國產化背景下的計算機組成原理教學改革

王海瑞，潘晟旻，李 亞，吳 蕾，孟順建

（1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院；2.昆明理工大學 計算中心，云南 昆明 650500）

0 引言

計算機組成原理是計算機專業的學科基礎課，它是計算機操作系統、計算機系統結構等課程的先導課程，同時也是數字邏輯的后續課程，與多門計算機課程有著緊密聯系，有助于培養學生解決復雜工程問題的能力。它在計算機類課程中處于承上啟下、合縱連橫的關鍵位置，為構建計算機科學與技術專業知識框架提供基礎支撐［1］。

目前，我國應用軟件、工具軟件、電腦終端、安全產品等國產化率較高，而芯片級基礎硬件、指令系統、操作系統、數據庫、虛擬化軟件等仍然主要依賴國外進口，嚴重限制了基礎技術上的自主知識產權擁有。總之，我國關鍵核心技術仍然受制于人，國產軟硬件的兼容性、可替代性、穩定性及系統性仍待提高，國產化替代形勢嚴峻［2］。因此，必須實施國產化替代戰略，加強核心技術創新，推動關鍵領域自主可控，真正解決國家信息安全領域的核心問題。

高校承擔著為國家培養優秀人才的義務，在國產化替代進程中起著至關重要的作用［3］。因此，高校要根據國產化替代的需求進行必要的教學改革，努力為國家培養創新型和專業型人才。然而，經過廣泛調研發現：多年來，我國大部分高校計算機組成原理課程的教學內容都沒有太大的變化和調整；沒有對課程進行定位，特別是在硬件基礎設計、指令集設計等內容上，沒有突出自主知識產權的要求；講解國外相關內容，沒有突出國產化替代需求的CPU五大部件相關設計和指令集設計的重要性。因此，依據國家國產化替代的國家戰略要求，結合筆者近30多年的計算機組成原理教學經驗，探討將國產化替代需求的內容融合到計算機組成原理課程理論教學和實驗教學中。調整、優化、合并重點教學內容以適應課程理論學時減少對課程造成的影響，進而提升課程教學質量，為國產化替代儲備專業型和創新型人才。

1 相關研究

近年來，許多學者從不同層面、不同角度進行了計算機組成原理課程的教學改革探索。例如，文獻［1］基于CDIO教學理念，以構建系統觀、培養系統設計能力為教學改革目標，對計算機組成原理課程的教學內容、實驗、教學模式等進行改革。文獻［4］將凝練問題、分析問題、解決問題的線索貫穿學習全過程，提出基于問題驅動法的計算機組成原理教學模式。文獻［5］提出構建OBE理念下“以學生為中心”的互動課堂，通過調整教學設計，實現學生學習成果的最大化。文獻［6］針對計算機組成原理課程教學要解決的重要問題，提出線上與線下實踐相結合的教學設計與案例實踐。文獻［7］結合計算機組成原理教學內容深入挖掘和整合課程思政元素，做到點、線、面三重機構有機結合，使專業知識和思政教育同向同行，實現立德樹人的根本目標。文獻［8］針對計算機組成原理實驗教學存在的一些問題，提出基于虛擬仿真與混合式教學模式的計算機組成原理實驗教學改革。文獻［9］探討了如何在計算機組成原理課程中融入思想政治教育，并介紹了預期的成效、課程思政實施的實踐及特色，最后指出課程思政持續改進的方向。文獻［10］結合網絡慕課資源，對計算機組成原理課程實驗教學作出一系列改革。文獻［11］針對現有計算機組成原理實驗教學中存在的問題，引入Logisim平臺以開展實驗教學。文獻［12］通過分析操作系統國產化在行業、教育、技術生態等方面存在的問題和特點，針對操作系統人才培養的不足，提出以思政教育培養學生價值觀，并多維度、多要素提升創新人才培養質量。

