“計算機組成原理”課程實踐與理論教學體系關聯性研究

蔣本珊 王 娟 馬忠梅

摘要:本文通過分析“計算機組成原理”課程的特點,闡明理論與實踐環節必須有機結合,不能完全脫節的觀點。結合本校“計算機組成原理”課程教學的體會,總結注意實踐教學體系和理論教學體系的關聯性,推動實踐教學體系改革的經驗。

關鍵詞:計算機組成原理;理論教學體系;實踐教學體系;硬件實驗

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

“計算機組成原理”課程是計算機科學與技術、軟件工程等相關專業本科生的主干核心課程,是必修的專業基礎課,同時又是碩士研究生入學專業基礎課全國統一考試的科目之一,在計算機及相關專業本科生的教學計劃中起著承上啟下的重要作用。

隨著計算機技術的飛速發展,“計算機組成原理”課程的內容也不能一成不變,只有保證課程教學內容及實驗手段的先進性,才能確保課程教學效果的優秀性。目前,“計算機組成原理”課程的理論教學體系比較成熟和完善,但實踐教學體系建設相對滯后,實驗內容和實驗手段比較落后。造成這一現象的原因除實驗條件等客觀因素以外,也與國內高校中實際存在著的“重理論,輕實踐”、“重軟件、輕硬件”的傾向是分不開的。

1理論教學和實踐教學必須有機結合

“計算機組成原理”課程首先強調基本概念和基本原理的學習,對計算機的各大基本部件的組成原理、設計方法及相互關系都進行了較詳細的介紹,使學生了解計算機系統的層次化結構概念,熟悉一些典型的有代表性的計算機結構,弄清硬件與軟件之間的接口界面,建立起一個完整的計算機系統的整機概念,為后續課程的學習準備必要的硬件方面的基礎知識。同時本課程又具有很強的實踐性,必須注重理論與實際應用相結合,以避免理論和實際脫節。在計算機技術飛速發展的今天,硬件的許多理論知識只有通過實驗環節才能加深理解,實驗將使學生掌握計算機硬件設計、制造、調試和運行維護等多方面的技能。培養和訓練學生的動手能力、創新能力以及認真、嚴謹的科研作風。

我校的“計算機組成原理”課程共分理論和實踐兩門獨立的課程,其中理論課程56學時(3.5學分),實踐課程32學時(2學分)。兩門課程均有獨立的教學大綱,均為必修環節,分別單獨在不同的學期設置,單獨計算學分,單獨考核。理論和實踐課程的比例為1.75∶1。

在理論教學中,我們在參考CC2005課程體系和CCC2002對“計算機組成原理”課程所列知識點的基礎上,不斷完善課程的教學大綱和教學內容。在講授基本原理的過程中,注意融入計算機發展的新技術和新動向,注重基礎理論與先進技術的融合。使得本課程內容既符合計算機技術的發展潮流,又具有專業基礎課的相對穩定性。56學時的理論課程全部采用課堂教學方式,以多媒體課件為主,適當使用一些板書。教學中注意與學生的交流和互動,經常會向學生提出一些小問題,請學生思考并回答。講課中注意多舉例,多比喻,將深奧、難以理解的問題與日常生活中的實際例子相對應。

實踐課程安排在短學期,暑假前三周,以學生動手為主,在硬件實驗室中進行,這樣做的目的是為了使學生有一段相對集中的時間,學生以自然班為單位在指定的時間輪流到實驗室。根據學生的實驗結果以及提交的預習報告、實驗報告并結合學生個人在實驗中的表現評定成績。

多年來,我們堅持由理論課的主講教師同時擔任實驗課的主講教師,并親自設計實驗方案、親自參與實驗輔導,理論課和實驗課的教師來自于同一教學團隊,避免了實驗環節與課堂教學完全脫節,將實驗任務簡單地交給實驗員了事的現象。

我校的“計算機組成原理”課程具備獨立的理論教學體系和實踐教學體系,這兩個體系既獨立又緊密結合。計算機組成原理理論課程是實踐課程的基礎,同時實踐課程又為了配合理論課程。如果將實踐教學體系和理論教學體系完全割裂開來,學生只知道理論,不知道理論怎么結合實際,起什么作用,或者學生不知道為什么要做這些實驗,這些實驗涉及到的理論知識點又有哪些,這樣理論知識就變成空中樓閣,抽象程度高,不好理解,同時實踐課程的效果也會大打折扣。

