物聯網工程專業計算機組成原理教學改革探索

黃庭培+鄭秋梅

（中國石油大學（華東）計算機與通信工程學院，山東 青島 266580）

摘要：針對物聯網工程專業計算機組成原理課程在教學中面臨的新問題，分析物聯網工程專業的人才培養目標及物聯網行業的特點，闡述面向物聯網工程專業的計算機組成原理課程教學改革方法，提出基于分流培養模式的層次化教學內容設置方案。

關鍵詞：物聯網；計算機組成原理；分流培養；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）50-0103-02

一、引言

計算機組成原理課程是計算機類專業本科階段最重要的核心基礎課之一，在整個計算機類專業教學中起著重要的承上啟下的作用。該課程對于學生完整地理解計算機系統的層次結構，系統地建立計算機整機的概念，培養學生對計算機系統分析、應用、設計及開發的能力，都具有非常重要的作用。目前，國內重點高校的計算機組成原理課程主要是面向計算機科學與技術、軟件工程和網絡工程等專業的學生，相關教學改革研究也主要是針對上述計算機類專業展開的，很少針對物聯網工程專業展開計算機組成原理課程教學改革研究。然而，教育部自2010年批準設置物聯網工程專業以來，國內很多高校陸續開設了物聯網工程專業，我校于2014年也開設物聯網工程專業。針對新開設的物聯網工程專業的培養方案、人才培養目標及物聯網行業的特點，有必要對計算機組成原理課程的教學改革展開新的研究，以使本課程更好地為物聯網工程專業學生后續課程的學習打下堅實的基礎。本文針對物聯網工程專業的人才培養方案與人才培養目標，基于物聯網行業的整體發展趨勢和人才市場的需求，通過分析當前物聯網工程專業的專業特點，并總結目前物聯網工程專業在教學過程中存在的問題，構建適用于物聯網工程專業的計算機組成原理課程的教學內容。在設置教學內容時把握內容的基礎性和新穎性，既注重基礎的、核心教學內容的完整性，又要考慮物聯網工程專業的特點。同時，又要跟上現代計算技術的發展水平和實際情況，增加新進而實用的相關知識點。既要考慮教學內容的完整性，又要考慮到教學學時的有限性，設計部分培養和訓練學生自主學習的內容，從而構建課堂學習與自主學習相融合的教學內容，最終形成一套基于分流培養模式的層次化教學內容。

二、物聯網工程專業計算機組成原理課程面臨的新問題

物聯網工程專業以培養能夠系統地掌握物聯網的相關理論、方法和技能，具備通信技術、網絡技術、傳感技術等信息領域寬廣的專業知識的高級工程技術人才。物聯網涵蓋了傳感器技術、射頻識別技術、嵌入式系統技術、數據庫技術、通信技術、互聯網技術以及云計算技術等，是一門具有涉及領域廣、學科交叉性強和工程實踐性強等特點的學科，物聯網系統更是新一代信息技術的高度集成和綜合運用。因此，面向物聯網工程專業，本課程的授課內容還需要考慮以下二個方面的問題。

1.物聯網工程專業對嵌入式相關內容有較高要求。英特爾構架事業部副總裁兼嵌入式與通信事業部總經理唐迪曼指出“物聯網的核心基礎：嵌入式”。指出物聯網是嵌入式計算系統一種新的應用，比較傳統的嵌入式系統應用，物聯網應用的層次更加豐富和復雜，既有表現在傳感層上的實時應用，還有在計算和網絡應用層上的海量的數據處理和分析工作。物聯網作為新一代信息技術的重要組成部分，是互聯網與嵌入式計算系統發展到高級階段的融合。嵌入式計算技術已經成為物聯網行業的關鍵技術。然而，傳統面向計算機科學與技術專業和軟件工程專業的計算機組成原理的大部分內容是面向復雜指令系統計算機類而設置的，而面向嵌入式類的，如面向精簡指令系統計算機類的授課內容幾乎沒有涉及。而我校物聯網工程專業在本課程的后續課程中有很多與嵌入式相關的課程。

