張晨曦 王志英 劉 依 沈 立

摘要:本文針對目前國內(nèi)高校計算機專業(yè)教學中普遍存在的“重視軟件課程、輕視硬件課程”的現(xiàn)象,分析了計算機硬件類課程教學中存在的主要問題,結(jié)合自己多年的教學經(jīng)驗,提出了硬件類課程教學改革和學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的幾點對策。

關鍵詞:硬件類課程;創(chuàng)新能力;教學改革;實踐教學

中圖分類號:G642 文獻標識碼:A

1引言

“計算機系統(tǒng)結(jié)構”是高等院校計算機專業(yè)本科的一門專業(yè)主干課程。

長期以來,很多教師反映這門課程比較難講,其原因之一是課程的內(nèi)容體系和教材有些陳舊,強調(diào)的是定性分析,內(nèi)容比較空泛、較難理解,對有些非重點或非主流的結(jié)構和方法進行了過細的介紹,而對實際系統(tǒng)和現(xiàn)已廣泛應用的方法的定量分析卻比較少。二十多年來,國內(nèi)教材的內(nèi)容體系都變化不大。我們77級本科生在1981年上“計算機系統(tǒng)結(jié)構”課時的內(nèi)容體系跟現(xiàn)在有些教材的內(nèi)容體系相差不是很大,在不少現(xiàn)在的教材中都能找到它們的影子。

另外,近二十多年,計算機系統(tǒng)結(jié)構技術已經(jīng)有了很大的發(fā)展。美國著名教授John L. Hennessy和David A. Patterson聯(lián)手于二十世紀九十年代初出版的《Computer Architecture: A Quantitative Approach》一書在這個領域激起了一陣改革的浪花,它從全新的角度講述系統(tǒng)結(jié)構,受到了同行的高度贊賞,被稱為是計算機系統(tǒng)結(jié)構的“圣經(jīng)”。

本文在對國內(nèi)外系統(tǒng)結(jié)構教材進行對比分析和研究的基礎上,確定了系統(tǒng)結(jié)構課程比較全面的內(nèi)容體系。

2對國外系統(tǒng)結(jié)構教材內(nèi)容的研究

計算機系統(tǒng)結(jié)構的英文是computer architecture,用這個詞作為關鍵詞,在國外著名的網(wǎng)上書店amazon.com、國外著名的出版社Morgan Kaufmann和Prentice Hall的網(wǎng)站以及其他一些網(wǎng)站上進行檢索,查到了近五年來的8本主要的系統(tǒng)結(jié)構方面的書(到2007年為止):

(1) 書名:Computer Architecture:A Quantitative Approach (3rd Edition),作者:John L. Hennessy,David A. Patterson,出版時間:2002年5月,出版商:Morgan Kaufmann,國內(nèi)出版社引進情況:電子工業(yè)出版社(中),機械工業(yè)出版社(英),頁數(shù):1136,簡稱:【Henn3】或【H3】(為了本文的論述方便而采用的簡稱,下同)。

(2) 書名:Computer Architecture:A Quantitative Approach (4th Edition),作者:John L. Hennessy,David A. Patterson,出版時間:2006年9月,出版商:Morgan Kaufmann,國內(nèi)出版社引進情況:電子工業(yè)出版社(中),機械工業(yè)出版社(英),頁數(shù):704,簡稱:【Henn4】。

(3) 書名:Parallel Computer Architecture:A Hardware/ Software Approach,作者:David Culler等,出版商:Morgan Kaufmann,出版時間:1998年8月,國內(nèi)出版社引進情況:機械工業(yè)出版社(中),頁數(shù):1100,簡稱:【Culler】。

(4) 書名:Essentials of Computer Architecture,作者:Douglas E. Comer,出版商:Prentice Hall,出版時間: 2004年8月,國內(nèi)出版社引進情況:清華大學出版社(中),高等教育出版社(英),頁數(shù):400,簡稱:【Comer】。

