“計算機(jī)組成原理”與“計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學(xué)研究

摘要：本文針對CP與CA課程內(nèi)容重復(fù)的問題進(jìn)行研究，在全面分析研究兩門課程的性質(zhì)和關(guān)系的基礎(chǔ)上，合理地調(diào)整兩門課程的內(nèi)容，實際試用取得了一定的效果。

關(guān)鍵詞：CP；CA；教學(xué)內(nèi)容；內(nèi)容重復(fù)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 引言

“計算機(jī)組成原理”(CP)是高校計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的一門必修的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，它不僅可使學(xué)生剖析和體驗計.算機(jī)的基本組成和工作原理，掌握計算機(jī)系統(tǒng)的基本設(shè)計技術(shù)，而且可培養(yǎng)學(xué)生分析和解決數(shù)字系統(tǒng)實際問題的能力，同時也是培養(yǎng)計算機(jī)系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)集成技術(shù)人員的一個有效的教育環(huán)節(jié)。它在整個專業(yè)課的教學(xué)中，起到了承上啟下的作用，是“微機(jī)接口技術(shù)”、“匯編語言程序設(shè)計”、“計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等后繼課程的基礎(chǔ)。該課程以計算機(jī)5大部件內(nèi)容為主線，以內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理為重點，介紹計算機(jī)內(nèi)部各功能部件的結(jié)構(gòu)和工作原理及其構(gòu)成整機(jī)的原理。

“計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”(CA)是計算機(jī)領(lǐng)域中的一門重要學(xué)科，它強調(diào)從總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)分析這一角度來研究計算機(jī)系統(tǒng)。學(xué)習(xí)本課程，對于培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)地、自上而下地分析和解決問題的能力和抽象思維能力有著非常重要的作用。本課程通過講解計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的新發(fā)展，把國內(nèi)外體系結(jié)構(gòu)方面比較成熟的研究成果和關(guān)鍵技術(shù)融入課程當(dāng)中，并把前續(xù)的“數(shù)字邏輯”、“計算機(jī)組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“編譯原理”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“匯編語言程序設(shè)計”等課程中所需的軟硬件知識有機(jī)地結(jié)合起來，從而建立起計算機(jī)系統(tǒng)的完整概念。

由此可見CP與CA有著緊密的聯(lián)系，在現(xiàn)有的教材中甚至出現(xiàn)了比較多的重復(fù)，在學(xué)生中引起比較大的反應(yīng)。本文主要針對這一問題進(jìn)行研究，擬在理順這兩門課的關(guān)系，調(diào)整好兩門課程的教學(xué)內(nèi)容。

2 教學(xué)內(nèi)容的研究

在cP與CA系列教材中，兩門課程出現(xiàn)重復(fù)的內(nèi)容有：計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和計算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)；浮點數(shù)據(jù)的表示、尋址技術(shù)、指令格式的優(yōu)化設(shè)計、復(fù)雜指令系統(tǒng)(CISC)和精簡指令系統(tǒng)(RISC)：高速緩沖存儲器(Cache)和虛擬存儲器工作原理和地址的映像與變換；輸入輸出系統(tǒng)的原理和方式、中斷系統(tǒng)的工作原理：流水線工作原理。重復(fù)的結(jié)果不僅占用了CA課程寶貴的課時，而且使學(xué)生產(chǎn)生了厭學(xué)情緒。CP與cA兩門課程究竟如何分工?該不該重復(fù)?又該怎么重復(fù)?是教學(xué)中值得研究的問題，也是亟待解決的問題。

在課程內(nèi)容的選擇上，以教學(xué)大綱為依據(jù)，按照學(xué)科知識體系的完整性和適時性原則組織課程內(nèi)容。在內(nèi)容上做到?jīng)]有知識的簡單重復(fù)、沒有重要知識的缺失，同時要刪除已過時知識，并補充新知識，從內(nèi)容方面激發(fā)、吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文重點研究分析重復(fù)內(nèi)容的必要性、可完善性和創(chuàng)新性。

對于計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，在CP中作為概述來介紹，以了解微程序在計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中的位置，可以更好地理解軟件、硬件、固件的地位和作用；而在CA里則是從概念和功能上將計算機(jī)系統(tǒng)看成多級層次結(jié)構(gòu)，這樣有益于理解各種語言的實質(zhì)和實現(xiàn)途徑，探索虛擬機(jī)新的實現(xiàn)方法和新的系統(tǒng)設(shè)計。所以計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)的概念在CP課程和CA課程中是必需的內(nèi)容。

關(guān)于計算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，由于在CP中講述的是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)各組成部分的工作原理，所以了解各組成部分的性能指標(biāo)是必要的；而在CA課程中用性能指標(biāo)來衡量計算機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，所以有必要更深入分析CPU時間、MIPS、MFLOPS和成本指標(biāo)。