2.物聯網工程專業的培養方案及前后課程設置與其他計算機類專業不同。隨著半導體工藝技術的飛速進步和體系結構的不斷發展，多核/眾核處理機硬件日趨普及，使得昔日高端的并行計算機呈現出普適化的發展趨勢，并行計算系統已成為各類計算系統的基礎。然而，我校物聯網工程專業的培養方案與計算機科學與技術專業的培養方案不同，在本課程之前并未設置匯編語言與接口技術課程，本課程之后也沒有計算機系統結構、編譯原理等課程。因此，需要結合物聯網工程專業培養方案的實際情況，根據前后課程的設置來構建本課程的授課內容。例如，原先在計算機系統結構課程中介紹的新進技術，如多處理器、多核、流水線技術等有必要有取舍地引入到本課程中來。因此，我們有必要結合物聯網工程專業的培養方案、人才培養目標和物聯網的行業特點，對本課程的教學內容的設置進行進一步深入研究。

三、基于分流培養模式的層次化教學內容設置

在我校原有課程內容的基礎上，我們借鑒了南京大學計算機系統基礎課程的部分授課內容，同時結合物聯網工程專業的人才培養目標和我校物聯網工程專業培養方案，采用了“計算機組成與設計：硬件/軟件接口”一書的部分內容，將本課程由原來的9個部分優化為7個部分，去除了原有課程中外部設備部分內容。并將原先第2部分（計算機中數據信息的表示）和第3部分（運算方法和運算器）的內容進行合并，弱化了運算部件設計部分的內容，此部分內容可在實驗課程或后續計算機組成與設計課程中重點講解。同時，將系統總線和輸入輸出系統進行了合并，并增加了異常控制流部分內容。優化后的授課內容如下：第1部分是計算機系統概述，第2和第3部分分別介紹高級語言程序中的數據和語句所對應的底層機器級表示，展示的是高級語言程序到機器級語言程序的對應轉換關系，即數據的機器級表示與處理和指令系統；第4部分和第5部分著重介紹與程序的運行密切相關的硬件部分—中央處理器和存儲器的組織，即中央處理器和層次結構存儲系統；第6部分介紹打斷程序正常運行的事件機制—異?？刂屏?；第7部分主要介紹程序中I/O操作的實現機制。其中，每個部分又包含了3個層次：基礎與核心、專業特色和新進技術和知識點強化。

1.基礎與核心：本部分內容主要包括計算機系統最基礎與最核心的內容，是本門課程重點講授的內容，與原有課程的教學內容基本上相同，但結合物聯網工程專業的培養需求，做了部分優化。

2.專業特色與新進技術：本部分內容結合物聯網工程的專業特色，考慮了嵌入式計算系統在物聯網應用系統中核心與基礎地位，設置了部分以ARM和MIPS為實例的內容。同時，考慮到并行計算系統的重要性及我校物聯網工程專業后續課程中沒有計算機系統結構課程，引入了部分新進技術，如流水線方式下指令的執行和并行與存儲器層次結構。

3.知識點強化：本部分內容貫穿整個教學內容，是訓練和強化學生建立整機概念的重要環節。擬以高級語言程序的開發和運行過程為主線，將該過程中每個環節所涉及的硬件和軟件的基本概念關聯起來，以使學生建立起一個完整的計算機系統層次結構及其相互轉換關系，并建立起整個專業課程之間的相互關系。同時，對指令在硬件上的執行過程和指令的底層硬件執行機制有一定的認識和理解，從而增強學生在程序的調試、性能優化、移植和健壯性保證等方面的系統能力，并為后續的相關課程打下基礎。最后，考慮到課時的限制，我們設置了部分培養和訓練學生自主學習能力的內容，主要包括數字邏輯電路、匯編語言、基于FPGA的數字系統開發基礎等內容。

四、結束語

計算機組成原理課程的地位決定了合理設置本課程教學內容的重要性。在面向新開設的物聯網工程專業時，需要考慮新專業的培養方案、人才培養目標以及物聯網行業的特點，同時要考慮新技術的發展，并結合物聯網專業學生的實際情況來設置合理有效的教學內容。

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