(5) 書名:Principles of Computer Architecture,作者:M. Murdocca,V. P. Heuring,出版商:Prentice Hal,出版時間:2000年,頁數(shù):640,簡稱:【Murd】。

(6) 書名:Computer Architecture:From Microprocessors to Supercomputers,作者:Behrooz Parhami,出版商: Oxford University Press,出版時間:2005年2月,頁數(shù):575,簡稱:【Parha】。

(7) 書名:Computer System Arcitecture:A Networking Approach(2nd Edition),作者:Rob Williams,出版商: Prentice Hall,出版時間:2006年11月,國內(nèi)出版社引進情況:機械工業(yè)出版社(英),頁數(shù):752,簡稱:【W(wǎng)illi】。

(8) 書名:Advanced Computer Architecture and Parallel Processing,作者:Hesham El-Rewini, Mostafa Abd-El-Barr,出版商:Wiley-Interscience,出版時間:2005年1月,國內(nèi)出版社引進情況:電子工業(yè)出版社(中),頁數(shù):288,簡稱:【Rewini】。

在這些書中,【Culler】和【Rewini】主要是論述高級體系結(jié)構和并行處理體系結(jié)構,這部分內(nèi)容一般是在研究生階段才學習的,所以,它們不適合作為本科生的教材,但可以作為研究生的教材或參考書。

【Comer】是由美國普渡大學資深教授Douglas E. Comer編寫的。該書中共有20章,其中一半以上與我們國內(nèi)的計算機組成原理課程的內(nèi)容重疊,而對系統(tǒng)結(jié)構的論述又深度不夠?！綧urd】和【Parha】與【Comer】類似,相當一部分內(nèi)容屬于計算機組成原理的內(nèi)容。

【W(wǎng)illi】共有23章,篇幅達752頁。這本書不僅包含組成原理的內(nèi)容,而且還包含了操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡方面的內(nèi)容,可謂包羅萬象。

內(nèi)容涉及面太廣、與“計算機組成原理”課程重復、系統(tǒng)結(jié)構內(nèi)容深度不夠等缺點是國外大多數(shù)系統(tǒng)結(jié)構教材的通病。也許其目的是為了不需要計算機組成原理的鋪墊就可以學習系統(tǒng)結(jié)構。但國內(nèi)一般都是先學計算機組成原理,后學系統(tǒng)結(jié)構的,所以,這些教材不太適合“中國國情”。

John L. Hennessy和avid A. Patterson編寫的《Computer Architecture::A Quantitative Approach》徹底改變了這種狀況。這兩個人是享譽全球計算機界的著名教授,他們在RISC研究方面取得了卓越的成績,其研究結(jié)果分別形成了MIPS和SPARC系統(tǒng)結(jié)構的基礎。十多年前,該書第一版一出現(xiàn),就好評如潮。到去年為止,已經(jīng)出了4個版本。這是一本在全世界有很大影響的教材,國外很多大學都選用它作為教材。在國外同類教材中,它是最權威、最有影響的一本。它對系統(tǒng)結(jié)構進行了深入、全面的闡述,并且在講述中采用了國際上流行的研究計算機系統(tǒng)結(jié)構的方法——量化方法。該書的內(nèi)容充分反映了當前系統(tǒng)結(jié)構的主流發(fā)展,而且結(jié)構合理、內(nèi)容新穎、可讀性好。我們多年的教學研究和實踐表明,采用量化方法的教學效果很好。

這本教材的第3版【Henn3】有1136頁,雖然內(nèi)容豐富,但也太多、太全,難度偏大,我們認為直接作為本科生的教材是不合適的。而且該教材還有工程性太強、對有些經(jīng)典的計算機系統(tǒng)結(jié)構內(nèi)容沒有論述(如向量處理機,數(shù)據(jù)流計算機等)的不足。這本書的第4版【Henn4】雖然是最新版,但在編排上更像是研究生教材。所以,后面我們將主要以【Henn3】作為參考書,與國內(nèi)的系統(tǒng)結(jié)構教材內(nèi)容相結(jié)合,取長補短,設計“計算機系統(tǒng)結(jié)構”課程的內(nèi)容體系。

