物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)計算機(jī)組成原理教學(xué)改革探索

黃庭培+鄭秋梅

（中國石油大學(xué)（華東）計算機(jī)與通信工程學(xué)院，山東 青島 266580）

摘要：針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)計算機(jī)組成原理課程在教學(xué)中面臨的新問題，分析物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的特點，闡述面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的計算機(jī)組成原理課程教學(xué)改革方法，提出基于分流培養(yǎng)模式的層次化教學(xué)內(nèi)容設(shè)置方案。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；計算機(jī)組成原理；分流培養(yǎng)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）50-0103-02

一、引言

計算機(jī)組成原理課程是計算機(jī)類專業(yè)本科階段最重要的核心基礎(chǔ)課之一，在整個計算機(jī)類專業(yè)教學(xué)中起著重要的承上啟下的作用。該課程對于學(xué)生完整地理解計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)地建立計算機(jī)整機(jī)的概念，培養(yǎng)學(xué)生對計算機(jī)系統(tǒng)分析、應(yīng)用、設(shè)計及開發(fā)的能力，都具有非常重要的作用。目前，國內(nèi)重點高校的計算機(jī)組成原理課程主要是面向計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程和網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)的學(xué)生，相關(guān)教學(xué)改革研究也主要是針對上述計算機(jī)類專業(yè)展開的，很少針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)展開計算機(jī)組成原理課程教學(xué)改革研究。然而，教育部自2010年批準(zhǔn)設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)以來，國內(nèi)很多高校陸續(xù)開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，我校于2014年也開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。針對新開設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)方案、人才培養(yǎng)目標(biāo)及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的特點，有必要對計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)改革展開新的研究，以使本課程更好地為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。本文針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案與人才培養(yǎng)目標(biāo)，基于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的整體發(fā)展趨勢和人才市場的需求，通過分析當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)特點，并總結(jié)目前物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在教學(xué)過程中存在的問題，構(gòu)建適用于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)內(nèi)容。在設(shè)置教學(xué)內(nèi)容時把握內(nèi)容的基礎(chǔ)性和新穎性，既注重基礎(chǔ)的、核心教學(xué)內(nèi)容的完整性，又要考慮物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特點。同時，又要跟上現(xiàn)代計算技術(shù)的發(fā)展水平和實際情況，增加新進(jìn)而實用的相關(guān)知識點。既要考慮教學(xué)內(nèi)容的完整性，又要考慮到教學(xué)學(xué)時的有限性，設(shè)計部分培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)容，從而構(gòu)建課堂學(xué)習(xí)與自主學(xué)習(xí)相融合的教學(xué)內(nèi)容，最終形成一套基于分流培養(yǎng)模式的層次化教學(xué)內(nèi)容。

二、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)計算機(jī)組成原理課程面臨的新問題

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)以培養(yǎng)能夠系統(tǒng)地掌握物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)理論、方法和技能，具備通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)等信息領(lǐng)域?qū)拸V的專業(yè)知識的高級工程技術(shù)人才。物聯(lián)網(wǎng)涵蓋了傳感器技術(shù)、射頻識別技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及云計算技術(shù)等，是一門具有涉及領(lǐng)域廣、學(xué)科交叉性強(qiáng)和工程實踐性強(qiáng)等特點的學(xué)科，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)更是新一代信息技術(shù)的高度集成和綜合運用。因此，面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，本課程的授課內(nèi)容還需要考慮以下二個方面的問題。

1.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)對嵌入式相關(guān)內(nèi)容有較高要求。英特爾構(gòu)架事業(yè)部副總裁兼嵌入式與通信事業(yè)部總經(jīng)理唐迪曼指出“物聯(lián)網(wǎng)的核心基礎(chǔ)：嵌入式”。指出物聯(lián)網(wǎng)是嵌入式計算系統(tǒng)一種新的應(yīng)用，比較傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的層次更加豐富和復(fù)雜，既有表現(xiàn)在傳感層上的實時應(yīng)用，還有在計算和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層上的海量的數(shù)據(jù)處理和分析工作。物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，是互聯(lián)網(wǎng)與嵌入式計算系統(tǒng)發(fā)展到高級階段的融合。嵌入式計算技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。然而，傳統(tǒng)面向計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和軟件工程專業(yè)的計算機(jī)組成原理的大部分內(nèi)容是面向復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)類而設(shè)置的，而面向嵌入式類的，如面向精簡指令系統(tǒng)計算機(jī)類的授課內(nèi)容幾乎沒有涉及。而我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)在本課程的后續(xù)課程中有很多與嵌入式相關(guān)的課程。

