面向系統能力培養的“計算機組成原理與體系結構”實踐教學改革研究

岳珂娟 謝東 洪偉

摘?要：在新工科建設的背景下，為了培養適應未來新經濟和智能時代需求的計算機專業人才，“計算機組成原理與體系結構”的實踐教學需要培養學生的系統能力，使其能夠勝任新型計算機系統的設計與開發任務。因此，本文分析了實踐教學中存在的問題，基于仿真軟件重新對教學方案和教學內容進行了設計，并在具體教學班級中實施，教學改革效果良好。

關鍵詞：實踐教學；系統能力；仿真軟件；新工科

中圖分類號：G642.0

一、研究背景

隨著人工智能、云計算、大數據、物聯網等新技術的高速發展和廣泛應用，計算理論和方法也不斷發展，并呈現出新的特征，形成了嵌入式計算、邊緣計算、并行計算、智能計算、移動計算等多計算平臺并存和融合的計算模式，處理對象的需求也表現出大數據化、智能化、多媒體化、網絡化等特征，在此形勢下，對計算機相關專業人員的培養也發生了重大變化［1］。教育部提出建設新工科，旨在使當前的工科教育更好地適應這些變化，培養具有持續競爭力的人才。為了適應未來新經濟和智能時代的需求，計算機類專業人員需要深入了解和掌握計算機系統各個部件的工作原理，具有比以往更多、更深入的系統級的設計、實現和應用能力，才能勝任新型計算機系統的設計與開發任務。在工科專業類中，信息類的專業、在校生數量、畢業生數量都約占30%，而在信息類專業中計算機相關專業又占比近半，所以計算機類專業是新工科建設中數量最多、影響最大的專業。在信息技術快速發展和新工科建設的新形勢下，在計算機類專業的建設和教育提升中，系統能力培養是最為迫切和重要的內容，系統能力的提升對未來計算機專業學生的理論和實踐培養水平和質量具有重要意義和影響。

二、課程實踐教學的特點和存在的問題

（一）課程實踐教學的特點

“計算機組成原理與體系結構”是應用型本科計算機專業的專業基礎課，該課程的教學內容涵蓋了“計算機組成原理”和“計算機體系結構”兩門課程的大部分內容，是計算機硬件與結構方向非常重要的一門課程［23］。其實踐課的教學目的是讓學生深入理解計算機基本工作原理，建立計算機的整機概念，掌握計算機系統性能的評測方法，最終具備計算機系統的分析能力、應用能力、設計和開發能力。實踐教學的特點如下：

（1）內容抽象。實驗內容涉及計算機五大部件的基本工作原理，包含的知識點范圍非常廣，且通常都只能用文字和靜態的原理圖來表示，學生理解起來困難，難以將學到的知識具體化、形象化。例如控制器內部結構的構成，它是如何生成控制信號，如何產生時序信號，并控制其他各個部件協調一致工作等問題。

（2）學習難度大。實踐教學中涉及的概念繁多，學生學習時容易發生混淆，例如微程序控制器的概念包括微命令、微指令、微程序、微周期等，同時運算器、存儲器還需要學生掌握前導課程數字電子技術的相關知識，這些因素都會導致學生覺得實驗課程的內容比較難。

（二）課程實踐教學中存在的問題

目前大多數高校由于實驗設備的限制，以及實驗內容的設置不合理，導致“計算機組成原理與體系結構”課程的實踐環節遠遠不能滿足系統能力培養的要求。導致這個現象的主要原因有以下幾個：

