基于C語言的計算機組成實驗教學改革探索

王曉品 鄧革

摘 ?要：隨著新時代人工智能控制、物聯網等技術的快速發展，社會對計算機學科中的控制、運算等核心技術的需求不斷增加。培養計算機工程類人才的關鍵，是使學生熟練掌握和靈活運用計算機組成中的控制、存儲等知識。在實驗教學改革探索的過程中，引入C語言代碼的反匯編程序，借此分析計算機中存儲器的小端規則、變量存儲機制、斷點保護機制以及Cache映射機制，提高了學生的學習興趣，改善了教學效果，為學生后續專業課程的學習和就業奠定了良好的基礎。

關鍵詞：計算機組成;實驗教學改革;C語言

中圖分類號：TP311;G434 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0190-03

Exploration on Computer Composition Experiment Teaching Reform

Based on C Language

WANG Xiaopin， DENG Ge

（Department of Electronics， Software Engineering Institute of Guangzhou， Guangzhou ?510990， China）

Abstract： With the rapid development of artificial intelligence control， Internet of things and other technologies in the new era， the demand for core technologies such as control and operation in computer science is constantly increasing. The key to training computer engineering talents is to enable students to master and flexibly use the knowledge of control and storage in computer composition. During the exploration of experimental teaching reform， the disassembly program of C language code is introduced to analyze the small end rules， variable storage mechanism， breakpoint protection mechanism and Cache mapping mechanism in computer memory， which improves students’ interest in learning， improves the teaching effect， and lays a good foundation for students’ subsequent professional course learning and employment.

Keywords： computer composition; experimental teaching reform; C language

0 ?引 ?言

在信息化飛速發展的時代，超算、量子計算機都進入了應用的領域，運算速度驚人，顛覆了計算機的底層邏輯運算。作為未來的工科人員（尤其是通信工程、電子信息工程等專業的學生），若要引領計算機的發展和應用，對計算機知識的學習與拓展至關重要。計算機組成是核心專業基礎課[1]，是學習嵌入式系統開發及編程的基礎，開發人員對計算機原理及工作流程的理解程度決定了其對嵌入式系統的設計和開發水平。傳統的教學方法主要是基于理論講解與分析，實驗環節基本上依靠匯編語言和THJZ-2型實驗箱來完成，與理論教學中的知識點銜接不足。課程本身難度大，導致學生出現入門困難、興趣匱乏等問題，學生的學習效果達不到要求，無法滿足新時代的需求。

為提高學生的學習興趣和邏輯思維能力，強化學生的實踐和創新能力，培養滿足時代所需的專業人才，本文對計算機組成實驗教學內容進行相應的改革探索，引入學生熟悉的C語言，采用C語言替代傳統的匯編語言來描述計算機的工作過程，完成了計算機組成與C語言、嵌入式系統等課程的知識銜接。通過對C語言反匯編代碼的觀察和分析，掌握計算機中存儲器的小端規則、變量存儲機制、斷點保護機制以及Cache映射機制，我們將在下文中介紹具體的改革方案和案例設計。

1 ?計算機組成的實驗教學改革方案

計算機組成是一門知識含量極高的學科，有很多知識需要學生的理解和記憶，培養學生對本課程的學習興趣是每個老師都將面臨的問題[2]。通過分析往屆學生對計算機組成課程的學習瓶頸和考核情況，在整理重點教學內容、細化教學案例兩個方面予以改進。重點教學主要從計算機組成中的小端規則、存儲機制、斷點保護機制以及Cache映射機制四個方面展開。

C語言是計算機類學生和從業人員必須掌握的語言之一，但囿于對C語言及上述四個方面的研究較少，因此設計簡單的C語言小程序，通過觀察其與反匯編語句的對應關系，輔助學生掌握計算機組成的知識難點，彌補了計算機組成實驗教學的不足。具體改革方案及案例內容設計規劃如圖1所示。

2 ?計算機組成改革方案及案例設計

2.1 ?小端規則的實驗案例分析

通過將小數的單精度浮點數運算與存儲器的存儲規則相結合，觀察并分析浮點數的二進制數值在存儲器中的存儲規則，從而理解小端規則的原理。以-58.625為例，理論計算其單精度數為C26A8000H，通過C代碼實現數據換算后，運行結果與理論值一致，如圖2所示。

通過觀察反匯編編碼找到結果在存儲器中的具體地址，反匯編代碼如圖3（a）所示，圖3（a）可以看出，數據轉換是通過EBP寄存器的值指向內存的位置，因此可以得出轉換結果存放在0X0019FF2C～2F之間，通過查看存儲器相應位置的內容，如圖3（b）所示，可以在運行程序后觀察運算結果在存儲器中的存儲規則。

由圖3（b）可知，低地址存放數據的低位、高地址存放數據的高位，符合小端規則的存放順序，加深了學生對小端規則的理解，并且對C語言與匯編語言、機器硬件之間的關系建立了聯系。

2.2 ?內存的管理實驗案例分析

C語言中的變量按照作用域可以分為局部變量和全局變量。局部變量一般存放在內存的棧區，全局變量存放在靜態存儲區。C語言中的變量有兩個基本屬性：數據類型和存儲類別。數據類型是指基本類型int、float、char等，存儲類別是指數據在內存中的存儲方式，存儲類別分有四種：auto（自動）、static（靜態）、register（寄存器）、extern（外部）[3]。

