計(jì)算機(jī)組成原理課程體系的研究與探索

【摘要】“計(jì)算機(jī)組成原理”課程是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，教學(xué)目的是掌握程序和數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中如何存儲(chǔ)，以及指令在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過程，并掌握計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的接口技術(shù)與原理，了解計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，能夠用課程中所學(xué)到的知識(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初步設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試。本文分析了“計(jì)算機(jī)組成原理”課程性質(zhì)、地位、作用及存在的問題，并結(jié)合高等教育特點(diǎn)及近幾年的教學(xué)實(shí)踐構(gòu)建了其課程體系。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)組成原理 "課程體系 "構(gòu)建

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2014）09-0247-02

一、課程建設(shè)中存在的問題

近年來，多數(shù)高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)都以必修課的形式開設(shè)了“計(jì)算機(jī)組成原理”這門課程。雖然各院校講授的內(nèi)容各不相同，但是他們對(duì)該課程的性質(zhì)、地位、作用及重要性都有了一定的認(rèn)識(shí)。由于“計(jì)算機(jī)組成原理”課程覆蓋的專業(yè)較多，因此各校在進(jìn)行教學(xué)時(shí)在一些問題上還存在不同的認(rèn)識(shí)，其中的有些問題還需要進(jìn)一步探索。

二、課程的地位及作用

“計(jì)算機(jī)組成原理”是系統(tǒng)介紹了計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本原理、基本設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有較全面的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生從理論和實(shí)踐上掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)的方法，進(jìn)而提高學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。因此，“計(jì)算機(jī)組成原理”課程在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)中具有舉足輕重的作用。

三、課程體系的構(gòu)建

（一）課程概述

本課程主要從計(jì)算機(jī)的基本概念、基本組成結(jié)構(gòu)分析著手，對(duì)計(jì)算機(jī)各個(gè)基本組成部件及控制單元的工作原理進(jìn)行討論，分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一般特點(diǎn)，使學(xué)生掌握有關(guān)軟、硬件的基本知識(shí)，尤其是個(gè)基本組成部件有機(jī)連接構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)的方法，為培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)和使用能力打下基礎(chǔ)。

（二）課程性質(zhì)

適用專業(yè)類：高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)

授課時(shí)數(shù)：54學(xué)時(shí)

實(shí)踐時(shí)數(shù)：18學(xué)時(shí)

先修課程：數(shù)字邏輯、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、C++語言程序設(shè)計(jì)。

（三）課程內(nèi)容

本課程對(duì)教學(xué)內(nèi)容的要求分為3個(gè)層次，分別是：“掌握”、“理解”和“了解”。對(duì)于要求“掌握”和“理解”的內(nèi)容，要做到概念清楚，原理明白，并具有分析和計(jì)算能力，有些內(nèi)容還要求會(huì)應(yīng)用。“掌握”比“理解”要求更高，有些知識(shí)必須熟記。對(duì)要求“了解”的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)知道基本概念和基本原理。“計(jì)算機(jī)組成原理”課程體系應(yīng)由理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)兩大部分組成。

1.理論知識(shí)

① 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 （4學(xué)時(shí)）。主要內(nèi)容： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件的組成與層次結(jié)構(gòu)、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、 計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用。

②計(jì)算機(jī)的邏輯部件 （6學(xué)時(shí)）。主要內(nèi)容：布爾代數(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、 計(jì)算機(jī)中常用的組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路。

③數(shù)據(jù)表示、運(yùn)算方法與運(yùn)算部件 （10學(xué)時(shí)）。主要內(nèi)容： 數(shù)字化信息編碼、 計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示、轉(zhuǎn)換和運(yùn)算、 二進(jìn)制乘法和除法運(yùn)算、 浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算方法、 運(yùn)算部件、 數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼。

④主存儲(chǔ)器 （6學(xué)時(shí)）。主要內(nèi)容： 主存儲(chǔ)器概述、 讀/寫存儲(chǔ)器、 非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。

⑤指令系統(tǒng) （6學(xué)時(shí)）。主要內(nèi)容： 指令格式與數(shù)據(jù)表示、 尋址方式、 指令類型與指令系統(tǒng)的兼容性、 RISC和CISC、 指令系統(tǒng)舉例。

⑥中央處理部件 （6學(xué)時(shí)）。主要內(nèi)容： 計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)、 控制器的組成、 微程序控制的工作原理、 "流水線工作原理。