（1）在實驗方式方面，大多數高校一直采用傳統的實驗箱的方法。實驗課上，學生要將分離的器件通過導線連接構成小系統，通過撥動開關、觀察信號燈檢測驗證系統的功能。由于芯片及電路在實驗箱上是完全固定的，所以在實驗過程中，學生只能照著實驗指導書上的連線圖連線，按照指導書的步驟完成實驗，即不能看到各個部件之間的硬件邏輯，也不能觀察到硬件在每一個節拍的工作狀態，對知識點的理解的幫助微乎其微，無法培養學生的設計和分析能力。并且，如果實驗箱出現線路故障，導致實驗結果不正確，我們也很難檢測出故障的位置和原因，只能更換設備重新開始實驗，使得實驗效率低下，也給學生的學習興趣帶來很大的負面影響。為了避免用實驗箱進行實驗帶來的這些缺點，部分高校采用了FPGA開發板的形式，該實驗方式是讓學生先用硬件描述語言完成硬件設計的仿真，然后下載到開發板上進行調試和運行。其優點是有助于激發學生的學習興趣，提高學生的硬件設計能力。但缺點是學習時間長，難度大，教師和學生都需要熟練地掌握一門硬件設計語言；另一個缺點是用程序來描述硬件設計，學生總感覺是在做編程實驗而不是設計硬件，容易照搬軟件編程的思維，很難建立起系統設計與底層電路的對應關系，數字電路設計方法難以很好地應用到實驗中，對計算機系統的整體設計和實現方法體會不深。

（2）在實驗內容設置方面，只注重單元部件的工作原理，忽視整機系統的設計和開發。結果就是，學生完成單元部件的實驗后，卻無法建立起整機系統的概念，不能從系統層面理解計算機各個部件是如何協調一致完成工作的。

（3）在實驗結果的評價方面，由教師人工檢查實驗結果是否正確，檢查耗時，難以準確定位實驗出錯的原因，不能科學地反映學生對實驗的掌握程度。

因此，本文將從系統能力培養的角度研究和探討新的實踐教學方法，培養計算機科學與技術專業學生的系統分析、設計和開發能力，提升計算機專業學生的培養質量。

三、確立實踐教學的目標

（一）知識目標

理解計算機中的數據表示方法，掌握定點數和浮點數的運算方法；理解指令格式、指令尋址、數據尋址等基本概念，掌握常用的指令尋址和數據尋址的方法；理解計算機的運算器、存儲器、中央處理器、輸入輸出設備等部件的工作原理、工作過程；理解流水線的基本概念，掌握流水線性能的分析方法。

（二）能力目標

具有完整的計算機系統的整機概念，能夠綜合運用計算機組成與體系結構的基本原理和基本方法，完成存儲器、運算器、控制器、直至一個簡單模型計算機的搭建，利用精簡指令系統設計并實現一個具體算法；具備對流水線中的各種沖突進行分析和解決的能力。

四、教學設計的關鍵點

結合教學內容，選擇合適的仿真平臺，將系統能力的培養目標分解為層次遞進、由易到難的多個單元實驗，在單元實驗中構建功能部件，最終將各單元實驗的多個成果集成為完整的CPU，直至計算機整機系統。實驗的設計要按照基本部件的工作原理、簡單設計、綜合實現的三個層次依次遞進，在遞進的學習過程中讓學生養成系統觀，使學生具備一定的計算機系統的分析能力、應用能力、設計和開發能力［4］，這是本課程實踐教學設計的第一個關鍵點。

由于課內的實驗課時有限，為了保證實踐教學的教學效果，教師在教學設計時需要考慮課內課外的協同教學模式，包括課前、課中、課后三個階段的課時安排、教學內容和教學形式，以及相關教學資源的建設，在完成基本教學目的前提下，提高學生的自主學習能力和創新能力，這是本課程實踐教學設計的第二個關鍵點。

五、教學內容

本課程實踐教學圍繞計算機的五大部件展開，包括運算器實驗、存儲器實驗、指令系統、簡單模型機實驗和流水線實驗五個實驗項目。具體要求如下所示：

（一）運算器實驗

要求學生掌握一位全加器的實現邏輯，掌握多位可控加減法電路的實現邏輯（圖1），利用仿真軟件實現多位可控加減法電路，并在此基礎上構造一個完整的運算器，實驗加減法和乘除法等算術運算，與、或、非等邏輯運算，以及移位運算，并且能夠判斷是否溢出。

（二）存儲器實驗

要求學生理解存儲系統進行位擴展、字擴展的基本原理，進而完成存儲器擴展的設計和實現。例如，利用1M×4位的DRAM芯片設計2M×8位的DRAM存儲器，存儲器的設計如圖2所示。

（三）指令系統

要求學生了解一個典型精簡指令系統MIPS32的指令格式，通過執行一段指令代碼，觀察并記錄寄存器和存儲器內容的變化，理解常用指令的含義及使用方法。MIPS32三種指令的格式如表1所示。