2實踐教學體系的不斷創新改革

目前,社會上對加強實踐環節的呼聲越來越高,教育行政部門對實踐教學的重視程度也越來越高,各專業教學計劃中實踐環節的比重也有所提升。為了加強實踐環節,有不少課程中都增加了一些單獨設課、單獨計算學分的實踐環節。但在實施過程中,確實有些課程的實驗環節和理論環節完全脫節,甚至是由兩個教學團隊來完成,互相之間不通氣,完全根據各自的教學體系開課,根據實驗設備條件開設實驗,這種將實踐環節與理論環節完全割裂開的方式是不可取的。

課堂教學是老師向學生傳授知識的重要途徑,但不是唯一的途徑。對于“計算機組成原理”課程來說,僅僅靠課堂教學顯然是不夠的。近年來,我們既注意實踐教學體系和理論教學體系的關聯性,使我們精心設置的每個實驗均有相應的理論支撐,每個實驗的實驗目的明確,實驗任務、實驗要求清晰;同時又對實驗內容進行過多次更新和改進,不斷減少原理驗證性實驗的比重,增加學生自主設計實驗的比重,推動了實踐教學體系的改革。

計算機組成原理實驗歸屬于硬件實驗,目前,我們開設的計算機組成原理實驗中既有驗證性的實驗、也有綜合性、設計性的實驗,既有計算機的部件實驗,也有整機實驗,下面簡要的介紹3種不同的類型的實驗。

2.1傳統的計算機部件實驗

本實驗屬于驗證性的實驗,要求學生按照要求利用中規模集成電路芯片構成一個簡單的硬件模塊,自己動手連線和調試。例如,總線傳輸實驗就要求學生利用常見的三態輸出器件建立一個簡單的8位數據總線傳輸電路,通過總線并利用RAM實現存放在兩個寄存器中的不同數據的交換。實驗目的在于了解和掌握總線的分時與共享特性、傳輸控制技術、靜態RAM的讀寫原理和使用方法以及三態輸出器件的性能和使用方法。

這類實驗由于需要大量的連線,可能會因為接觸不良等原因使實驗工作量加大。但我們認為這類實驗對于培養學生寄存器級硬件故障的檢錯和排錯能力還是有積極作用的,這就是我們至今仍保留一個簡單的傳統的硬件實驗的原因。為避免花費過多的時間用于連線,我們將這類實驗的任務盡可能簡化,將實驗的主要考核點放在電路的設計和調試的過程中。這類實驗的不足之處是比較簡單,難以進行有創意的或綜合性較強的設計性實驗。

2.2基于FPGA的計算機模塊設計實驗

本實驗屬于設計性實驗,要求學生采用硬件描述語言進行邏輯設計,首先在計算機上進行功能仿真,最后下載到可編程邏輯器件中測試的方法。例如,在基于FPGA的運算器設計實驗中,我們要求學生用硬件描述語言設計并實現一個16位運算器,支持基本的算術運算和邏輯運算,設計完成后下載到DE2開發板上測試。

這類實驗對設計方案沒有任何限制,對于所連接的輸入、輸出設備允許有多種選擇,可以使用DE2開發板上的資源(如開關、按鍵、LED燈、數碼管和LCD),也可以使用外接的小鍵盤、大鍵盤和VGA顯示器,學生可以根據自己的情況自行選擇設備,最終根據使用設備的難易程度和設計實現的功能計分。對于這類實驗,學生的積極性很高,有不少學生提出了獨特的設計方案,對學生創新能力的培養具有積極作用。

通過對國內外相關情況的調查、分析、研究,借鑒國內外高校的經驗,我們從2005年開始提出了將硬件描述語言和可編程邏輯器件引入計算機組成原理實驗的設想,首先在計算機組成實驗中加入了VHDL實現的實驗內容,以取代部分傳統的硬連線實驗,接著又在教學計劃中增設了“VHDL與計算機硬件模塊設計”選修課程,讓學生掌握一種硬件描述語言,會使用先進的EDA工具軟件進行硬件設計。開始時由于設備的限制,學生還只能完成在軟件環境下的功能設計和模擬仿真,這使得很多學生感覺不盡興。目前,我校配置了DE2開發套件,所有的實驗都能下載到DE2開發板上測試,與國外著名高校使用的軟硬件環境基本一致。

