摘要：分析計算機組成原理課程的特點，針對教學中所面臨的挑戰(zhàn)，從教學內容、方法、手段和實踐環(huán)節(jié)等幾個方面，結合哈爾濱工程大學計算機科學與技術學院在“計算機組成原理”課程中的教學改革實踐，闡述該課程教學改革的思路和方法。

關鍵詞：計算機組成原理；教學改革；教學實踐；實驗教材

0 引言

“計算機組成原理”是普通高等院校計算機科學與技術專業(yè)本科生必修的核心骨干課程之一，在先修課（數字邏輯）和后續(xù)課（計算機系統(tǒng)結構、微計算機接口技術）之間起著重要的承上啟下作用（見圖1）。一方面，通過“計算機組成原理”（以下簡稱組成原理）課程的學習，把“數字邏輯”課程中的基本數字邏輯單元組合成具有一定獨立功能的計算機部件；另一方面，從微處理器數據通路設計角度引入指令集及軟硬件功能分界面的概念，對學生理解計算機系統(tǒng)的軟件和硬件設計思想產生深刻的影響，從而為后續(xù)的“計算機系統(tǒng)結構”分析系統(tǒng)性能優(yōu)化所需硬件支持，并在系統(tǒng)復雜度、性能、成本問進行折中等內容提供知識準備。

當前的計算機內部結構日趨復雜、龐大和集成化，學生普遍感到組成原理難懂、概念抽象、感性認識差。在教學中，僅僅使用傳統(tǒng)的教學方法和手段很難實現教學目標，如何改革組成原理教學過程、吸引學生興趣、改善教學效果和效率并緊密結合計算機技術的發(fā)展趨勢成為任課教師亟待解決的問題。經過多年的教學改革實踐，我們探索出一些激發(fā)學習興趣、提高理論知識的掌握與理解程度、增強實踐動手能力的教學改革措施。

本文剖析了當前組成原理課程教學中面臨的教與學、多樣化教材和統(tǒng)一考試、重實用和重基礎幾個方面的挑戰(zhàn)，闡述了在教學內容、方法、手段、實驗教材編寫等方面進行教學改革的思路和方法。

1 “計算機組成原理”教學中面臨的挑戰(zhàn)

1.1難教與難學的困境

計算機微體系結構的不斷發(fā)展使得新概念、新技術層出不窮，為了確保授課內容貼近本領域技術發(fā)展的前沿，任課教師需要不斷地跟蹤學習國內外相關技術文獻，以掌握微處理器設計的核心技術并滲透于教學內容中，大大增加了備課的難度。從學生的角度來說，由于組成原理中類似離散數學的證明、推導較少，也缺乏類似數據結構中的算法，學生覺得組成原理課“理論性、規(guī)律性不強”，“知識點零散”，“復習時無從下手”等，而且，在學習計算機各組成部分的硬件電路及其工作原理時，有時要用到數字電路、數字邏輯等先修課程的相關知識，學生對這些知識掌握得不夠深入、基礎薄弱，綜合運用時就會感到吃力，因而興趣不高。這種雙方面的困難造成了組成原理課程既難教又難學的困境，往往教師課外花費大量的時間備課，課堂教學時卻很難真正引起學生的興趣。

1.2多樣化教材與全國統(tǒng)考的矛盾

目前，國內主流的“計算機組成原理”教材很多，側重點各有不同。自2009年計算機專業(yè)研究生入學考試改為全國統(tǒng)一考試以來，在專業(yè)基礎綜合卷中所占比重較大的課程，如“數據結構”和“操作系統(tǒng)”，分別擁有比較經典的、被國內大多數高校廣為采用的教材，而組成原理課程的教材仍然是處在群雄混戰(zhàn)的局面。經過認真分析考試大綱，發(fā)現其中的知識點涵蓋了多本相關教材，并不局限于某一本教材。在目前考研人數居高不下的形勢下，如何精心選擇一本適合的教材并兼顧其他，使學生廣采眾家之長，在就業(yè)和考研競爭中占有優(yōu)勢，是任課教師在教學中面臨的又一個難題。

