“计算机组成原理”教学改革实践

摘 要 ：分析计算机组成原理课程的特点,针对教学中所面临的挑战,从教学内容、方法、手段和实践环节等几个方面,结合哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院在“计算机组成原理”课程中的教学改革实践,阐述该课程教学改革的思路和方法.

关 键 词 ：计算机组成原理；教学改革；教学实践；实验教材

0 引言

“计算机组成原理”是普通高等院校计算机科学与技术专业本科生必修的核心骨干课程之一,在先修课（数字逻辑）和后续课（计算机系统结构、微计算机接口技术）之间起着重要的承上启下作用（见图1）.一方面,通过“计算机组成原理”（以下简称组成原理）课程的学习,把“数字逻辑”课程中的基本数字逻辑单元组合成具有一定独立功能的计算机部件；另一方面,从微处理器数据通路设计角度引入指令集及软硬件功能分界面的概念,对学生理解计算机系统的软件和硬件设计思想产生深刻的影响,从而为后续的“计算机系统结构”分析系统性能优化所需硬件支持,并在系统复杂度、性能、成本问进行折中等内容提供知识准备.

当前的计算机内部结构日趋复杂、庞大和集成化,学生普遍感到组成原理难懂、概念抽象、感性认识差.在教学中,仅仅使用传统的教学方法和手段很难实现教学目标,如何改革组成原理教学过程、吸引学生兴趣、改善教学效果和效率并紧密结合计算机技术的发展趋势成为任课教师亟待解决的问题.经过多年的教学改革实践,我们探索出一些激发学习兴趣、提高理论知识的掌握与理解程度、增强实践动手能力的教学改革措施.

本文剖析了当前组成原理课程教学中面临的教与学、多样化教材和统一考试、重实用和重基础几个方面的挑战,阐述了在教学内容、方法、手段、实验教材编写等方面进行教学改革的思路和方法.

1.“计算机组成原理”教学中面临的挑战

1.1难教与难学的困境

计算机微体系结构的不断发展使得新概念、新技术层出不穷,为了确保授课内容贴近本领域技术发展的前沿,任课教师需要不断地跟踪学习国内外相关技术文献,以掌握微处理器设计的核心技术并渗透于教学内容中,大大增加了备课的难度.从学生的角度来说,由于组成原理中类似离散数学的证明、推导较少,也缺乏类似数据结构中的算法,学生觉得组成原理课“理论性、规律性不强”,“知识点零散”,“复习时无从下手”等,而且,在学习计算机各组成部分的硬件电路及其工作原理时,有时要用到数字电路、数字逻辑等先修课程的相关知识,学生对这些知识掌握得不够深入、基础薄弱,综合运用时就会感到吃力,因而兴趣不高.这种双方面的困难造成了组成原理课程既难教又难学的困境,往往教师课外花费大量的时间备课,课堂教学时却很难真正引起学生的兴趣.

1.2多样化教材与全国统考的矛盾

目前,国内主流的“计算机组成原理”教材很多,侧重点各有不同.自2009年计算机专业研究生入学考试改为全国统一考试以来,在专业基础综合卷中所占比重较大的课程,如“数据结构”和“操作系统”,分别拥有比较经典的、被国内大多数高校广为采用的教材,而组成原理课程的教材仍然是处在群雄混战的局面.经过认真分析考试大纲,发现其中的知识点涵盖了多本相关教材,并不局限于某一本教材.在目前考研人数居高不下的形势下,如何精心选择一本适合的教材并兼顾其他,使学生广采众家之长,在就业和考研竞争中占有优势,是任课教师在教学中面临的又一个难题.

1.3“重实用”与“重基础”的矛盾

上课时经常遇到学生提问：学习本课程对以后工作有什么用处?对此,需要教育学生重视夯实专业基础,不要为流行一时的应用技术迷惑,只有真正理解和掌握了计算科学的实质才能在今后的研究和工作中选准方向.当前国内计算机硬件人才培养弱化,软件人才需求旺盛且待遇较高的现实情况,也造成了学生“重软件、轻硬件”的认识.在课堂教学中,要注意纠正学生的这种偏见,强化软件性能取决于软件设计者对系统中硬件的理解程度、操作系统的设计者也需要有较强的计算机组成与设计的背景知识等意识.

2.教学改革与实践

经过多年来对组成原理课程进行的教改实践,为达到培养学生具有扎实的理论基础和良好的动手能力的教学目的,本文从以下几个方面对该课程的教学进行了一些有益的探索.

2.1合理组织教学内容

在教学内容的安排上,将“计算机组成原理”课程的重点放在指令系统、运算器、控制器的设计上,对于重点内容讲深、讲透,其他部分则通过学生自学或讨论课讲授.对于核心教学内容,按照基本原理、简明示例、真实计算机系统举例3个层次逐层递进安排.

