“計算機組成原理”課程教學改革的思路和目標

摘 要 本文以全新的觀點和有效的方法介紹了計算機組成原理課程的教學改革思路和目標。論文的主要貢獻是，在這門課程的教學和研究中首先提出并實施了三大教學理念。

·掌握設計CPU的方法、步驟和具體的技能

·具備邏輯上設計計算機的能力

·熟悉現代微機所采用的新技術，了解下一代CPU發展的新動態

為體現深入淺出的教學方法，本文提出了對通用CPU進行分類的觀點，以達到更好的教學效果。

關鍵詞 教學改革設計CPU

1計算機組成原理課程的教學現狀

計算機組成原理教學大綱都有以下或類似的描述：“計算機組成原理課程是計算機科學各專業的一門核心課程，本課程的任務是使學習者掌握計算機系統中硬件部分的組成原理，掌握計算機的基本工作原理、計算機各主要部件的硬件結構、相互聯系和作用，從而對整個計算機系統從硬件角度有完整的了解，為本專業后繼課程的學習打下基礎。”

顯然這樣的教學大綱很難培養大學生的創新能力，更不能滿足我國“十一五”規劃關于提高自主創新能力的長期戰略目標對人才的需求。毫無疑問，所有“211工程”高校應為國家培養出大批具備創新能力的合格人才。

2改革的思路和目標

現代電子數字計算機，包括專用電子數字計算機、通用電子數字計算機（簡稱計算機或電腦），都是基于馮·諾依曼機（Von Neumann）的理論設計并發展而成的。

馮·諾依曼機主要由以下五部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。

現代通用計算機和馮·諾依曼機之間的最大區別是：馮·諾依曼機以“運算器為中心”，現代通用計算機以“存儲器為中心”。

馮·諾依曼機的CPU僅包括運算器和控制器。隨著集成電路平面制作工藝的出現，這兩大部分往往集成在同一芯片上。因此，通常將它們合起來統稱為中央處理器（Central Processing Unit），簡稱CPU。雖然經歷了60年的發展，CPU的內部結構發生了很大的變化，但其實現的功能（指令控制、操作控制、時間控制和數據加工）是不變的。

計算機的核心是CPU，要想真正掌握計算機工作原理，首先要懂得CPU的工作原理。而要懂得CPU的工作原理最有效的途徑就是掌握設計CPU的方法、步驟和具體的技能。同理，掌握計算機工作原理最有效的方法是學會在邏輯上設計計算機的技能。為了進一步結合實際和拓展同學們的視野，我們分析和講述了當前市場上最先進的CPU及微機所采用的新技術，如CPU的字長、Cache 的大小和級數、最大和實際的尋址空間、擁有的流水線條數、超線程、工藝制程和核心電壓、支持的最高頻率和指令集、最新南北橋主要技術指標及前端總線（FSB）的速度和內存帶寬等，拉近了與同學們的距離并激發了同學們的學習興趣。根據這一思路，提出學習這門課程應達到如下目的：

·掌握設計CPU的方法、步驟和具體的技能；

·具備邏輯上設計計算機的能力；

·熟悉現代微機所采用的新技術，了解下一代CPU發展的新動態。

講述設計CPU知識，首先要解決同學們的思想認識問題。不要一談到CPU就只想到Pentium 4甚至雙核CPU Pentium D。因為CPU有通用、專用、嵌入式系統等多種類型。對于已經發展了60年的通用CPU大致可分為如下幾類：

① 馮·諾依曼型CPU

運算器、控制器

② 現代簡單CPU

運算器、控制器、寄存器（專用和通用）

③ 現代較復雜CPU

運算器、控制器、寄存器（專用和通用寄存器堆）、Cache、流水線

④ 現代復雜CPU

運算器、控制器、寄存器堆、多級Cache、多條流水線

⑤ 雙核（多核）CPU

我們要求掌握的是現代簡單CPU設計方法、步驟和技能，而非高端產品Pentium 4的技術。在此基礎上為日后開發出擁有自主知識產權的專用CPU（如專用于空調機、微波爐、洗衣機等）和嵌入式系統的CPU（用于手機或小汽車等機電一體化）奠定基礎。據預測到2010年我國對這兩類CPU的需求消耗量將達到6000億元人民幣。這樣，同學們的視野就開闊了。更重要的是學習興趣和自信心都大大提高了。這樣一來，就自然會把同學們被動接受知識轉變為主動的學習狀態。從而激發了他們強大的學習動力，為能達到這樣的學習目標，他們會認真搜集有關資料，會努力配合老師的講課內容和進度做預習和復習。在充分調動了同學們的學習積極性后，為加強同學之間的合作精神，我們布置了一個基于RTL（寄存器描述語言）由兩人一組完成的大作業——“設計一個現代簡單CPU”（指令集根據需要而確定。分別用硬布線和微程序兩種方法，并比較兩者的優缺點）。