3對國內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構教材內(nèi)容的研究

3.1近五年來的主要教材

在計算機專業(yè)教材方面,國內(nèi)最有影響的出版社有:清華大學出版社、高等教育出版社、電子工業(yè)出版社、機械工業(yè)出版社、科學出版社、人民郵電出版社等。在這些出版社的網(wǎng)站以及在中國互動出版網(wǎng)china-pub.com上,我們用“系統(tǒng)結(jié)構”和“體系結(jié)構”作為關鍵詞查詢,查出了這些出版社在近五年來(到2007年為止)出版的所有計算機系統(tǒng)結(jié)構教材情況如下:

(1) 清華大學出版社:4本。作者分別是鄭緯民、李學干、尹朝慶、周立等。

雖然鄭緯民的那本是1998年出的,但因為它是國內(nèi)比較經(jīng)典的一本計算機系統(tǒng)結(jié)構教材,所以,把它也列為研究的對象。李學干的那本也是比較經(jīng)典的,是“十一五”國家級規(guī)劃教材。其前身是蘇東莊編寫的計算機系統(tǒng)結(jié)構教材。25年前筆者上大學時就使用過。

(2) 高等教育出版社:1本,作者是張晨曦等。這本書是“十五”國家級規(guī)劃教材。

(3) 電子工業(yè)出版社:2本,作者分別是陳建鐸和徐煒民等。徐煒民那本是“十五”國家級規(guī)劃教材。

(4) 機械工業(yè)出版社:1本,作者是田俊峰等。

(5) 科學出版社:1本,作者是白中英等。

(6) 人民郵電出版社:1本,作者是張先俊等。

這10本系統(tǒng)結(jié)構教材的詳細信息如下。

(1) 書名:計算機系統(tǒng)結(jié)構(第2版),作者:鄭緯民等,出版社:清華大學出版社,出版時間:1998年9月,頁數(shù):731,簡稱:【鄭】。

(2) 書名:計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(“十一五”國家級規(guī)劃教材),作者:李學干,出版社:清華大學出版社,出版時間:2006年1月,頁數(shù):333,簡稱:【李】。

(3) 書名:計算機系統(tǒng)結(jié)構教程,作者:尹朝慶,出版社:清華大學出版社,出版時間:2005年4月,頁數(shù):292,簡稱:【尹】。

(4) 書名:計算機系統(tǒng)結(jié)構,作者:周立等,出版社:清華大學出版社,出版時間:2006年12月,頁數(shù):259,簡稱:【周】。

(5) 書名:計算機體系結(jié)構(第2版)(“十五”國家級規(guī)劃教材),作者:張晨曦等,出版社:高等教育出版社,出版時間:2005年6月,頁數(shù):328,簡稱:【張】。

(6) 書名:計算機系統(tǒng)結(jié)構(第2版)(“十五”國家級規(guī)劃教材),作者:徐煒民等,出版社:電子工業(yè)出版社,出版時間:2003年7月,頁數(shù):274,簡稱:【徐】。

(7) 書名:計算機系統(tǒng)結(jié)構教程,作者:陳建鐸,出版社:電子工業(yè)出版社,出版時間:2006年2月,頁數(shù):249,簡稱:【陳】。

(8) 書名:計算機系統(tǒng)結(jié)構,作者:田俊峰等,出版社:機械工業(yè)出版社,出版時間:2005年10月,頁數(shù):274,簡稱:【田】。