目前，關于計算機組成原理的教學改革主要集中在挖掘思政元素、教學設計及實踐探索上，鮮有針對國產化替代的國家戰略需求進行教學改革。本文的創新之處在于針對國產化背景下計算機組成原理課程建設和改革需求，提出如何將國產化內容增加到課程教學中，并隨著計算機技術的發展增減相應的教學內容，從而進一步提升課程教學質量，為國家培養專業型人才，推進關鍵核心技術的國產化替代進程。

2 目前教學內容中存在的問題

計算機組成原理課程主要涉及數值表示方式、運算器、存儲器、控制器的邏輯設計、輸入和輸出設備的工作方式等內容。

2.1 缺乏前導課程數字邏輯部分內容

由于當前課程調整，基本沒有對前導課程數字邏輯進行講授，學生缺乏對邏輯組合電路和時序電路工作原理的理解，從而對數據寄存器、移位器的工作方式，以及運算器、控制器、存儲器的工作方式和原理很難掌握，對教學效果達成造成了較大障礙。例如，學生很難理解和掌握組合電路的全加器構成和補碼乘除法中應用到的移位加數、時序電路中如何利用D型觸發器構成寄存器等內容。

2.2 不滿足國產化替代要求

計算機組成原理教材內容中的技術基本都是國外技術，缺乏國內具有自主知識產權的技術介紹。并且，教師在教學過程中不能很好地引入國產化替代的相關內容，無法為國產化替代服務。

在指令系統教學中，很多教材仍然用很老的機器作為例子，比如PDP-11等，而對目前市場上普遍應用的ARM架構和X86以及MIPS指令集卻缺乏介紹。目前，隨著智能手機的推廣應用，ARM應用迅速普及，特別是國產芯片大部分以ARM和X86為指令集，而教材內容卻與實際應用存在一定差距，不利于學生的學以致用。當前課程體系仍然開設匯編語言課程，各學校開設的課程內容不一致，有的開設8086匯編語言，有的開設8051、8096單片機語言，對于目前常用的ARM系統開設較少。這些課程內容有很大一部分是屬于計算機組成原理課程的指令系統相關內容，內容重復較多。對于輸入輸出部分，很多技術已經淘汰，比如CRT顯示器、軟盤等內容，但仍然出現在教學內容中，而新式的觸摸屏、LCD等內容涉及很少，新式的輸入輸出技術介紹不足。

綜合而言，目前計算機組成原理課程教學內容較為陳舊，其中不乏已經淘汰的技術，而國內具有自主知識產權的新型技術在課程中體現較少，思政要素尚未融入課程。

3 改革對策

3.1 教學內容

筆者一直在大學從事計算機組成原理課程教學工作，每年參加學習的學生人數在120人左右，牽頭的計算機組成原理課程組自主編制了《計算機組成原理》教材，由清華大學出版社出版。在內容上，增加了“數字邏輯”的4部分內容，分別是數據的表示方式、邏輯代數、組合邏輯設計、觸發器、同步時序電路和異步時序電路等內容，將原組成原理的指令集調整為ARM指令集，重點通過前導課程X86匯編語言和ARM進行對比講解，使學生能準確把握CISC和RISC的特點、使用范圍等，能理解國產化替代的深遠意義。在總線內容，增加講解USB、Fine Lighting、Type-c等新型外部總線的特點和應用場景，將知識應用到學生的日常生活中。在外部存儲器的講解中，刪除軟盤等內容，增加Solid State Disk（SSD）的特點和應用場景等，使學生能明確手機的存儲特性。具體改革對策包括如下方面：

3.1.1 數字邏輯

數字邏輯部分的內容與計算機底層實現密切相關［13］，是理解運算器、存儲器、控制器等計算機基本部件工作原理的基礎。教師在上課時，重點講解計算機中數據的表示與運算，即原、反、補碼及其四則運算，并在其中穿插二進制與易經的關系，增強學生的文化自信和民族自信。

