“系統(tǒng)觀”下的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)探討

馬輝+史小松

摘 要：計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程，能幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)硬件的工作原理，構(gòu)建計(jì)算機(jī)硬件工作系統(tǒng)。在系統(tǒng)發(fā)展觀下，本文提出計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)內(nèi)容的處理方法和有效培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)能力的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)觀；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

一、引言

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)核心基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)上主要講述構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的各功能部件的基本工作原理以及互連構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)。從2009年至今，在計(jì)算機(jī)考研統(tǒng)考中，計(jì)算機(jī)組成原理內(nèi)容占了約1/3的分值比例。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)內(nèi)涵和外延的擴(kuò)展，計(jì)算機(jī)組成原理傳統(tǒng)的教學(xué)模式也有了改變，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上都有一定的改進(jìn)。從計(jì)算機(jī)科學(xué)的長遠(yuǎn)情況來看，未來的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、應(yīng)用更需要從系統(tǒng)角度考慮，所以對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理進(jìn)行教學(xué)改革很有必要。

二、教學(xué)改革原因分析

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，但隨著計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大化，通常用層次結(jié)構(gòu)來描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)描述如圖1所示，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理主要討論傳統(tǒng)機(jī)器M1和微程序機(jī)器M0的組成原理和設(shè)計(jì)思想。

但這種主要關(guān)注硬件部分的教學(xué)思想，弊端早就被感知，在國外的教學(xué)中也早被擯棄。如Patterson和Hennessy教授曾指出，“軟件設(shè)計(jì)者對(duì)軟件系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的硬件技術(shù)是否了解、了解多少，會(huì)很大程度地影響軟件系統(tǒng)的性能。同樣，硬件設(shè)計(jì)者必須了解設(shè)計(jì)決策將對(duì)軟件產(chǎn)生怎樣的影響”。這種硬件、軟件應(yīng)一起考慮的思想，在我國正逐步推廣。如清華大學(xué)科教儀器廠所生產(chǎn)的TEC-XP計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既包括對(duì)CPU結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)器指令的設(shè)計(jì)等，也包括使用Basic語言的軟件設(shè)計(jì)。

從計(jì)算機(jī)考研統(tǒng)考對(duì)一般教師的教學(xué)及學(xué)生的學(xué)習(xí)所起的指導(dǎo)性作用來看，也在強(qiáng)化這種軟硬件結(jié)合，即不能把計(jì)算機(jī)組成原理只作為一門硬件課程來看待。表1統(tǒng)計(jì)了2009～2014年計(jì)算機(jī)考研統(tǒng)考試卷中軟硬件內(nèi)容相結(jié)合的題目。

表1 軟硬內(nèi)容結(jié)合題目統(tǒng)計(jì)

而從計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用的發(fā)展來看，20世紀(jì)80年代，信息技術(shù)和通信為互聯(lián)網(wǎng)打開了大門，到了90年代，一個(gè)很重要的革命始于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的傳播。現(xiàn)在值得期待的是嵌入式和互聯(lián)網(wǎng)融合的成果——物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)。很難想象未來20年計(jì)算機(jī)科學(xué)會(huì)是什么模樣，但2007年圖靈獎(jiǎng)獲得者約瑟夫·斯法科思指出：計(jì)算機(jī)科學(xué)的范圍正從算法和程序逐漸向系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。在這樣的系統(tǒng)發(fā)展觀下，對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理這樣的基礎(chǔ)課程所進(jìn)行的教學(xué)改革就具有非常重要的意義。

三、教學(xué)改革探討

1.教學(xué)內(nèi)容的改革

最初的計(jì)算機(jī)專業(yè)人員對(duì)計(jì)算機(jī)的工作原理和工作方式了如指掌。計(jì)算機(jī)體系中的硬件、軟件、編譯器以及操作系統(tǒng)之間的交互既簡(jiǎn)單又透明。然而，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨復(fù)雜，這種明晰性不復(fù)存在，導(dǎo)致一種無法避免的結(jié)果，即領(lǐng)域?qū)I(yè)化，使多門計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生，每個(gè)領(lǐng)域只涵蓋學(xué)科的某一個(gè)方面。如果學(xué)生或計(jì)算機(jī)從業(yè)人員不能把多門課程知識(shí)融合到一起，他們常會(huì)產(chǎn)生不安的感覺，因?yàn)樗麄儧]有完全透徹地理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)是如何緊緊地關(guān)聯(lián)在一起的。