2.1.1基本原理是基础

基本原理是学习和理解计算机组成与运行机制的核心知识,具有稳定性和通用性,是学生一定要掌握的内容.例如,对于“冯·诺依曼计算机的基本组成”这一基本原理的讲解,设计了如下的教学步骤：首先说明计算机系统是对人脑功能的模拟；然后分析人脑具有的感知、存储、分析、输出和协调能力,从而引出冯·诺依曼计算机与上述功能对应的5个主要功能部件：输入设备、存储器、运算器、输出设备和控制器；接下来,在后续章节的教学中,不仅分析各功能部件的组成方式,还注重介绍各部件之间的联系和相互影响,使学生能够牢牢抓住本课程的基本原理,不至于淹没在繁复的细节中.通过精心设计教学步骤,将计算机的组成与人脑自身的功能形成类比,学生觉得概念和原理都鲜活了起来,理解更加深入和持久.再如,在介绍寻址方式时,强调所谓“寻址就是根据指令中的地址码信息找到操作的对象的过程”这一基本原理,从操作数可能的存储位置出发分析各种寻址过程,突出寻址方式与数据通路设置的相互作用关系,从而引出计算机内部两种主要信息流之一——“数据流”的概念.

2.1.2模型计算机作为简明示例

模型计算机系统处于基本原理和真实计算机系统两个层次之间,具有基本的计算机系统功能而删减了性能、成本等,优化了技术细节,学生运用所学习的基本原理知识就可以完成模型机的设计和分析.通过设计实现一台简单的模型计算机系统,增加学生对所学知识的理解深度和应用能力.例如,在介绍寻址方式的概念后,通过拟定模型计算机指令系统、设计模型计算机数据通路的实践,学生对指令格式与寻址方式、寻址方式与数据通路设计之间作用关系的理解更加深刻,在印证理论知识的同时加深了对基本原理的理解. 2.1.3以真实计算机系统作为实例

以真实的计算机系统举例,不但可以运用课堂所学的基本原理,还可以贴近计算机硬件设计的技术发展前沿.在教学中,我们分别以精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）两种处理器架构的代表MIPS和Pentium为例,说明不同的计算机系统设计理念产生了不同的寄存器设置、内部数据通路设计、时序控制方式及中断等外设控制方式.例如,在寻址方式部分,通过x86系列计算机和MIPS计算机的机器指令集的具体示例,深刻揭示CISC架构和RISC架构计算机的区别,为后续的系统结构课程学习打下良好基础.一方面提高了学生的学习兴趣,另一方面弥补了教材与实际系统的缝隙,既注重基础又体现了时代特性.

2.2灵活运用多种教学方法

根据组成原理课程特点,我们采用了以下教学方法,取得了较好的教学效果.

2.2.1课堂教学多采用问题驱动

在讲授新的单元内容之前,先对上一个单元进行简单扼要的总结,然后利用“接下来的内容将要解决的是什么问题”或者“还有什么更先进的方法”等问题引起学生兴趣,导出新的教学单元.例如,在讲授补码加减法时,教师通过分析原码加减法操作过程中需要比较操作数绝对值大小,使学生认识到原码表示法不适合于加减运算,从而引入补码表示法和补码加减运算的内容；同理,在介绍乘除法器设计时,也通过设问方式,让学生自主选择适合的机器数表示形式及运算方法.通过提问,促使学生主动思考问题,进而比较自己的解决方法和已有方法的不同,发现好的思维方法,促进学生学习的主动性.

2.2.2突出理论知识的实际应用

在教学过程中,讲授计算机基本组成和工作原理的同时,注意使所学的理论知识用于指导实践操作,激发学生学习的积极性和主动性.例如,在讲授控制器内容时,教师在讲授完控制器的基本组成和工作原理后,可以通过一个只能执行几条指令的最简单模型机的示例来说明控制器设计的5个基本步骤：拟定指令系统、确定数据通路、安排时序、编写微操作时间表和微命令序列、控制逻辑实现.然后,让学生独立完成对该模型机的功能扩展,通过实践比较不同方式实现可扩展性的难易程度.

2.2.3合理设置课后习题

为方便学生课后复习,我们遵循验证所学、启发思考的选题思路,选取有代表性的习题编辑成《计算机组成原理知识要点及习题解析》.习题主要包含两部分：一是针对理论课教学中一些比较抽象的、容易混淆的基本概念和基本原理而设计的习题；二是针对基本理论的运用和应用而设计的习题.教师通过了解第一类习题的完成情况,可以及时发现教学中的问题,对于学生普遍掌握不好的内容可以采取适当的方法进行补充,以达到单元教学的目的；对第二类习题,教师组织学生讨论,进行集体学习,在各种解决方案的提出、论证、分析以及评估过程中,通过解决已有问题并提出新的问题的学习活动,使学生们的独立思考能力得到很大的锻炼和提高.