(9) 書名:并行機體系結(jié)構(第二版),作者:白中英等,出版社:科學出版社,出版時間:2006年1月,頁數(shù):200,簡稱:【白】。

(10) 書名:計算機系統(tǒng)結(jié)構,作者:張先俊等,出版社:人民郵電出版社,出版時間:2006年2月,頁數(shù):292,簡稱:【張2】。

3.2教材內(nèi)容對比分析和研究

我們購買了所有這些教材以及【Henn3】(簡稱為【H3】)和【Henn4】原版教材,對其內(nèi)容進行了仔細的研究和比較,并作出了我們的選擇。

我們采用了以下選取原則:

(1) 重點選取已被現(xiàn)代計算機廣泛采用的比較成熟的結(jié)構、方法和技術等;

(2) 經(jīng)典與現(xiàn)代相結(jié)合,理論與實用相結(jié)合;

(3) 強調(diào)采用量化分析方法,減少大量冗長的定性論述;

(4) 突出重點內(nèi)容和核心思想,避免繁雜;

(5) 減少與先修課程的重復;

(6) 根據(jù)學科和專業(yè)的定位以及學時數(shù)來取舍。

首先是在知識模塊方面進行研究。我們找出了這些書的知識模塊的一個合集,其組成為:①計算機系統(tǒng)結(jié)構的基本概念;②指令系統(tǒng)結(jié)構的設計;③流水線技術;④向量處理機;⑤指令級并行的開發(fā)——硬件方法(新);⑥指令級并行的開發(fā)——軟件方法(新);⑦存儲系統(tǒng)(存儲層次);⑧輸入輸出系統(tǒng);⑨互連網(wǎng)絡;⑩多處理機; 機群計算機(新); 陣列處理機(也稱并行處理機,SIMD計算機); 數(shù)據(jù)流計算機(經(jīng)典); 知識庫機; 智能機; 歸約機; 數(shù)據(jù)庫機; 脈動陣列機; 相聯(lián)處理機。

其中①～④和⑦～⑩是大多數(shù)教材都有的,可以說它們是核心知識模塊。指令級并行是提高計算機性能的重要措施,目前的大多數(shù)微處理器都采用了這個技術,所以⑤和⑥也是比較重要的內(nèi)容,特別是⑤,應該也選作核心知識模塊。

在高性能并行計算機中,機群是近年來發(fā)展勢頭最為強勁的一種結(jié)構。在全球高性能計算機500強(Top500)排名中,盡管到1997年6月才首次有機群結(jié)構的計算機進入該排名,但此后入選的機群系統(tǒng)的數(shù)量逐年穩(wěn)步增加。到2003年11月,這一數(shù)字已達到208臺,機群首次成為Top500排名中比例最高的結(jié)構。截至2008年6月,已經(jīng)連續(xù)10期位居榜首。機群已成為當今構建高性能計算機系統(tǒng)時最常用的結(jié)構。因此, 也應該選作核心知識模塊。

數(shù)據(jù)流計算機能夠充分開發(fā)程序中的并行性,曾被認為是具有很好前景的高度并行的新型計算機。雖然數(shù)據(jù)流計算機的研究尚未達到實用水平,但其核心思想具有很大的參考價值的。對于要求較高的系統(tǒng)結(jié)構課程來說,是應該包含的。

～ 是一些專用性太強的機器結(jié)構,并沒有得到廣泛的應用,大多數(shù)的教材也不包含這些內(nèi)容,所以我們沒有選擇它們。

陣列處理機在計算機并行性的發(fā)展中有重要的地位,也屬于比較經(jīng)典的內(nèi)容。對于要求較高的系統(tǒng)結(jié)構課程來說,是應該包含的。

綜合考慮上述各知識模塊的重要性以及學時數(shù),我們選擇出以下兩種方案。

方案A:48學時左右

①計算機系統(tǒng)結(jié)構的基本概念;②指令系統(tǒng)結(jié)構的設計;③流水線技術;④向量處理機;⑤指令級并行的開發(fā)——硬件方法(新);⑥存儲系統(tǒng)(存儲層次);⑦輸入輸出系統(tǒng);⑧互連網(wǎng)絡;⑨多處理機;⑩機群計算機。

