劉旭東　熊桂喜

文章編號：1672-5913(2009)07-0074-03

摘要：“計算機組成原理”課程教學歷來是計算機專業(yè)教學中的重點，本文分析了“計算機組成原理”課程的定位和特點，提出了一種從整體功能推進到局部組成、從微觀實現(xiàn)抽象到宏觀結(jié)構(gòu)的層次化教學內(nèi)容設(shè)計模式，探討了“計算機組成原理”教學與學生能力培養(yǎng)之間的關(guān)系，探索并實踐了一種研究性的教學方法。實踐證明，這樣的方法也的確收到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理；課程改革；教學方法；實踐

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1引言

“計算機組成原理”是計算機科學與技術(shù)專業(yè)的核心課程，該課程以馮·諾依曼模型為起點，系統(tǒng)地講述了計算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能部件、功能特征、工作原理、交互方式和基本設(shè)計方法[1]。在教授這門課程的過程中，我們通過課堂講授、課程實驗、課程設(shè)計相結(jié)合的方式，使學生系統(tǒng)地理解計算機硬件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握計算機硬件系統(tǒng)的基本分析與設(shè)計方法，為他們進一步學習計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等后續(xù)課程，全面培養(yǎng)計算機硬件系統(tǒng)認知、設(shè)計與創(chuàng)新能力奠定良好的基礎(chǔ)。

“計算機組成原理”課程是計算機專業(yè)本科階段一門極其重要的課程，也是一門教學內(nèi)容多、學習難度大的課程[2]。目前國內(nèi)外出版的相關(guān)教材不少，其中不乏較優(yōu)秀的教材，但由于教材容量的限制和文字敘述方式的特點，我們很難憑借單本教材就能實現(xiàn)既能從全局或宏觀的角度掌握計算機硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理，又能從局部或微觀的角度理解計算機各個部件的工作過程和交互方式的教學目標。因此，研究并實踐一種有效的教學模式，對幫助學生從微觀層面掌握本課程知識單元、從宏觀層面建立該課程知識體系，進而培養(yǎng)學生關(guān)于計算機硬件系統(tǒng)的認知能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，具有重要的作用。

2教學內(nèi)容設(shè)計

我們系統(tǒng)地分析了卡耐基梅隆大學、麻省理工學院、普林斯頓大學、清華大學、北京大學等20余所國內(nèi)外著名大學同類課程的教學內(nèi)容和展現(xiàn)方式。國內(nèi)外高校在課程的教學內(nèi)容上差別基本不大(如表1所示)，但在內(nèi)容的組織和知識的層次化推進方面存在一定的差別。

表1 幾所國外大學計算機組成課程教學內(nèi)容分布

“計算機組成原理”課程教學過程中，應(yīng)盡快建立計算機的整體概念，讓學生清晰地了解所學內(nèi)容在課程知識結(jié)構(gòu)中的位置以及和其他部分之間的關(guān)系[2,3]，并合理組織課程知識點的展現(xiàn)結(jié)構(gòu)，使學生對所學內(nèi)容具有清晰的脈絡(luò)和思路，這對學生全面地掌握本課程的知識具有十分重要的作用。

我們基于對國內(nèi)外“計算機組成原理”課程教學體系的分析，從知識與能力兩個層次，課堂與實驗兩個環(huán)節(jié)對“計算機組成原理”課程與實驗體系進行了詳細設(shè)計，基于自頂向下的教學思路，建立了一種從整體功能推進到局部組成、從微觀實現(xiàn)抽象到宏觀結(jié)構(gòu)的層次化課程內(nèi)容設(shè)計模式。首先，從問題出發(fā)。設(shè)想人類尋求一種可以代替人完成復雜計算的機器裝置的功能需求，帶領(lǐng)學生分析歸納計算機的功能模型，基于一定的技術(shù)條件帶領(lǐng)學生分析總結(jié)實現(xiàn)該計算機功能模型的組成、結(jié)構(gòu)以及其基本的工作方式，使學生初步建立計算機的整體概念。然后按照這樣一種分析問題、探討解決思路、總結(jié)功能特征、介紹設(shè)計與實現(xiàn)細節(jié)的教學內(nèi)容展開模式，分別對存儲系統(tǒng)、計算單元、控制單元和輸入輸出系統(tǒng)的教學內(nèi)容進行設(shè)計，貫徹局部組成體現(xiàn)整體功能、微觀實現(xiàn)體系宏觀結(jié)構(gòu)的教學內(nèi)容設(shè)計思路，同時突出“功能分析”和“結(jié)構(gòu)設(shè)計”兩條主線。內(nèi)容組織上，在對計算機各組成部分的功能需求分析的前提下，重點強調(diào)實現(xiàn)這些功能需求的組成部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程和特征。