2.3充分利用多种教学手段

组成原理课程相似度检测绍的很多工作过程都发生在芯片内部,内容很抽象.本文利用计算机动画演示各部件连接关系、数据流、控制流以及工作时序等内容,不仅能把高度抽象的知识直观地显示出来,而且借助于声音、图像的多重作用帮助学生加深理解.例如,通过动画演示指令执行的全过程,包括取指、分析译码及在微命令控制下各部件执行指令流程等内容,使学生迅速地了解CPU的整个工作过程并且课下还可以反复观看,提高了知识传授效率.此外,还建设了组成原理课程网站,把讲课的视频、相关资料和自测系统放到教学网站上,方便学生课后学习和进行自我评价.另外,提供一些相关的硬件知识网站和论坛的链接,鼓励学生通过网络自主学习,扩大知识面.

2.4加强实践教学环节

“计算机组成原理”属于工程 性、技术性和实践性都很强的课程,因此在开展理论教学的同时,也要非常重视实践教学环节.哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院的组成原理教学团队一直致力于计算机硬件系列课程教学内容的研究,并在原有讲义的基础上编写了系列实验教材.

2.4.1实验课程设置

实验教学内容可分为3个层次：基础验证型实验、设计应用型实验和综合设计型实验.3类实验难度依次递增,分别在组成原理实验箱和FPGA开发板上进行（见图2）.

1）基础验证型实验.

该类实验利用计算机组成原理教学实验箱完成,包括运算器实验、存储器实验、总线传输实验和微程序控制器实验,实验目的是让学生掌握实验系统单元模块的内部结构及相关集成电路芯片的基本逻辑,理解单元模块的工作原理及该模块在整机系统中的作用.通过基础验证型实验,学生加深了对理论课教学内容的理解.

2）设计应用型实验.

该类实验要求学生利用硬件描述语言VHDL进行功能部件的逻辑设计,在计算机上功能仿真通过后,再下载到可编程逻辑器件中进行物理测试.例如,在基于FPGA的运算器设计实验中,学生设计并实现一个16位运算器,实现基本的算术和逻辑运算,完成后下载到FPGA开发板上测试.学生对于这类实验课的积极l生很高,提出了一些独特的设计方案.

3）综合设计型实验.

在前面已完成的各功能部件逻辑设计的基础上,要求学生设计一个16位RISC架构的模型计算机,并在FPGA开发板上实现.该类实验帮助学生掌握微程序控制计算机的设计方法,加深了解微程序的特点,理解指令流和数据流的流动过程,建立起整机概念.微程序设计技术是计算机组成原理理论教学中的一个难点,核心内容是理解在微程序的控制下处理器如何完成基本数据的通路操作.内容涉及时序安排、微指令编码方式、微程序设计等许多概念,学生感觉难以理解.综合设计实验使学生从微观角度分析微程序执行的整个过程,并通过亲手解剖一个小小的“麻雀”来了解微程序控制单元的设计方法.

2.4.2实验教材

课程组教师在实验课程讲义的基础上,整理编写了《基于FPGA的硬件系统设计实验与实践教程》,该书已由清华大学出版社出版发行.该书基于可编程逻辑器件开发平台,配合“数字逻辑”、“计算机组成原理”和“计算机系统结构”等课程的实验内容,通过浮点运算电路、有限状态机、RISC模型机设计等实验用例的训练,使学生了解数据在计算机中的表示、传输、处理,以及控制信息是如何完成对计算机系统进行控制的,建立起计算机系统的整机概念.采用FPGA芯片实现硬件设计实验,具有开发速度快、方便、可靠等优点,并且基于SRAM工艺的FPGA芯片可以反复编程,几乎没有器件损耗,大大降低了实验室的维护成本.另一方面,基于FPGA的计算系统设计已经在无线通信、工业控制等诸多领域得到实际应用.在计算机专业硬件课程的实验教学环节中引入相关内容,对于提高学生实际动手能力和就业竞争力都有非常大的帮助.

3.结语

“计算机组成原理”课程通过从底层剖析电子数字计算机的基本组成和工作原理,使学生掌握计算机硬件系统的基本设计技术并培养系统观点,从而训练学生的计算思维和解决数字系统实际问题的能力.通过哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院近年来不断探索“计算机组成原理”课程的教学改革并积极实践,提高了课程的教学水平和教学质量,促进了课程的建设与发展,对培养学生的硬件设计能力和系统思维能力起到了积极的作用.在以后的工作中,还需注意结合社会需要,将计算机硬件技术的新成果引入到教学内容中,不断提高教学水平.