方案B:60學時左右

與方案A相比,增加了3個模塊:指令級并行的開發(fā)——軟件方法、陣列處理機、數(shù)據(jù)流計算機。

3.3部分教材的特色

(1)【鄭】共有731頁,內(nèi)容豐富,是一本大而全的書。該書是國內(nèi)很經(jīng)典的一本系統(tǒng)結(jié)構教材,但對于本科生來說,內(nèi)容太多、書太厚,作為系統(tǒng)結(jié)構參考書倒是非常好。該書第2版為1998年出版。

(2)【李】也是國內(nèi)比較經(jīng)典的一本系統(tǒng)結(jié)構教材。之所以稱它為經(jīng)典,主要是因為其前身是蘇東莊編寫的系統(tǒng)結(jié)構教材。25年前我們上大學時就使用過。

(3)【白】是網(wǎng)絡版,只有200頁,但該教材框架清晰、重點突出、語言簡練。

(4)【張】借鑒了【H3】的講法和內(nèi)容,內(nèi)容比較新,但缺少數(shù)據(jù)流計算機等一些經(jīng)典內(nèi)容和機群計算機的內(nèi)容。

(5)【徐】中有這樣一章:“分布計算環(huán)境結(jié)構”,這是所有上述教材中所沒有的。另外,該書的第二章為“計算機系統(tǒng)結(jié)構”,概述了系統(tǒng)結(jié)構的方方面面,這也是其他教材中所沒有的。

4課程內(nèi)容體系

在上述對國內(nèi)外系統(tǒng)結(jié)構教材進行分析和研究的基礎上,我們確定了系統(tǒng)結(jié)構課程的內(nèi)容體系,如下所示。

第1章緒論

包含5節(jié):引言,計算機系統(tǒng)結(jié)構的概念,計算機系統(tǒng)的性能評測,計算機系統(tǒng)結(jié)構的發(fā)展,并行性的發(fā)展。

第2章計算機指令系統(tǒng)的設計

包含5節(jié):指令系統(tǒng)的分類,尋址方式,指令系統(tǒng)的功能設計(包括RISC和CISC),指令格式的優(yōu)化設計,MIPS指令系統(tǒng)。

第3章流水線技術

包含6節(jié):重疊執(zhí)行和先行控制,流水線的基本概念,流水線的性能分析,非線性流水線的調(diào)度,流水線的相關與沖突,流水線的實現(xiàn)(以MIPS流水線為例)。

第4章向量處理機

包含5節(jié):向量處理方式,向量處理機的結(jié)構,提高向量處理機性能的方法,向量處理機的性能評價,向量處理機實例(Cray-1,Cray Y-MP和C90)。

第5章指令級并行性及其開發(fā)——硬件方法

包含5節(jié):指令級并行的概念,指令的動態(tài)調(diào)度(包括記分牌算法和Tomasulo算法),動態(tài)分支預測技術,基于硬件的前瞻執(zhí)行,多指令流出技術(包括超標量、超長指令字、超流水技術)。

第6章指令級并行性的開發(fā)——軟件方法

包含6節(jié):循環(huán)展開和基本指令調(diào)度,跨越基本塊的靜態(tài)指令調(diào)度,靜態(tài)多指令流出:VLIW技術,顯式指令并行執(zhí)行EPIC,開發(fā)更多的指令級并行,實例:Intel Itanium 處理器。

第7章存儲器系統(tǒng)

包含8節(jié):存儲器的層次結(jié)構,Cache的地址映象與地址變換,降低Cache失效率的方法,減少Cache失效開銷的方法,減少命中時間的方法(包括虛擬Cache等),并行主存,虛擬存儲器(簡單),存儲層次實例。

第8章輸入輸出系統(tǒng)

