“計算機組成原理”的教材建設

摘要:該文通過分析CC2005計算機組成原理知識單元和計算機科學與技術專業研究生入學考試全國統考大綱,研究了新編教材的指導思想,指出教材建設應遵循知識結構具有通用性、內容組織具有合理性、教材內容具有實用性的思想。新編教材具有基礎性強、內容組織合理、取材先進、注重實踐、便于自學等特色。實踐證明,新教材的使用加深了學生對計算機組成和工作原理的理解,提高了學生的學習興趣和獨立思考的能力,收到了良好的學習效果。

關鍵詞:CC2005;計算機組成原理;教材建設

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

2007年6月,教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會計算機專業規范研究小組在對計算機科學、計算機工程、軟件工程和信息技術知識體和CC2005核心課程進行研究的基礎上,結合我國的實際情況,確定了我國計算機科學專業的15門核心課程、計算機工程專業的16門核心課程、軟件工程專業的24門核心課程和信息技術專業的15門核心課程,并給出了各專業包括的知識領域及知識單元。按照各個專業方向核心知識體系的要求,給出了“程序設計”、“離散結構”、“數據結構”、“計算機組成原理”、“計算機網絡”、“操作系統”和“數據庫系統”等7門課程作為這四個專業的公共核心基礎課程。

“計算機組成原理”作為計算機科學、計算機工程、軟件工程和信息技術這四個專業的公共核心基礎課程之一,它以計算機單機系統為研究對象,主要介紹計算機硬件各組成部分的基本組成、工作原理和邏輯設計。從課程地位來說,它在先導課程和后續課程之間起著承上啟下和繼往開來的作用。2008年4月國家教育部公布,從2009年起,計算機專業考研中的專業基礎課實行全國統一命題,專業基礎課由“數據結構”(占45分)、“計算機組成原理”(占45分)、“操作系統”(占35分)、“計算機網絡”(占25分)四個部分組成,并于2008年8月公布了統一的考試大綱,但并沒有給出統一的參考教材。因此,要建設一本既符合CC2005核心課程知識體系,又符合研究生入學考試全國統考大綱要求的《計算機組成原理》教材就顯得格外重要。

2教材編寫的指導思想

目前市場上已有較多的供本科生學習的《計算機組成原理》教材,但自從教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會2007年6月發布了“貫徹《高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范(試行)》”,以及2008年8月正式發布計算機科學與技術專業研究生入學考試專業基礎課全國統一命題考試大綱后,新編寫出版的教材較少,能完全涵蓋規范要求和考研大綱要求的知識點的教材就更少。我們的教材建設就是在上述背景下進行的,在教材建設時遵循了以下三條指導思想。

(1) 知識結構具有通用性

這里的通用性是指教材的知識結構能適應于計算機科學與技術一級學科下的各個專業,按照CC2005核心課程“計算機組成原理”在計算機科學、計算機工程、軟件工程和信息技術等四個專業中的知識單元和知識點分布要求,以及計算機科學與技術專業研究生入學考試全國統考大綱的要求,合理地組織教材內容,使四個不同的專業能根據自己的專業特點和大綱要求有選擇地學習教材中的某些內容,但必須包含考研大綱要求的全部基礎知識。

(2) 內容組織具有合理性

《計算機組成原理》教材要系統地講述了計算機最基本的組成和工作原理、分析方法和設計技術,以及有關的先進技術和在計算機組成方面的最新進展。在內容組織上,要根據計算機各組成部件及相互聯系采用整體“自頂向下”,細節“自底向上”的方法。

(3) 教材內容具有實用性

教材內容主要是寫給學生看的,所以在編寫時需要經常站在學生的角度來進行考慮。要使學生愿意看,看得懂,越看越有興趣,看后感覺有收獲,能將自己所學的理論知識與實踐動手結合起來,讓學生感覺到所學的知識能運用于將來的工作之中。另外,一本教材的篇幅不宜太長和字數太多,有些在相關課程如匯編語言、數字邏輯中學過的知識或將要在計算機體系結構、微機接口技術中詳細學習的知識沒有必要再作詳細的論述,教材力求“少而精”的原則。