3課程的能力培養(yǎng)

“計算機組成原理”課程的教學內(nèi)容不僅僅是要傳授有關(guān)硬件設(shè)計的課本知識，更重要的是重視理論知識與實踐過程的結(jié)合，將知識綜合靈活運用，重視學生綜合能力和創(chuàng)新能力的訓練和培養(yǎng)[4]。本課程著重培養(yǎng)學生關(guān)于計算機硬件系統(tǒng)方面的三種能力：即計算機硬件系統(tǒng)的認知能力、設(shè)計能力與創(chuàng)新能力。

“計算機組成原理”課程主要通過對計算機各功能部件的組成及運行原理的分析、講解和配套實驗，培養(yǎng)學生對計算機硬件的系統(tǒng)級認知能力。課程通過數(shù)據(jù)的機器表示、運算方法及運算部件的組成等知識點的講解和實驗，使學生掌握計算機的運算特征；通過指令系統(tǒng)的相關(guān)知識，使學生掌握計算機系統(tǒng)匯編級的結(jié)構(gòu)特征和基本操作描述方法；通過存儲系統(tǒng)的詳細講解和實驗，使學生能從容量、速度和成本的角度理解多層次存儲系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和工作原理；通過CPU及控制單元的功能和結(jié)構(gòu)的詳細分析，結(jié)合指令執(zhí)行控制的深入講解和實驗，使學生理解計算機系統(tǒng)指令執(zhí)行的實質(zhì)和控制單元的基本實現(xiàn)方法；通過總線、輸入輸出接口及外部設(shè)備等知識的講解，使學生了解計算機系統(tǒng)內(nèi)部、計算機系統(tǒng)與外部的交互方式。

在培養(yǎng)學生對計算機硬件的系統(tǒng)級認知能力的基礎(chǔ)上，我們通過對運算部件、存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、控制單元、整機硬件系統(tǒng)的設(shè)計方法等知識的講解，結(jié)合相應(yīng)設(shè)計實驗，培養(yǎng)學生對計算機硬件系統(tǒng)的理解和設(shè)計能力。在設(shè)計能力培養(yǎng)的具體方式上，可通過課堂講授、課后練習、配套實驗等形式分層次實現(xiàn)。如課堂講授可重點介紹系統(tǒng)和部件的設(shè)計方法和設(shè)計過程等內(nèi)容；課后練習可進行框架性設(shè)計；配套實驗可圍繞規(guī)范、典型的模型系統(tǒng)，從功能部件的實現(xiàn)開始，直至最終設(shè)計出一臺具備基本運算能力和存儲能力、支持有限指令集的計算機設(shè)備。從而達到驗證功能部件和系統(tǒng)的功能，掌握必要的硬件描述語言、設(shè)計工具及仿真環(huán)境，體驗計算機硬件系統(tǒng)的設(shè)計過程，掌握相關(guān)硬件設(shè)計技術(shù)與方法等目的。

課堂教學和實驗應(yīng)努力為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力打下基礎(chǔ)，課程在培養(yǎng)學生認知和設(shè)計能力的基礎(chǔ)上，可通過計算機硬件系統(tǒng)不同階段面臨的問題及其技術(shù)發(fā)展的分析和探討，體會在特定的技術(shù)條件下的創(chuàng)新思維；針對計算機硬件系統(tǒng)面臨的新問題和新需求，結(jié)合新技術(shù)的介紹大膽暢想未來的技術(shù)發(fā)展趨勢，引領(lǐng)學生突破思維定勢，以此培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。進一步可通過集成計算機組成原理、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)等課程知識內(nèi)容的綜合課程設(shè)計，培養(yǎng)學生的基本創(chuàng)新能力。

4教學方法實踐

計算機學科的知識體系是一個動態(tài)變化的知識體系，對于計算機原理這樣一門課程，在教學過程中，啟發(fā)學生充分思考計算機硬件系統(tǒng)發(fā)展不同階段的需求、基本背景和應(yīng)解決的本質(zhì)問題，遠比直接的知識灌輸要重要的多。在教學方法上，目前普遍采用的是針對不同的教學內(nèi)容特點采用啟發(fā)式、討論式或提問式等的教學方法，這些教學方法被證明在教學過程中確實起到了良好的作用[2,4,5]。我們認為，課堂教學一方面要傳播課程的知識，更重要的是要傳播一種正確的科學研究方法。課程教學既要使學生掌握課程知識，又要讓學生了解與課程相關(guān)的領(lǐng)域曾經(jīng)所面臨的應(yīng)用和技術(shù)問題，以及所采取的解決思路，因此探索并實踐一種“發(fā)現(xiàn)提出問題、分析技術(shù)背景、提出解決方法、實現(xiàn)并驗證”的研究性教學方法，對該課程的教學十分有益。