包含5節(jié):I/O系統(tǒng)性能與CPU性能,I/O系統(tǒng)的可靠性、可用性和可信性,廉價磁盤冗余陣列RAID,通道處理機,I/O與操作系統(tǒng)。

第9章互連網(wǎng)絡

包含4節(jié):互連網(wǎng)絡的基本概念(包括互連函數(shù)和互連網(wǎng)絡的特性參數(shù)),靜態(tài)互連網(wǎng)絡,動態(tài)互連網(wǎng)絡(包括互連網(wǎng)絡的例子),消息傳遞機制。

第10章多處理機

包含6節(jié):引言,對稱式共享存儲器系統(tǒng)結(jié)構(包括監(jiān)聽法多Cache一致性協(xié)議及其實現(xiàn)),分布式共享存儲器系統(tǒng)結(jié)構(包括目錄法多Cache一致性協(xié)議及其實現(xiàn)),同步,同時多線程,多處理機實例(Origin 2000, Sun T1)。

第11章機群計算機

包含7節(jié):機群的基本概念和結(jié)構,機群的特點,機群的分類,機群的通信技術,并行程序設計環(huán)境,機群的負載平衡技術,機群系統(tǒng)實例(包括Berkeley NOW和IBM SP2)。

第12章陣列處理機

包含4節(jié):陣列處理機的操作模型,陣列處理機的結(jié)構和特點,陣列處理機的并行算法,陣列處理機實例(包括ILLIAC Ⅳ和BSP)。

第13章數(shù)據(jù)流計算機

包含5節(jié):數(shù)據(jù)流計算機的基本原理,數(shù)據(jù)流計算機模型,數(shù)據(jù)流程序圖和數(shù)據(jù)流語言,靜態(tài)數(shù)據(jù)流計算機結(jié)構,動態(tài)數(shù)據(jù)流計算機結(jié)構。

5教材

在上述工作的基礎上,我們編寫出版了以下兩本系統(tǒng)結(jié)構教材:

(1)《計算機系統(tǒng)結(jié)構教程》

由清華大學出版社于2009年5月出版。包含了上述13章的內(nèi)容,63萬字。與下面高教出版社的教材相比,更適合于重點大學(48～64學時)。該教材的詳細信息見http://www.china-pub.com/45835&ref=ps。

(2)《計算機系統(tǒng)結(jié)構》

由高等教育出版社于2008年6月出版,45萬字。包含了上述13章中最重要的部分:計算機系統(tǒng)結(jié)構的基本概念,計算機指令集結(jié)構,流水線技術(含向量處理機),指令級并行,存儲系統(tǒng),輸入/輸出系統(tǒng),互連網(wǎng)絡,多處理機,機群計算機,共9章。與上面清華大學出版社的教材相比,該教材更適合于普通院校(36～48學時)。該教材的詳細信息見http://www.china-pub.com/208975&ref=ps。本課程的精品課程網(wǎng)站:www.GotoSchool.net。

參考文獻:

[1]John L. Hennessy, David A. Patterson. Computer Architecture:A Quantitative Approach[M]. 3rd Ed. San Mateo, CA: Morgan Kaufmann,2002.

[2] 鄭緯民,湯志忠. 計算機系統(tǒng)結(jié)構[M]. 2版. 北京:清華大學出版社,1998.

[3] 李學干. 計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構[M]. 北京:清華大學出版社,2006.

Study of Contents of Computer Architecture Course

ZHANG Chen-xi1, WANG Zhi-ying2, LIU Yi1, SHEN Li2

(1. School of Software Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. School of Computer Science, National

University of Defense Technoloey, Changsha 410073, China)

Abstract: Computer Architecture is an important course of Computer Science. In this paper, a comparison is made of textbooks of computer architecture, and a selection of knowledge points is chosen, based on the situation of computer education in China.

Key words: computer architecture course; knowledge; education reformation