著重講解邏輯代數，并使用摩根定律和卡諾圖等知識簡化電路，以此實現編碼器、譯碼器、計數器［14］等基本邏輯部件的功能，再通過觸發器、同步異步時序電路的學習，讓學生更加深入地掌握計算機的存儲原理和控制邏輯。

數字邏輯既連接了計算機的底層實現，又抽象了底層物理部件，是理解計算機組成原理的基石。計算機的組成與實現都很復雜，但復雜的實現中隱含著簡單的原理，如計算機中的算術與邏輯運算都是通過高低電平結合二進制實現，其原理與中國伏羲八卦相契合；中斷、指令流水線與生活中的排隊、插隊現象息息相關，從細微處入手，在課程中融入以培養學生的洞察力和科學思維等。在國產化大背景下，與數字邏輯電路相關的產業——集成電路也得到了快速發展，其產業鏈覆蓋芯片設計、晶圓制造、封裝和測試等方面。截至2020年，中國的芯片設計規模占比排名第一，為42.70%，國微集團也正全力打造國內芯片設計全流程數字EDA平臺。因此，數字邏輯的實驗設計緊跟國產化步伐，采用國微、立創、華大九天等EDA公司的設計平臺，將數字邏輯實驗融入國產化進程中。

3.1.2 原計算機組成原理課程內容

隨著技術的換代更新，原計算機組成原理課程中的很多內容已經過時，需要適當作出調整。而如何將國產化的內容增加到課程教學實驗中，以及隨著計算機技術的發展增減相應的教學內容，是目前計算機組成原理課程教學改革面臨的首要任務。

在指令系統方面，由原來的X86指令集調整為ARM指令集，ARM指令集屬于精簡指令集（RISC），屬于load/store型指令集結構［15］。選擇ARM指令集作為目前計算機組成原理課程的指令系統教學內容，主要有以下方面的原因：ARM指令集屬于RISC，RISC體積小、功耗低、成本低、性能高，并且被廣泛應用于嵌入式系統，如Android手機等。

X86匯編語言是計算機組成原理課程的前導課程，X86屬于復雜指令集（CISC），RISC和CISC是當前CPU的兩種不同的架構。這里改變策略引入ARM精簡指令集是為了和Intel的X86指令集作對比講解，同時ARM和Intel也是全球芯片企業的巨頭，掌握著巨量資源，且技術對外封鎖，制約著我國多方面的技術發展。為了打破這種處處受制于人的局面，學習商業巨頭的核心技術，服務于國產化的進程尤為必要。師夷長技以制夷，只有充分學習別人的優勢技術，并轉換為自己的東西，才能真正實現國產化替代。

目前，國產自研的大部分指令集，如申威的SW64、龍芯的LoongArch等都是屬于RISC［16］，通過對ARM指令集原理與核心技術的介紹，讓學生從底層邏輯去理解指令系統，然后再結合申威、龍芯等我國自主研發的指令系統，全面對比講解精簡指令集，培養一批能解決我國芯片“卡脖子”問題的高技術、創新型的后備儲備人才。

此外，在存儲系統方面，增加固態硬盤等內容，并介紹宏基SSD、致態SSD、芯佰微電子USB等國產產品技術的發展及趨勢，讓學生認識到國產化替代方案的可行性。在輸入輸出系統方面，增加目前新式輸入輸出設備的功能介紹及其與CPU的連接方式，如分布式I/O系統、基于交換結構的I/O系統等。

上述對計算機組成原理課程的調整上，刪減了陳舊、過時的內容，增加了新的技術和產物，同時也融入了一些國產化的內容，使得該課程既能順應時代發展，又能服務于國產化替代進程，真正做到產、研、學三合一。

3.2 教學模式與教學方法

計算機組成原理課程的特點是綜合、抽象、理論性強。傳統的教學模式是理論結合實驗教學，以理論教學為主，實驗教學為輔，枯燥無味，導致學生積極性不高。因此，適當地調整教學模式和改進教學方法非常必要。結合筆者實踐教學經驗提出如下改進建議：