1.3“重實用”與“重基礎”的矛盾

上課時經常遇到學生提問：學習本課程對以后工作有什么用處？對此，需要教育學生重視夯實專業(yè)基礎，不要為流行一時的應用技術迷惑，只有真正理解和掌握了計算科學的實質才能在今后的研究和工作中選準方向。當前國內計算機硬件人才培養(yǎng)弱化，軟件人才需求旺盛且待遇較高的現實情況，也造成了學生“重軟件、輕硬件”的認識。在課堂教學中，要注意糾正學生的這種偏見，強化軟件性能取決于軟件設計者對系統(tǒng)中硬件的理解程度、操作系統(tǒng)的設計者也需要有較強的計算機組成與設計的背景知識等意識。

2 教學改革與實踐

經過多年來對組成原理課程進行的教改實踐，為達到培養(yǎng)學生具有扎實的理論基礎和良好的動手能力的教學目的，本文從以下幾個方面對該課程的教學進行了一些有益的探索。

2.1合理組織教學內容

在教學內容的安排上，將“計算機組成原理”課程的重點放在指令系統(tǒng)、運算器、控制器的設計上，對于重點內容講深、講透，其他部分則通過學生自學或討論課講授。對于核心教學內容，按照基本原理、簡明示例、真實計算機系統(tǒng)舉例3個層次逐層遞進安排。

2.1.1基本原理是基礎

基本原理是學習和理解計算機組成與運行機制的核心知識，具有穩(wěn)定性和通用性，是學生一定要掌握的內容。例如，對于“馮·諾依曼計算機的基本組成”這一基本原理的講解，設計了如下的教學步驟：首先說明計算機系統(tǒng)是對人腦功能的模擬；然后分析人腦具有的感知、存儲、分析、輸出和協調能力，從而引出馮·諾依曼計算機與上述功能對應的5個主要功能部件：輸入設備、存儲器、運算器、輸出設備和控制器；接下來，在后續(xù)章節(jié)的教學中，不僅分析各功能部件的組成方式，還注重介紹各部件之間的聯系和相互影響，使學生能夠牢牢抓住本課程的基本原理，不至于淹沒在繁復的細節(jié)中。通過精心設計教學步驟，將計算機的組成與人腦自身的功能形成類比，學生覺得概念和原理都鮮活了起來，理解更加深入和持久。再如，在介紹尋址方式時，強調所謂“尋址就是根據指令中的地址碼信息找到操作的對象的過程”這一基本原理，從操作數可能的存儲位置出發(fā)分析各種尋址過程，突出尋址方式與數據通路設置的相互作用關系，從而引出計算機內部兩種主要信息流之一——“數據流”的概念。

2.1.2模型計算機作為簡明示例

模型計算機系統(tǒng)處于基本原理和真實計算機系統(tǒng)兩個層次之間，具有基本的計算機系統(tǒng)功能而刪減了性能、成本等，優(yōu)化了技術細節(jié)，學生運用所學習的基本原理知識就可以完成模型機的設計和分析。通過設計實現一臺簡單的模型計算機系統(tǒng)，增加學生對所學知識的理解深度和應用能力。例如，在介紹尋址方式的概念后，通過擬定模型計算機指令系統(tǒng)、設計模型計算機數據通路的實踐，學生對指令格式與尋址方式、尋址方式與數據通路設計之間作用關系的理解更加深刻，在印證理論知識的同時加深了對基本原理的理解。

2.1.3以真實計算機系統(tǒng)作為實例

以真實的計算機系統(tǒng)舉例，不但可以運用課堂所學的基本原理，還可以貼近計算機硬件設計的技術發(fā)展前沿。在教學中，我們分別以精簡指令集（RISC）和復雜指令集（CISC）兩種處理器架構的代表MIPS和Pentium為例，說明不同的計算機系統(tǒng)設計理念產生了不同的寄存器設置、內部數據通路設計、時序控制方式及中斷等外設控制方式。例如，在尋址方式部分，通過x86系列計算機和MIPS計算機的機器指令集的具體示例，深刻揭示CISC架構和RISC架構計算機的區(qū)別，為后續(xù)的系統(tǒng)結構課程學習打下良好基礎。一方面提高了學生的學習興趣，另一方面彌補了教材與實際系統(tǒng)的縫隙，既注重基礎又體現了時代特性。