采用int來定義變量，如圖4（a）所示，運行后觀察其反匯編程序，如圖4（b）所示。

由圖4可以看出，每個整型變量占用四個字節，因此程序中定義的內存變量存儲在0019ff10-0019ff2f中，其地址可以通過寄存器ebp得到，從而得出變量存儲地址的存儲規則，加深對存儲管理的理解。

2.3 ?斷點保護機制實驗案例分析

子程序調用是計算機的基本程序結構，因其在調用過程需要保護斷點、跳至子程序、保護現場、處理子程序、恢復現場、恢復斷點，因此為掌握子程序調用過程中斷點的保護機制，在程序中設置斷點，查看反匯編語句，將一條C語句分解成若干可以被處理器執行的子操作，每一個子操作由一條獨立的指令完成，從而幫助學生理解子程序調用和返回時處理器的工作機理。

主程序和子程序之間的數據可通過寄存器、存儲器兩種方式傳遞[4]。圖5（a）中主程序將寄存器放入堆棧保護，并為主程序分配76個移動空間。

圖5（b）中子程序被調用執行時，首先將主程序中斷時寄存器的數據保存到堆棧中，以此達到保護斷點的目的，并為子程序分配64個移動空間。

通過對比，讓學生思考為什么圖5的兩個圖中堆棧分配空間有所不同，從而理解主程序和子程序調用、返回計算機的工作過程以及子程序調用中斷點的保護機制。

2.4 ?cache的映射機制實驗案例分析

計算機中程序的性能與程序執行時訪問指令和數據所用的時間有很大關系，而指令和數據的訪問時間與相應的Cache命中率、命中時間和缺失損失有關。有實驗證明，與未加入Cache機制的Flash控制器相比，Cache機制的引用可節省38%的取指時間[5]，因此cache的作用非常重要。

對給定的計算機系統而言，命中時間和缺失損失是確定的。因此，指令和數據的訪存時間主要由Cache命中率決定，而Cache命中率則主要由程序的空間局部性和時間局部性決定。若要訪問的數據都能在Cache中命中，則程序的運行速度比較快。當需要處理的數據量比較大時，Cache中不能容納全部數據，需要在內存中訪問部分數據，影響程序執行的速度。

設計一個對二維數組執行相加運算的C程序，按兩種不同的順序讀取數據：一個是按行取數進行相加的運算，再進行下一行的運算;另一個方式是按列取數進行相加的運算，再進行下一列的運算。比較兩種方式運行的時間差異，如圖6所示，并思考為什么運行的速度不同，從而理解計算機中cache的映射機制。

3 ?課程改革應用與效果

以廣州軟件學院為例，針對電子系通信工程、電子信息工程、自動化及智能科學與技術四個專業的學生，設計以上四個實驗教學改革案例。

案例設計主要根據教學大綱對各知識點的掌握要求，五次組織教師開展教學內容研討會議。將實驗案例改為采用C語言編程實現，通過觀察編譯后計算機存儲器的內容，來分析計算機的工作原理，扭轉了傳統實驗箱演示及匯編語言設計的單調性，改善了教學團隊的教學思考，提高了教學團隊的教學能力和協作能力。

實驗實施過程則主要通過課堂布置任務，學生根據要求進行編程設計和調試，并分析實驗結果。通過實驗學生不僅掌握了C語言與匯編以及計算機硬件之間的關聯，而且還建立了計算機課程體系之間的知識架構，加深了其對理論知識的理解。

通過四個實驗教學改革方案的實施（實驗難度有所增加），學生的學習積極性得到了極大的提升。對最近四個學期的課程考核進行統計，學生對課程的教學評價和課程考核平均分較往年有所提升，具體數據如表1所示，驗證了課程改革的必要性和有效性。

4 ?結 ?論

本文對計算機組成課程采用的實驗改革教學，不僅使學生輕松掌握了計算機的小端規則、變量存儲機制、斷點保護機制以及cache的映射機制相關理論知識，而且培養了學生的邏輯思維、獨立解決問題的能力，并促進學生創新性思維的發展，適應未來計算機領域的高速發展。與此同時，教學改革也促進了教師對課程的深層次思考，提高教師的教學水平，在教與學兩方面都有大幅度的提升，解決了課程固化不變的缺陷，推動課程的建設和發展。

參考文獻：

[1]袁春風，張澤生，蔡曉燕，等.計算機組成原理課程實踐教學探索 [J].計算機教育，2011（17）：110-114.

[2] 朱云芳.激發學生學習計算機組成理論課興趣的幾點建議 [J].計算機教育，2012（3）：61-64.

[3] 孫靜霞.C語言中的變量在內存中的存儲情況探討 [J].計算機時代，2015（10）：53-55.

[4] 龐新法.C和匯編之間參數傳遞機制剖析 [J].價值工程，2014，33（29）：225-226.

[5] 曹健，李凌浩，黃雅東，等.一種基于Cache機制的嵌入式Flash控制器設計 [J].計算機應用與軟件，2016，33（8）：238-241.

作者簡介：王曉品（1982—），女，漢族，山東萊陽人，講師，碩士，研究方向：電子與通信系統。