（1）充分利用多媒體教學工具完善教學。計算機組成原理課程中涉及很多抽象的邏輯過程，單靠靜態的圖片和文字難以幫助學生理解和掌握。因此，教師可以利用多媒體工具、虛擬現實技術等現代化教學工具，結合多媒體、板書講解等，幫助學生掌握抽象的工作原理和邏輯過程，提升學生學習興趣，使教學變得深入淺出。如在對微程序控制器的工作原理進行講解時，采用PPT動畫方式，直觀地呈現出基于時序的計算機指令執行和控制過程，使抽象的概念變得通俗易懂。

（2）采用線上+線下相結合的混合式教學［17］，充分發揮學生的主觀能動性。在當今網絡高速發展和信息資源共享的背景下，智能設備在混合式教學中起著至關重要的作用，依托豐富的線上教學資源，再加上線下講解，可以達到更好的教學效果。線上學習的主要目的是提前自主預習課程內容和鞏固課程知識，教師可以充分利用優質MOOC資源，引領學生有計劃、有選擇地完成課前學習任務，自主掌握一些較簡單的基礎知識；再針對課程內容中的重難點，如定點加法、乘除法、微程序控制器工作原理、典型指令系統設計等，教師可以有針對性地錄制微課，幫助學生更好地建立起整機概念。在此基礎上，教師在課堂上進行知識點的系統講解，為學生搭建好知識體系框架。例如，對于運算器部分，教師主要講解數的表示，浮點數的運算，補碼的加減法運算，原碼、補碼的定點乘除法運算，加法器、減法器的邏輯功能和74LS181的工作原理，并就運算器章節建立一個完整的模塊知識體系，方便學生理解運算器所包含的技術點。對于一些拓展知識如補碼兩位乘、陣列乘法器、原碼兩位除、陣列除法器等知識需要學生自己在線學習補充，完善知識體系。

（3）根據教學內容靈活調整教學方法。教學應從“以教師、課堂為中心”轉變為“以學生為主體”，根據學生個性特點及教學內容的不同，有針對性地靈活應用教學方法，引導學生主動參與學習，激發學生的探究興趣，增強學生的創新和實踐能力。教師可采用任務驅動法、小組合作法、啟發式教學、討論式教學等多種教學方法開展教學，幫助學生加深對所學知識的理解，調動他們討論交流的積極性，并培養其協作能力與實踐能力。

（4）關注課程內容銜接，幫助學生建立整機概念［18］。針對課程特點，分模塊依次展開教學。教師在教學中應注重知識的關聯性和系統性，依據課程教學目標制定教學計劃、教學重難點，使課程內容起到承上啟下的作用。如可以在講解運算器之前，先介紹數字電路相關知識點，為學生闡明二者之間的承接關系。教師在幫助學生熟悉計算機組成原理基本概念的基礎上，掌握計算機的工作過程及各部分之間的聯系，明確數據流和控制流在機內的流動，從而建立起整機概念，為今后課程學習打下基礎。