2.2靈活運用多種教學方法

根據組成原理課程特點，我們采用了以下教學方法，取得了較好的教學效果。

2.2.1課堂教學多采用問題驅動

在講授新的單元內容之前，先對上一個單元進行簡單扼要的總結，然后利用“接下來的內容將要解決的是什么問題”或者“還有什么更先進的方法”等問題引起學生興趣，導出新的教學單元。例如，在講授補碼加減法時，教師通過分析原碼加減法操作過程中需要比較操作數絕對值大小，使學生認識到原碼表示法不適合于加減運算，從而引入補碼表示法和補碼加減運算的內容；同理，在介紹乘除法器設計時，也通過設問方式，讓學生自主選擇適合的機器數表示形式及運算方法。通過提問，促使學生主動思考問題，進而比較自己的解決方法和已有方法的不同，發(fā)現好的思維方法，促進學生學習的主動性。

2.2.2突出理論知識的實際應用

在教學過程中，講授計算機基本組成和工作原理的同時，注意使所學的理論知識用于指導實踐操作，激發(fā)學生學習的積極性和主動性。例如，在講授控制器內容時，教師在講授完控制器的基本組成和工作原理后，可以通過一個只能執(zhí)行幾條指令的最簡單模型機的示例來說明控制器設計的5個基本步驟：擬定指令系統(tǒng)、確定數據通路、安排時序、編寫微操作時間表和微命令序列、控制邏輯實現。然后，讓學生獨立完成對該模型機的功能擴展，通過實踐比較不同方式實現可擴展性的難易程度。

2.2.3合理設置課后習題

為方便學生課后復習，我們遵循驗證所學、啟發(fā)思考的選題思路，選取有代表性的習題編輯成《計算機組成原理知識要點及習題解析》。習題主要包含兩部分：一是針對理論課教學中一些比較抽象的、容易混淆的基本概念和基本原理而設計的習題；二是針對基本理論的運用和應用而設計的習題。教師通過了解第一類習題的完成情況，可以及時發(fā)現教學中的問題，對于學生普遍掌握不好的內容可以采取適當的方法進行補充，以達到單元教學的目的；對第二類習題，教師組織學生討論，進行集體學習，在各種解決方案的提出、論證、分析以及評估過程中，通過解決已有問題并提出新的問題的學習活動，使學生們的獨立思考能力得到很大的鍛煉和提高。

2.3充分利用多種教學手段

組成原理課程中介紹的很多工作過程都發(fā)生在芯片內部，內容很抽象。本文利用計算機動畫演示各部件連接關系、數據流、控制流以及工作時序等內容，不僅能把高度抽象的知識直觀地顯示出來，而且借助于聲音、圖像的多重作用幫助學生加深理解。例如，通過動畫演示指令執(zhí)行的全過程，包括取指、分析譯碼及在微命令控制下各部件執(zhí)行指令流程等內容，使學生迅速地了解CPU的整個工作過程并且課下還可以反復觀看，提高了知識傳授效率。此外，還建設了組成原理課程網站，把講課的視頻、相關資料和自測系統(tǒng)放到教學網站上，方便學生課后學習和進行自我評價。另外，提供一些相關的硬件知識網站和論壇的鏈接，鼓勵學生通過網絡自主學習，擴大知識面。

2.4加強實踐教學環(huán)節(jié)

“計算機組成原理”屬于工程 性、技術性和實踐性都很強的課程，因此在開展理論教學的同時，也要非常重視實踐教學環(huán)節(jié)。哈爾濱工程大學計算機科學與技術學院的組成原理教學團隊一直致力于計算機硬件系列課程教學內容的研究，并在原有講義的基礎上編寫了系列實驗教材。