（四）簡單模型機實驗

要求學生設計指令譯碼器、時序發生器、組合邏輯控制單元，構造一個單總線CPU，實現一個簡單模型機并運行指定的程序。

（五）流水線實驗

要求學生在流水線模型機上執行不同的機器指令，分析流水線中存在的沖突，并提出解決沖突的方案，比較解決沖突前后流水線的性能變化。

此外，仿真軟件的學習要求學生在課外自學完成，教師只負責提供相應的教學資源，包括軟件安裝包、慕課視頻等。

六、課程實施和效果分析

改革之后的實踐教學內容已在本校的20級、21級和22級計算機科學與技術專業的10個班級實施。仿真軟件使用Logisim，實驗平臺采用頭歌實踐教學平臺和阿里云平臺，我們在這兩個平臺上建立了相應的教學課堂并部署實驗，學生通過注冊賬號加入相應的教學課堂，就可以在線完成相應的實驗內容。運算器實驗、存儲器實驗和簡單模型機實驗部署在頭歌平臺上，每個實驗包含多個關卡內容，學生按照要求完成指定的關卡，由系統自動給出評分。我們以22級計算機科學與技術專業3個班級149個學生的成績為例，對其實驗成績進行分析，結果如表2所示。從表2可以看出，運算器實驗、存儲器實驗和簡單模型機實驗的完成情況和優秀率都比較好，尤其是存儲器實驗的優秀率達到了91%。三個實驗的良好率都超過了90%，不及格率都沒有超過5%，說明學生對整機設計的概念掌握得比較好，可以較好地將計算機五大部件通過總線和其他輔助電路連接在一起并實現指定的功能，具備一定的系統分析、設計和開發能力。

實驗通關率如圖3所示，從圖3中可以看到學生沒有開啟實驗的比例很低，說明大部分學生可以在規定的時間內完成實驗內容，非常適應這樣的實驗方式。

改革之后的實踐教學模式具有如下優點：

（1）不再依賴實驗箱，完全通過軟件仿真來實現硬件邏輯的設計，很好地解決了實驗箱故障不可控、實驗流程不可觀察的問題。

（2）可以很方便地進行實驗分層設計，使學生可以完成單元部件工作原理的驗證實驗，到CPU的設計實驗，直至整機系統的綜合實驗，迅速提高系統層面的開發和設計能力。

（3）可以利用第三方的網絡實踐教學平臺，通過設計測試用例，實現實驗結果的自動評價，減輕教師的工作強度，使實驗評價標準化。

在教學的過程中，仿真軟件的使用主要依靠學生的自學，從實驗結果看，大多數學生都可以較好地完成教師布置的自學任務。

結語

在計算機專業系統能力培養的框架下，采用實驗箱或者FPGA進行“計算機組成原理與體系結構”實踐教學的方案已經無法適應計算機專業人才的培養要求。我們嘗試引入仿真實驗平臺，對現有的實踐方式進行改革，使本課程的實踐教學效果取得了顯著的提升，同時實驗平臺的自動評分機制也保證了評分的科學性，為系統能力培養背景下的計算機專業硬件類課程的實踐教學提供了重要的借鑒。

參考文獻：

［1］楊志奇，何穎，李春閣.新工科背景下民辦大學微機接口課程改革與實踐［J］.創新創業理論研究與實踐，2023，6（7）：5658.

［2］馮永政，鄭坤.計算機組成原理實驗混合式教學探索［J］.電腦知識與技術：學術版，2022，18（30）：125127.

［3］曹旨昊，劉三榮，張強，等.面向工程教育專業認證的《計算機組成原理》實驗教學改革探索［J］.電腦知識與技術：學術版，2020，16（29）：2.

［4］劉彩虹，林強，滿正行，等.基于慕課的計算機組成原理實驗教學改革探索［J］.產業與科技論壇，2021（12）：133134.

項目基金：湖南省教育廳普通高校教學改革研究項目“面向系統能力培養的《計算機組成原理與體系結構》課程實踐教學改革研究”，項目編號：湘教通〔2019〕291號1057

作者簡介：岳珂娟（1977—?），女，漢族，湖南人，博士，副教授，研究方向：圖像處理。