(fā)和應(yīng)用之路。

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