3教材的內容組織

表1和表2分別給出了CC2005計算機科學專業和計算機工程專業中,“計算機組成原理”課程涵蓋的知識單元,表3給出了研究生入學考試計算機組成原理考試大綱涵蓋的知識單元和考核的知識點。通過分析CC2005和考研大綱對計算機組成原理知識點的要求,我們認為教材在系統地講述計算機最基本的組成和工作原理、分析方法和設計技術的同時,還應該介紹有關的先進技術和在計算機組成方面的最新進展。

根據整體“自頂向下”,細節“自底向上”的教學組織方法,我們將《計算機組成原理》教材的內容分為8章。第1章計算機系統概論主要講述了計算機的發展歷程,計算機系統層次結構,計算機系統的組成,計算機的工作過程,計算機性能,以及計算機的典型分類方式和應用領域。第2章運算方法和運算器講述了數值數據和非數值數據的

表示方法,定點數的運算方法和運算器,浮點數的運算方法和運算器,數據校驗碼。第3章存儲系統講述了存儲器的基本概念,半導體隨機讀寫存儲器和半導體只讀存儲器的組成及工作原理,半導體存儲器的容量擴展,雙端口RAM,多模塊交叉存儲器,相聯存儲器,Cache存儲器和虛擬存儲器。第4章指令系統講述了指令系統的發展與性能要求,指令格式,指令和數據的尋址方式,指令格式的分析與設計,典型指令系統舉例,CISC、RISC、退耦CISC/RISC和后RISC的基本概念。第5章中央處理器講述了CPU的功能和組成,指令周期,時序產生器,微程序控制器,硬連線控制器,流水線技術,提高單機系統指令級并行性的措施,現代微處理器舉例。第6章總線結構講述了總線的基本概念,總線標準,總線仲裁和總線通信,總線舉例。第7章I/O設備簡單介紹了典型I/O設備的工作原理和常見的性能指標。第8章I/O系統講述了I/O系統的基本概念,I/O接口的功能和基本結構,I/O端口及其編址,以及I/O設備數據傳送控制方式。

4教材的編寫特色

遵循教材編寫的指導思想和教材內容的組織思路,筆者將在本校使用過多年的《計算機組成原理》講義整理成教材,已由西安電子科技大學出版社出版,教材的編寫具有如下五個特色:

(1) 基礎性強,知識結構合理

教材內容的知識結構包含了CC2005的主要知識點,符合《高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范(試行)》中對計算機科學與技術相關專業公共核心基礎課程“計算機組成原理”的要求和研究生入學考試全國統考大綱的要求。

(2) 教材內容組織合理

在教材內容組織上,采用了整體“自頂向下”,細節“自底向上”的方法;教材各章節內容之間采用了整體“自頂向下”的內容組織方法。第1章中先講述了計算機硬件系統的組成,然后分章節講述了運算器、內存儲器、指令系統、控制器、系統總線、I/O設備和I/O系統,由于控制器的功能主要是對指令系統中的指令進行解釋,因此在內容組織上,將指令系統安排在控制器內容之前講述。CPU(包括運算器、控制器和片內Cache)和內存儲器合稱為主機,由于主機與I/O設備的連接采用系統總線,因此在講述完主機各組成部件之后,接下來講述了系統總線,最后才是講述I/O設備,以及實現主機通過總線與I/O設備進行連接的外設接口及交換信息的常用控制方式,即I/O系統。這樣可以讓學生有一個非常直接、整體的把握,為接下去內容的展開和學習每一個部分的組成和工作原理奠定基礎,把握總體方向。在涉及到各組成部分具體細節的知識點時,我們采用了“自底向上”的內容組織方法。因為在涉及到具體原理的時候,必須遵循由淺入深、循序漸進的方法,即在講清基本概念和基本原理的基礎上,再進行分析和設計,不然沒有足夠的基礎知識,學生將無法正確理解和掌握各部件的組成及工作原理。例如教材第4章中的指令系統,我們先介紹了指令的格式、操作碼和地址碼的表示、指令字長與機器字長的關系、指令和數據的尋址方式,再針對某一具體的指令格式舉例分析指令格式特點、操作數采用的尋址方式、有效地址的表示及尋址范圍,以及操作數的計算等,最后再舉例說明如何根據指令系統的設計要求來設計指令格式。再例如教材第5章中的微程序控制器,我們先介紹了微命令和微操作、微指令和微程序的概念,以及微指令格式,然后講述了微程序控制器的組成和工作原理,再以某一典型指令在某一特定時序控制方式和某一具體的模型機下的指令周期流程圖為例,介紹了微指令格式和微程序的設計方法,最后再討論微程序控制器的具體設計方法。