比如講授計算機中數(shù)據(jù)的表示方法，其實這部分是課程中很簡單的內(nèi)容，最直截了當?shù)姆绞骄褪侵苯又v授計算機中各種編碼的表示方法，學生容易掌握，但學生只知其然而不知其所以然。講授過程中應(yīng)從計算機只能表示“0”和“1”這兩個基本概念入手，引導學生思考計算機如何充分利用“0”和“1”來表示大千世界抽象的概念和具體的形象，進一步讓學生思考計算機中數(shù)值的表示、非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示應(yīng)解決的問題，使學生充分理解計算機中把數(shù)分成定點數(shù)、浮點數(shù)、有符號數(shù)和無符號數(shù)，以及需要各種字符編碼、檢錯糾錯碼的合理性和必要性，讓學生主動去發(fā)掘計算機中數(shù)值和符號表示的根本問題。同時結(jié)合高級語言中的變量類型定義和各種類型變量占內(nèi)存大小方面的知識，使學生能夠從高級語言和機器實現(xiàn)相結(jié)合的角度理解程序變量類型的規(guī)劃對程序性能的影響等知識。至于具體的數(shù)據(jù)表示方法，屬于比較容易掌握的基本教學內(nèi)容，講與不講都沒有太大的關(guān)系。

中央處理器是“計算機組成原理”課程中最難掌握的教學內(nèi)容，教學過程可以分為三個步驟推進。第一步是要讓學生掌握控制器的功能、組成和結(jié)構(gòu)，以及控制信號的作用。教學方法上應(yīng)采用啟發(fā)式的教學方法，首先應(yīng)通過結(jié)合指令系統(tǒng)、存儲器系統(tǒng)、運算單元等已學部分的知識，系統(tǒng)地分析機器指令執(zhí)行過程中所需要的功能支持、功能部件(如寄存器部件)支持和數(shù)據(jù)通路支持，進而歸納總結(jié)控制單元的功能、組成和結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，以一個便于課程教學的簡化的指令系統(tǒng)和模型機的設(shè)計為目標，從完整規(guī)劃機器指令執(zhí)行的指令流和數(shù)據(jù)流入手，系統(tǒng)地分析指令執(zhí)行過程中可能出現(xiàn)的指令代碼傳送路徑、操作數(shù)地址的形成和傳送路徑、操作數(shù)傳送路徑，以及各個功能部件(如存儲器、各類寄存器、運算單元等)和這些傳送路徑所需要的控制信號。以這些分析為基礎(chǔ)，一步一步地引導學生分析、歸納總結(jié)并進一步完成控制單元內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的設(shè)計和控制信號的部署，進而完成模型機控制單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。教學過程第二步以模型機的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，詳細分析和講解典型機器指令的執(zhí)行周期和指令執(zhí)行的詳細流程，使學生充分理解典型指令執(zhí)行過程中每一個時間段所實現(xiàn)的基本功能，以及為實現(xiàn)該基本功能在該時間段上所需要的微操作控制信號，進而使學生掌握每一條指令執(zhí)行周期和詳細執(zhí)行流程的分析方法。教學過程的第三步是在完成上述教學內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合模型機的控制方式和控制時序信號，仔細分析和講解模型機中各種微操作控制信號的邏輯綜合方法，以及控制單元的設(shè)計方法。通過上述三個階段的遞進式教學，使學生了解并基本理解控制器的基本工作原理，掌握機器指令執(zhí)行的真正物理含義，從本質(zhì)上掌握計算機程序運行的實質(zhì)。

5結(jié)束語

“計算機組成原理”課程是公認的枯燥和難學的專業(yè)核心課程，這些年我們在該課程的教學內(nèi)容設(shè)計和教學方法的研究上進行了探索，并取得了良好的教學效果，形成了自己的特點。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，“計算機組成原理”的教學仍然還有很多工作值得我們?nèi)パ芯亢蛯嵺`，只有不斷探索、不斷總結(jié)才能有效地提高教學質(zhì)量，滿足學生們不斷增長的求知需求。

參考文獻：

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