2.4.1實驗課程設置

實驗教學內容可分為3個層次：基礎驗證型實驗、設計應用型實驗和綜合設計型實驗。3類實驗難度依次遞增，分別在組成原理實驗箱和FPGA開發(fā)板上進行（見圖2）。

1）基礎驗證型實驗。

該類實驗利用計算機組成原理教學實驗箱完成，包括運算器實驗、存儲器實驗、總線傳輸實驗和微程序控制器實驗，實驗目的是讓學生掌握實驗系統(tǒng)單元模塊的內部結構及相關集成電路芯片的基本邏輯，理解單元模塊的工作原理及該模塊在整機系統(tǒng)中的作用。通過基礎驗證型實驗，學生加深了對理論課教學內容的理解。

2）設計應用型實驗。

該類實驗要求學生利用硬件描述語言VHDL進行功能部件的邏輯設計，在計算機上功能仿真通過后，再下載到可編程邏輯器件中進行物理測試。例如，在基于FPGA的運算器設計實驗中，學生設計并實現一個16位運算器，實現基本的算術和邏輯運算，完成后下載到FPGA開發(fā)板上測試。學生對于這類實驗課的積極l生很高，提出了一些獨特的設計方案。

3）綜合設計型實驗。

在前面已完成的各功能部件邏輯設計的基礎上，要求學生設計一個16位RISC架構的模型計算機，并在FPGA開發(fā)板上實現。該類實驗幫助學生掌握微程序控制計算機的設計方法，加深了解微程序的特點，理解指令流和數據流的流動過程，建立起整機概念。微程序設計技術是計算機組成原理理論教學中的一個難點，核心內容是理解在微程序的控制下處理器如何完成基本數據的通路操作。內容涉及時序安排、微指令編碼方式、微程序設計等許多概念，學生感覺難以理解。綜合設計實驗使學生從微觀角度分析微程序執(zhí)行的整個過程，并通過親手解剖一個小小的“麻雀”來了解微程序控制單元的設計方法。

2.4.2實驗教材

課程組教師在實驗課程講義的基礎上，整理編寫了《基于FPGA的硬件系統(tǒng)設計實驗與實踐教程》，該書已由清華大學出版社出版發(fā)行。該書基于可編程邏輯器件開發(fā)平臺，配合“數字邏輯”、“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結構”等課程的實驗內容，通過浮點運算電路、有限狀態(tài)機、RISC模型機設計等實驗用例的訓練，使學生了解數據在計算機中的表示、傳輸、處理，以及控制信息是如何完成對計算機系統(tǒng)進行控制的，建立起計算機系統(tǒng)的整機概念。采用FPGA芯片實現硬件設計實驗，具有開發(fā)速度快、方便、可靠等優(yōu)點，并且基于SRAM工藝的FPGA芯片可以反復編程，幾乎沒有器件損耗，大大降低了實驗室的維護成本。另一方面，基于FPGA的計算系統(tǒng)設計已經在無線通信、工業(yè)控制等諸多領域得到實際應用。在計算機專業(yè)硬件課程的實驗教學環(huán)節(jié)中引入相關內容，對于提高學生實際動手能力和就業(yè)競爭力都有非常大的幫助。

3 結語

“計算機組成原理”課程通過從底層剖析電子數字計算機的基本組成和工作原理，使學生掌握計算機硬件系統(tǒng)的基本設計技術并培養(yǎng)系統(tǒng)觀點，從而訓練學生的計算思維和解決數字系統(tǒng)實際問題的能力。通過哈爾濱工程大學計算機科學與技術學院近年來不斷探索“計算機組成原理”課程的教學改革并積極實踐，提高了課程的教學水平和教學質量，促進了課程的建設與發(fā)展，對培養(yǎng)學生的硬件設計能力和系統(tǒng)思維能力起到了積極的作用。在以后的工作中，還需注意結合社會需要，將計算機硬件技術的新成果引入到教學內容中，不斷提高教學水平。