我們認為將硬件實驗完全軟化,實驗僅局限于在軟件環境下的功能設計和模擬仿真是不夠的,如果一味軟化,可能會使一部分學生只將注意力和興趣集中在各種編程環境、開發工具的使用上,對于硬件技術的學習和應用研究望而生畏。這種現象的后果是造成學生的知識結構偏軟,硬件基礎比較薄弱,不能完全滿足社會對軟硬件相結合人才的需求。

2.3整機設計實驗

這是一個大的綜合性、設計性實驗,要求學生利用實驗設備所提供的硬件資源(基本功能模塊、控制臺及外設等),設計一臺具有16條指令的微程序控制的實驗計算機。其目的在于使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;通過設計和調試,了解計算機如何執行指令,如何控制I/O設備工作;掌握在具體實驗計算機的整機邏輯框圖下,指令流和數據流的流動過程,建立整機概念。

微程序設計技術是計算機組成原理理論課程教學中的一個難點,由于微程序控制單元看不見,摸不著,涉及微程序控制的許多概念難以理解。整機設計實驗將使學生了解微程序執行的整個過程,讓學生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。

我們給每組學生分配一張指令表,指令表中包含十余條不同的機器指令,要求學生根據實驗計算機整機邏輯圖來設計指令系統中每條指令的執行流程,設計微操作控制信號和微指令格式,確定初始微地址和后繼微地址的形成,然后根據指令流程和微指令格式編寫出每條機器指令所對應的微程序,同時還要針對每條機器指令編寫相應的測試程序,以測試微程序的正確性。我們還要求學生自主設計給定指令表上沒有的指令,以培養學生的舉一反三的能力。

從實驗的開展情況來看,由于實驗工作量比較大,獨立完成有一定難度,確有少數同學表現比較消極,希望通過借鑒、拷貝等方式來完成任務。針對這種情況,我們在實驗的驗收階段增加了提問環節,以此來甄別實驗是否獨立完成。

3未來設想

我們將繼續堅持實踐教學體系與理論教學體系有機結合,鼓勵青年教師投身實踐教學改革,使實驗為理論教學服務,實驗為創新設計服務,全面提升“計算機組成原理”課程的教學質量。

希望通過幾年的努力,不斷完善“計算機組成原理”課程實踐教學體系,建設一個與國際接軌的,能夠體現研究型大學特點的,綜合性、研究性的硬件實驗基地,突破傳統的以驗證性為主的實驗模式,增加大量設計性和綜合性實驗,讓學生通過自主學習,合作學習以及研究型學習,完成創新型實驗項目的完整設計和調試過程,提高學生的動手能力和創新能力。

下面是我們正在設計實現并且日趨完善的教改思路:

(1) 根據因材施教的思想,我們將未來的計算機組成原理實驗分成不同的層次,面向不同的對象。保證必做實驗的水平和質量;提高選做實驗的數量和種類,給學生更多的選擇和發展空間。

(2) 設置大型的綜合性實驗,突出計算機學科特色,滿足有興趣學生的需要,如讓學生自行設計計算機,包括CPU、存儲器、輸入輸出接口設計,甚至包括操作系統和軟件的設計,所有的設計最終都下載到開發板上實現,讓學生深入理解計算機系統的概念。

(3) 鼓勵學生以兩至三個人為一小組的形式搞創新活動,自主命題和設計方案,開發新的實驗內容,為參加學科知識競賽鍛煉隊伍和積累素材。

參考文獻:

[1] 蔣本珊,王娟,馬忠梅. 課堂教學-實驗-課外科技活動三位一體提升硬件類課程質量[J]. 計算機教育,2008(4):32-33.

[2] 蔣本珊,王娟,洪杰. 計算機組成原理實驗改革初探[J]. 實驗室研究與探索,2007(12):270-273.

[3] 蔣本珊,王娟. 將硬件描述語言引入計算機硬件類課程的探索[J]. 計算機教育,2006(8):49-50.

[4] 潘松,潘明 . 現代計算機組成原理[M]. 北京:清華大學出版社,2007.

[5] 中國計算機科學與技術教程2002研究組. 中國計算機科學與技術學科教程2002[M]. 北京:清華大學出版社,2002.