3.3 教材選擇與編寫

計算機組成原理教材有很多種，總體而言有三大類，即國家規劃類教材、非國家規劃類教材、引進教材，這三類教材各有優缺點。但目前教材選擇應立足于滿足《計算機核心課程規范》系列團體標準深度相符的教學內容，緊跟《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》，在美國蠻橫“卡脖子”的壓迫之下，中國2020年開始實質推進國產化替代。現階段，CPU、操作系統和數據庫等核心基礎設施需要加速替代，國家相關部門也給出了時間表。相比之下，應用層的緊迫度不高，國產化替代的傳導效應相對滯后。但箭在弦上，不得不發，也給我國軟件企業提供了發展契機。首先要解決“無芯”的問題，這就要從教學理論開始，突出中國智慧，用教學理論去教育學生，從基礎做起，保證我們國產化后，有理論、有技術、有人才。國家規劃類教材雖然教學內容豐富，但無法滿足國產化替代的要求，需要不斷加以完善。非國家規劃類教材多數屬于各學校任課教師根據自己的教學特點和課程體系編寫的教材，在內容上就無法滿足《計算機核心課程規范》系列團體標準和計算機專業工程認證的實際要求。引進教材雖然在教學內容上不斷更新，但不能體現我國自主知識的優勢以及思政的融入?？傊@3類教材都不適合目前計算機組成原理的教學要求，應結合當前國家要求和計算機核心課程規范要求，對計算機組成原理課程教材內容進行再次組織編寫。

3.4 教學實驗改革

在教材建設的同時，同步改進實驗教學內容，以問題為導向，注重國產化內容在實驗中的體現，引導學生采用自底向上和自頂向下相結合的方法設計和建構模型，培養學生樹立從理論到實踐完成計算機系統的信心，從而訓練學生工程設計和自主創新的能力。筆者在注重國產化內容的同時，增加數字邏輯電路實驗，并引入虛擬仿真設計實驗，各部分實驗相輔相成、層層遞進，逐步培養學生運用計算機組成原理知識實現綜合設計能力，階段性實驗流程如圖1所示。

Fig.1 Flow of phased experiments圖1 階段性實驗流程

4 教學改革實踐效果

4.1 教改成效

昆明理工大學的教學改革實踐表明，將國產化內容融入計算機組成原理課程教學改革效果明顯。①有效加深學生對計算機組成原理課程中數字邏輯電路相關內容的理解和把握，幫助學生形成對計算機硬件及其組織結構的認識，建立整機概念；②在教學中引入思政元素，結合時代發展調整課程教學內容，著重講解國產化軟硬件知識，增強學生“四個自信”，培養學生愛國情懷；③采用“線上自主學習+線下深入研討”的混合式教學模式，能夠更好地培養學生自主解決問題的能力，再結合任務驅動式教學方法，讓學生帶著問題和任務去學習，可以更好地激發學生的學習興趣，加深其對理論知識的理解；④引入虛擬仿真試驗，對傳統實驗內容進行擴展，增加一些綜合型和設計型實驗，有效提高實驗教學效率，使學生不僅明白計算機硬件系統各組成部分的邏輯實現以及互聯成整機的技術，而且牢固樹立自主創新計算機系統的整機理念。

4.2 存在的問題及思考

雖然對課堂教學內容進行了更新，但由于計算機組成原理課程具有工程性、抽象性、實踐性較強的特點，學生對該課程的學習興趣、重視度依然不夠高。通過與學生交流、座談發現，主要原因在于：后續課程與該課程關聯度不大，學生將來從事的職業與該課程無關。這從側面反映出學生將來深造和就業從事硬件設計的工作相對較少，也反映出關鍵技術國產化替代勢在必行，必須提高學生對該課程的重視度及參與度。例如：如建立硬件課程群，合理優化各課程教學內容，加強教學團隊、教學梯度建設；推動高校計算機國產化課程建設及改革，加強核心技術人才培養；進一步優化產、學、研合作，整合產業鏈上下游資源，共同設立產業技術創新聯盟。

5 結語

本文通過分析當前計算機組成原理教學存在的不足，結合當前技術發展和國產化替代需求提出了幾點可行性建議，以期對國產化背景下的計算機組成原理課程建設提供參考。在昆明理工大學進行教學改革實踐，從總體上看，計算機組成原理課程教學改革效果明顯，但仍存在待完善之處。例如：課程內容與實際應用的關聯度還有待加強、學生的主觀能動性還有待提高、針對國產化需求的“計算機組成原理”教材建設亟待解決等。因此，下一步工作將結合國產化替代需求，深入研究計算機組成原理課程教材建設與改革。