完成這個課題后，同學們馬上就會想到如何提高CPU的速度和功能等問題，通用寄存器、新的數據表示、新的指令（保證向上兼容）、雙總線、三總線、Cache、流水線……這正是他們今后能夠深入并有能力解決的問題。

關于設計計算機，我們可以考慮給出一個完整的但不十分復雜的計算機主機板部分作為范例，至少必須包括有CPU、存貯器、I/O端口。這樣同學們就更容易、更具體地掌握CPU和存貯器連接的三類線(數據線、地線線、控制線)；體會到存貯器組織的幾種方法（存貯器的位擴展、字擴展、位字同時擴展）；由于有I/O端口，可分別考慮I/O統一編址和I/O獨立編址的設計。通過上述兩個綜合應用的實例能很好地解決同學們普遍存在的“對于課本的內容拆開來都能理解，但合起來就不知所云了”這類致命的學習問題。

絕大多數同學在做完設計CPU課題后寫出了感想，大家的感受都體現了努力后的那“一分耕耘，一分收獲”的成就感和滿足感，且這種感受是無法用語言表達的。同時又發現設計CPU不像原先想象中的那么“難以靠近”。2002級4班有一位同學這樣寫到：“由于以往對硬件方面的學習大多數只停留在理論，或者是去實驗室作簡單的實驗，而并沒有聯系實際，去體會它們的工作原理。特別是像CPU這么核心的技術，光懂得原理的話，可能過一兩年又會忘得差不多了。但是現在，不但可以更深刻地體會和學習CPU的工作原理，而且還掌握了一門實踐性很強的技術，我想所有人過十年，二十年后還是不會忘記的。理論離開了實踐，永遠只是虛無的理論，猶如紙上談兵。在目前普遍缺少實踐指導的學習上，老師要求我們增強實踐能力，是反映了同學的心里期望的。盡管這個學期任務非常重，但是大家沒有半句怨言。所以，這說明了設計計算機，設計CPU是我們心里非常想學的東西。因此，我強烈希望這樣的措施可繼續實施下去，辛苦老師了。”

3實施的成效

計算機組成原理課程教學改革的思路和目標在我們學院已實施了兩屆（第一次是在2002級）。2005年12月5日開始，教育部對我校進行本科教學工作水平評估，并聽取了我講授2003級的該門課程，得到專家組的一致肯定。此外，還可從這兩屆學生的體會、反應和圖1數據得出，教學的效果非常理想，教學的目標基本實現。2006年9月在2004級也實施這一改革理念。

為了準確掌握這一改革的真實情況，對2002級（1～6班，回收問卷191份）、2003級（1～5班，回收問卷207份）全級都作了如下的問卷調查：“你認為本學期所進行的《計算機組成原理》課程的教學改革是否有必要？”四選一回答：很有必要、有必要、無意見、無必要。

結果是：回答很有必要 302人、有必要 89人、無意見 5人、無必要 2人。參看圖1。

4結束語

上述強調的“自主知識產權的CPU”在非常時期對國家的安全起到了關鍵性的作用，以導彈和導航系統為例，必須用“有自主知識產權的CPU”才能從根本上完全掌握和控制其發射和運行軌道的正確性和可靠性。

中國科學院院長路甬祥院士在廣州舉行的“第七屆海內外設計與制造科學會議”作報告時指出：“如過多依賴國外的先進技術而沒有自己的創新，自給率低；高層次人才嚴重缺乏，特別是能參與國際競爭的戰略科學家太少。目前制造業的許多領域還停留在國際價值鏈分工的低端，改變這種狀況必須在制造業領域創造中國人自己的設計理論、方法和先進制造工藝技術，創造具有中國自主知識產權的裝備、儀器、工程系統。長期從事計算機應用及研究的專業人士指出“微處理器的研發絕對是一個國家的計算機水平的尖端體現”。

大家是否有發現，形形色色的 OEM和并非少數的ODM其實是我國IT產業的“毒品”。尤其是在硬件方面幾乎處處出現了瓶頸。究其原因使我們不能不正視產業中的核心技術——CPU!!!

中華民族創造的古老文明，可以說是地球上唯一歷數千年而不衰的文明。然而，我們也面臨著嚴峻的挑戰，審視我們的科學發現和技術發明，唯獨缺少誕生在這片土地上的創新貢獻。問題出在哪里？其中一個因素應該是我們的大學到現在還沒有培養出能掌握這一核心技術的大量合格人才，離創新的路就更加漫長了。

我們正是基于這一目的而邁出的第一步。只要堅持不懈，中華民族設計的各類CPU終有一日能達到世界先進水平。

參考文獻

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