對浮點數(shù)據(jù)的表示，在CP課程中介紹了浮點數(shù)據(jù)的表示格式和表示范圍，在CA課程中不必再重復(fù)，只需介紹浮點數(shù)的基數(shù)的選擇、表數(shù)精度和表數(shù)效率，然后介紹浮點數(shù)的IEEE 754表示；當(dāng)然對于高級數(shù)據(jù)的表示，在CA課程中是必需的。

對于指令系統(tǒng)，在CP中介紹指令的格式、尋址方式和操作碼的擴(kuò)展編碼方式，最后介紹CISC和RISe的概念和示例；在CA課程中主要介紹指令格式的優(yōu)化，CISC和RISC設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

輸入輸出系統(tǒng)的原理和方式、中斷系統(tǒng)的工作原理在兩門課程中是重復(fù)最多的一部分，CA較CP多出了通道處理機(jī)和輸入輸出處理機(jī)簡介，可以歸入CP課程。但考慮到中大型計算機(jī)的輸入輸出系統(tǒng)在計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中是很重要的部分，所以可以將通道處理機(jī)和輸入輸出處理機(jī)在CA中介紹，同時將CP中的系統(tǒng)總線簡介也歸于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并從系統(tǒng)設(shè)計的角度去介紹。

高速緩沖存儲器和虛擬存儲器工作原理以及地址的映像和變換在兩門課程中也是重復(fù)較多的。在CP中可以僅介紹其工作原理；而在CA課程中重點在于其性能分析，深入學(xué)習(xí)替換算法及其實現(xiàn)，分析提高存儲器系統(tǒng)命中率和性能的方法。

對于流水線工作原理，在CP中僅介紹了流水線、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)的概念，但在CA中要學(xué)習(xí)流水線處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)與超流水處理機(jī)，其中包括先行控制技術(shù)、流水線原理、流水線性能分析、非線性流水線的調(diào)度方法、局部數(shù)據(jù)相關(guān)和全局?jǐn)?shù)據(jù)相關(guān)、超標(biāo)量超流水超長指令字處理機(jī)和向量流水和向量處理機(jī)，其內(nèi)容遠(yuǎn)多于CP，因此這部分內(nèi)容完全歸入CA比較合理的。

在CA與CP中的未重復(fù)的內(nèi)容，比如向量處理、SIMD并行計算機(jī)、SIMD計算機(jī)的互連網(wǎng)絡(luò)、多處理機(jī)將作為重點內(nèi)容在CA中介紹。而在以上分析中，由于CA課程的內(nèi)容部分歸入了CP，所以可以在CA課程中添入新的內(nèi)容，比如多處理機(jī)算法，包括并行搜索算法、串行算法到并行算法的轉(zhuǎn)換、同步并行算法和異步并行算法，并行程序設(shè)計語言及其實現(xiàn)方法。最后可以介紹計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的新發(fā)展，包括數(shù)據(jù)流計算機(jī)、數(shù)據(jù)庫機(jī)與知識庫機(jī)以及面向函數(shù)程序設(shè)計語言的歸納機(jī)。

以上對CP與CA兩門課程的重復(fù)內(nèi)容進(jìn)行了分析研究，擬在理清兩門課程的關(guān)系，合理解決兩門課程的內(nèi)容重復(fù)問題。

3 解決方案

解決該兩門課程內(nèi)容重復(fù)的宗旨在于把握CP注重原理介紹，而CA注重高性能設(shè)計和并行處理。通過對兩門課程的內(nèi)容的研究和分析，調(diào)整后的內(nèi)容如表1所示。

將表1中CP的第2、5章與CA的第2章、CP的第7章與CA的第3章、CP的第4章與CA的第4章分別進(jìn)行比較，雖然在章名上有些類似，但其內(nèi)容并沒有重復(fù)。一個注重原理，另一個側(cè)重系統(tǒng)性能、并行處理系統(tǒng)以及進(jìn)一步提高計算機(jī)性能的新技術(shù)。CP是CA的基礎(chǔ)，CA是CP的擴(kuò)展，從提高計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能的角度出發(fā)，從單處理機(jī)走向并行處理機(jī)，走向新型體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)，這正是CA的研究方向，展示了計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的美好前程。

4 結(jié)語

本文旨在通過合理的安排兩門專業(yè)必修課程的內(nèi)容，解決CP課程與CA內(nèi)容重復(fù)的問題。其研究成果首先從課件調(diào)整開始，已經(jīng)試用了一屆學(xué)生，取得了一定效果，學(xué)生反映課程重復(fù)的意見減少了。后期工作將在教材改版時全面實施。從表面上來看本研究是調(diào)整好兩門課程的內(nèi)容；而深層次上是在學(xué)習(xí)原理的基礎(chǔ)上，研究提高計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能的方法與技術(shù)，對新型計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)與研究，有望在不久的將來打破馮·諾依曼計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的模式，在計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計上來一個質(zhì)的飛躍。本文的研究成果對大學(xué)本科教學(xué)中這兩門課程的教學(xué)與新型計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的深入研究有重要的意義。