(3) 取材先進

教材在計算機的發展趨勢、指令系統的發展、提高單機系統指令級并行性的措施、總線標準等章節中引入了近幾年來較新的計算機技術。例如教材第5章在“提高單機系統指令級并行性的措施”這一節中,我們分別介紹了在單機系統中目前使用較廣的五種技術,即超標量、VLIW、超流水、超標量超流水、EPIC技術,并以現代微處理器Pentium 4和UltraSPARC Ⅲ為例介紹了微處理器的內部結構及這些新技術的具體應用。

(4) 符合計算學科的認知理論,注重實踐能力的培養

教材在內容的設置上注重了人們在計算學科領域的認識規律,即從感性認識(抽象)到理性認識(理論),再由理性認識(理論)回到實踐(設計)的過程。以第5章為例,內容安排上先讓讀者了解中央處理器的功能和組成,并以一個帶有內部指令Cache和數據Cache的模型機為例介紹了典型指令的指令周期,即執行過程,這些只是讓讀者對指令在計算機上的執行有一個感性認識。然后再講述如何用操作控制器根據不同的操作碼和時序信號來產生各種具有時間標志的操作控制信號,以便建立正確的數據通路,從而完成在感性認識上所看到的指令的解釋過程。最后再回去實踐,即如何利用理論知識來設計一個操作控制器,以及設計的具體步驟。

根據筆者多年從事“計算機組成原理”課程理論教學和實踐教學的經驗,教材中有關CPU的組成已通過EDA軟件設計驗證。在保持CPU整體結構不變的前提下,通過擴展指令系統、設計新的指令格式和尋址方式、增加通用寄存器的個數、更新操作控制器的設計等,可設計各類功能強弱不同的CPU,并可通過運行機器語言源程序來驗證CPU設計的正確性。此部分可作為該課程的綜合實踐性環節,以增強實踐動手能力。

(5) 有助于讀者自學

每章針對各主要知識點給出了大量的例題,解題過程詳細,思路清晰,有助于對基本理論、基本方法的理解。各章節后的習題均附有參考答案,但只有難度較高的習題附有較具體的解題過程,對于與教材中例題相似的習題則只給出了答案,而概念性的習題則直接省略,這樣做將有助于讀者自學,而不是不加思考的死記硬背,也避免了學生做作業時的簡單抄襲。

5結束語

《計算機組成原理》教材的知識結構和內容組織既符合CC2005核心課程知識體系,又符合研究生入學考試全國統考大綱的要求。該教材的使用,加深了學生對計算機組成和工作原理的理解,提高了學生的學習興趣和獨立思考的能力,為該課程的實踐教學和后續課程的學習打下了堅實的基礎,收到了良好的學習效果。

參考文獻:

[1]ACM and IEEE Computer Society. Computing Curricula 2005: The Overview Report[Z/OL]. [2005-09-30]. http://www. acm.org/education/curric_vols/CC2005-March06Final.pdf.

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[4] 陳智勇. 計算機組成原理[M]. 西安:西安電子科技大學出版社,2009.