⑦存儲(chǔ)器系統(tǒng) （6學(xué)時(shí)）。主要內(nèi)容： 存儲(chǔ)器系統(tǒng)概述、 高速緩沖存儲(chǔ)器、 虛擬存儲(chǔ)器、 相聯(lián)存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)保護(hù)。

⑧輸入輸出系統(tǒng) （6學(xué)時(shí)）。主要內(nèi)容： 輸入輸出系統(tǒng)概述、 程序中斷、 DMA輸入輸出方式、 通道控制方式、 總線結(jié)構(gòu)、 外設(shè)接口。

⑨計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （4學(xué)時(shí)）。主要內(nèi)容： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述、 多媒體計(jì)算機(jī)、超級(jí)流水線處理機(jī)和超長(zhǎng)指令計(jì)算機(jī)、 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)述。

理論共54學(xué)時(shí)，3學(xué)分，成績(jī)比例70%。

2.實(shí)驗(yàn)

通過做實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生加深對(duì)所學(xué)學(xué)科知識(shí)的理解和掌握，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和分析問題的能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。具體內(nèi)容如下：①運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)（6學(xué)時(shí)）②存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)（4學(xué)時(shí)）③微程序控制器實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）④模型機(jī)組成與指令執(zhí)行實(shí)驗(yàn)（4學(xué)時(shí)）⑤輸入輸出實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）。

共18學(xué)時(shí)，1學(xué)分，30%。

（四）課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)

重點(diǎn)：掌握計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部件的工作原理。

難點(diǎn)：指令的執(zhí)行和存儲(chǔ)空間的擴(kuò)充。

四、加強(qiáng)課程構(gòu)建的具體設(shè)想及主要措施

（一）在教學(xué)環(huán)節(jié)中突出本課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)

“計(jì)算機(jī)組成原理”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程的學(xué)習(xí)將為學(xué)習(xí)“操作系統(tǒng)”、“微機(jī)原理”等后續(xù)課程和研制開發(fā)各種系統(tǒng)和應(yīng)用軟件打下扎實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，因此可以將“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)結(jié)合相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)來鞏固并加深所需的知識(shí)點(diǎn)的理解。在教學(xué)過程中，即注重學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握，也注重學(xué)生動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，使本課程在處理知識(shí)面的寬度和深度上，既滿足作為基礎(chǔ)課的要求又達(dá)能到課程突出實(shí)踐環(huán)節(jié)的特色。

（二）教學(xué)方法的整改策略

實(shí)驗(yàn)教學(xué)分層次組織：以能力培養(yǎng)為宗旨，根據(jù)難度分為達(dá)到“實(shí)驗(yàn)設(shè)置基本要求”和“實(shí)驗(yàn)設(shè)置較高要求”的實(shí)驗(yàn)。教師根據(jù)學(xué)生情況分層次組織實(shí)驗(yàn)，既能掌握基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，也能體驗(yàn)有一定難度的實(shí)驗(yàn)，使不同程度的學(xué)生都能從中受益，并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）教學(xué)手段的改進(jìn)

“計(jì)算機(jī)組成原理”充分地利用了學(xué)校網(wǎng)絡(luò)資源，將教學(xué)課件、教輔材料及習(xí)題集等資源上網(wǎng)，使學(xué)生方便地下載，了解本課程的教學(xué)安排、計(jì)劃和要求、考試題型及考核方式，便于學(xué)生課下的復(fù)習(xí)自學(xué)、鞏固知識(shí)點(diǎn)，并對(duì)學(xué)生課余主動(dòng)學(xué)習(xí)提供了很大的方便。使用這樣先進(jìn)的教學(xué)手段，既提高了教學(xué)質(zhì)量，又取得了良好的教學(xué)效果。

五、結(jié)束語

該課程體系是在分析和研究部分高等院校“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上構(gòu)建的，但是由于多數(shù)院校開設(shè)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程授課的學(xué)生層次和研究方向、專業(yè)特色的不同，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等還處于探索階段。因此其科學(xué)性、合理性和實(shí)用性有待實(shí)踐的進(jìn)一步檢驗(yàn)和完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]《計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)》，王誠(chéng)等編著，北京：清華大學(xué)出版社，2003;

[2]《計(jì)算機(jī)組成原理》（第二版），唐朔飛等編著，北京：高等教育出版社，2008。