21世紀(jì)的社會(huì)結(jié)構(gòu)中，計(jì)算機(jī)將成為關(guān)鍵支柱。過去的計(jì)算機(jī)研究以性能作為主要的優(yōu)化目標(biāo)，現(xiàn)在必須認(rèn)識(shí)到常規(guī)的計(jì)算機(jī)已經(jīng)被上下文計(jì)算（如傳感器、移動(dòng)終端、客戶端、數(shù)據(jù)中心）所取代。這種轉(zhuǎn)變更強(qiáng)調(diào)超越性能的以人為本的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在這樣的背景下，作為基礎(chǔ)課程的計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)內(nèi)容就應(yīng)強(qiáng)調(diào)多門計(jì)算機(jī)課程內(nèi)容的綜合理解。比如，計(jì)算機(jī)運(yùn)算器部分內(nèi)容的講解，既需要基本的數(shù)字電路知識(shí)，也需要介紹基于FPGA或CPLD的電路設(shè)計(jì)，因?yàn)閷淼南到y(tǒng)應(yīng)用可直接采用可重用的IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）核。在基于FPGA的電路基礎(chǔ)上，可以讓學(xué)生從基本功能部件設(shè)計(jì)開始，設(shè)計(jì)CPU、存儲(chǔ)器和外圍接口，最終將CPU、存儲(chǔ)器和I/0接口通過總線互連為一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。

進(jìn)一步考慮我們培養(yǎng)的學(xué)生，大多數(shù)人沒有機(jī)會(huì)構(gòu)造計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，他們未來主要的工作只是使用計(jì)算機(jī)或編寫計(jì)算機(jī)程序，所以在教學(xué)中對(duì)內(nèi)容的選取也應(yīng)從程序員的角度來講解。比如，數(shù)據(jù)的表示與運(yùn)算內(nèi)容的講解，應(yīng)該考慮在實(shí)際語言程序中的執(zhí)行情況，分析實(shí)際程序中常見的問題與誤解。針對(duì)流水線等處理技術(shù)與編譯優(yōu)化相關(guān)，可以以MIPS為模型機(jī)進(jìn)行介紹，利用MIPS模擬器為編譯技術(shù)的實(shí)驗(yàn)提供可驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2.教學(xué)方法的改革

在教學(xué)內(nèi)容改革的基礎(chǔ)上，重視多門計(jì)算機(jī)課程內(nèi)容的綜合理解，增加了很多教學(xué)內(nèi)容，這無疑會(huì)加重教師和學(xué)生的負(fù)擔(dān)，所以此時(shí)的教學(xué)方法也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改革。

（1）采用啟發(fā)式教學(xué)方法。啟發(fā)式教學(xué)方法是教師啟發(fā)學(xué)生積極思維，使他們主動(dòng)掌握知識(shí)的一種教學(xué)方法。在較多的教學(xué)內(nèi)容下，教師不可能進(jìn)行知識(shí)的詳細(xì)講解、分析，所以應(yīng)該深刻理解課程的重點(diǎn)，了解計(jì)算機(jī)科學(xué)的最新發(fā)展和知識(shí)的應(yīng)用情況，在必要時(shí)拋出一些問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行積極思考，主動(dòng)探究問題的解決方法。如針對(duì)無符號(hào)數(shù)據(jù)的表示與運(yùn)算，可啟發(fā)學(xué)生分析C語言下和JAVA語言下的不同處理，最終理解計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算的處理本質(zhì)。

（2）突出理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)內(nèi)容多較抽象，學(xué)生理解的難度較大。教學(xué)中要注意理論知識(shí)的實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，針對(duì)一個(gè)理論知識(shí)點(diǎn)，給出其在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，這會(huì)引起學(xué)生的興趣。如浮點(diǎn)數(shù)的IEEE754表示，單純通過講授來掌握其表示特點(diǎn)非常困難，如果在實(shí)際語言環(huán)境中（比如C語言）讓學(xué)生看到浮點(diǎn)數(shù)在機(jī)器中的二進(jìn)制表示，就會(huì)非常直觀。

（3）重視實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐是計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。一方面，可以進(jìn)一步深化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握；另一方面，可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。如利用一套承上啟下的基于FPGA開發(fā)板的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅能完成計(jì)算機(jī)各功能部件的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，也能創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)CPU及整機(jī)系統(tǒng)。但現(xiàn)階段的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還有不完善的地方，在現(xiàn)有的教學(xué)模式下，實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的課時(shí)是受限的，能突破課時(shí)限制的開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境比較匱乏。

四、小結(jié)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是軟件和硬件的組合，但未來的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不應(yīng)只考慮系統(tǒng)軟件和硬件的交互，還要考慮系統(tǒng)和它的受控環(huán)境。目前的計(jì)算機(jī)科學(xué)教師常忽略對(duì)學(xué)科的宏觀描繪，這也限制了課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)效果。本文立足于計(jì)算機(jī)組成原理，探討了系統(tǒng)觀下的教學(xué)改革情況。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：河南省綜合改革試點(diǎn)專業(yè)“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)”（2012 -859-14）。

作者簡(jiǎn)介：馬輝（1977— ），男，河南遂平人，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)教學(xué)與研究。