2.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)方案及前后課程設(shè)置與其他計算機(jī)類專業(yè)不同。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的飛速進(jìn)步和體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，多核/眾核處理機(jī)硬件日趨普及，使得昔日高端的并行計算機(jī)呈現(xiàn)出普適化的發(fā)展趨勢，并行計算系統(tǒng)已成為各類計算系統(tǒng)的基礎(chǔ)。然而，我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)方案與計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)方案不同，在本課程之前并未設(shè)置匯編語言與接口技術(shù)課程，本課程之后也沒有計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯原理等課程。因此，需要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)方案的實際情況，根據(jù)前后課程的設(shè)置來構(gòu)建本課程的授課內(nèi)容。例如，原先在計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中介紹的新進(jìn)技術(shù)，如多處理器、多核、流水線技術(shù)等有必要有取舍地引入到本課程中來。因此，我們有必要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)方案、人才培養(yǎng)目標(biāo)和物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)特點，對本課程的教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。

三、基于分流培養(yǎng)模式的層次化教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

在我校原有課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，我們借鑒了南京大學(xué)計算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程的部分授課內(nèi)容，同時結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)和我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)培養(yǎng)方案，采用了“計算機(jī)組成與設(shè)計：硬件/軟件接口”一書的部分內(nèi)容，將本課程由原來的9個部分優(yōu)化為7個部分，去除了原有課程中外部設(shè)備部分內(nèi)容。并將原先第2部分（計算機(jī)中數(shù)據(jù)信息的表示）和第3部分（運算方法和運算器）的內(nèi)容進(jìn)行合并，弱化了運算部件設(shè)計部分的內(nèi)容，此部分內(nèi)容可在實驗課程或后續(xù)計算機(jī)組成與設(shè)計課程中重點講解。同時，將系統(tǒng)總線和輸入輸出系統(tǒng)進(jìn)行了合并，并增加了異常控制流部分內(nèi)容。優(yōu)化后的授課內(nèi)容如下：第1部分是計算機(jī)系統(tǒng)概述，第2和第3部分分別介紹高級語言程序中的數(shù)據(jù)和語句所對應(yīng)的底層機(jī)器級表示，展示的是高級語言程序到機(jī)器級語言程序的對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系，即數(shù)據(jù)的機(jī)器級表示與處理和指令系統(tǒng)；第4部分和第5部分著重介紹與程序的運行密切相關(guān)的硬件部分—中央處理器和存儲器的組織，即中央處理器和層次結(jié)構(gòu)存儲系統(tǒng)；第6部分介紹打斷程序正常運行的事件機(jī)制—異常控制流；第7部分主要介紹程序中I/O操作的實現(xiàn)機(jī)制。其中，每個部分又包含了3個層次：基礎(chǔ)與核心、專業(yè)特色和新進(jìn)技術(shù)和知識點強(qiáng)化。

1.基礎(chǔ)與核心：本部分內(nèi)容主要包括計算機(jī)系統(tǒng)最基礎(chǔ)與最核心的內(nèi)容，是本門課程重點講授的內(nèi)容，與原有課程的教學(xué)內(nèi)容基本上相同，但結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)需求，做了部分優(yōu)化。

2.專業(yè)特色與新進(jìn)技術(shù)：本部分內(nèi)容結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程的專業(yè)特色，考慮了嵌入式計算系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中核心與基礎(chǔ)地位，設(shè)置了部分以ARM和MIPS為實例的內(nèi)容。同時，考慮到并行計算系統(tǒng)的重要性及我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)后續(xù)課程中沒有計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程，引入了部分新進(jìn)技術(shù)，如流水線方式下指令的執(zhí)行和并行與存儲器層次結(jié)構(gòu)。

3.知識點強(qiáng)化：本部分內(nèi)容貫穿整個教學(xué)內(nèi)容，是訓(xùn)練和強(qiáng)化學(xué)生建立整機(jī)概念的重要環(huán)節(jié)。擬以高級語言程序的開發(fā)和運行過程為主線，將該過程中每個環(huán)節(jié)所涉及的硬件和軟件的基本概念關(guān)聯(lián)起來，以使學(xué)生建立起一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，并建立起整個專業(yè)課程之間的相互關(guān)系。同時，對指令在硬件上的執(zhí)行過程和指令的底層硬件執(zhí)行機(jī)制有一定的認(rèn)識和理解，從而增強(qiáng)學(xué)生在程序的調(diào)試、性能優(yōu)化、移植和健壯性保證等方面的系統(tǒng)能力，并為后續(xù)的相關(guān)課程打下基礎(chǔ)。最后，考慮到課時的限制，我們設(shè)置了部分培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的內(nèi)容，主要包括數(shù)字邏輯電路、匯編語言、基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)基礎(chǔ)等內(nèi)容。

四、結(jié)束語

計算機(jī)組成原理課程的地位決定了合理設(shè)置本課程教學(xué)內(nèi)容的重要性。在面向新開設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)時，需要考慮新專業(yè)的培養(yǎng)方案、人才培養(yǎng)目標(biāo)以及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的特點，同時要考慮新技術(shù)的發(fā)展，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生的實際情況來設(shè)置合理有效的教學(xué)內(nèi)容。

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