劉旭東　熊桂喜

文章編號(hào)：1672-5913(2009)07-0074-03

摘要：“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)歷來(lái)是計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中的重點(diǎn)，本文分析了“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的定位和特點(diǎn)，提出了一種從整體功能推進(jìn)到局部組成、從微觀實(shí)現(xiàn)抽象到宏觀結(jié)構(gòu)的層次化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)模式，探討了“計(jì)算機(jī)組成原理”教學(xué)與學(xué)生能力培養(yǎng)之間的關(guān)系，探索并實(shí)踐了一種研究性的教學(xué)方法。實(shí)踐證明，這樣的方法也的確收到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；課程改革；教學(xué)方法；實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1引言

“計(jì)算機(jī)組成原理”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程，該課程以馮·諾依曼模型為起點(diǎn)，系統(tǒng)地講述了計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能部件、功能特征、工作原理、交互方式和基本設(shè)計(jì)方法[1]。在教授這門(mén)課程的過(guò)程中，我們通過(guò)課堂講授、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，使學(xué)生系統(tǒng)地理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本分析與設(shè)計(jì)方法，為他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等后續(xù)課程，全面培養(yǎng)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)認(rèn)知、設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力奠定良好的基礎(chǔ)。

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科階段一門(mén)極其重要的課程，也是一門(mén)教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)習(xí)難度大的課程[2]。目前國(guó)內(nèi)外出版的相關(guān)教材不少，其中不乏較優(yōu)秀的教材，但由于教材容量的限制和文字?jǐn)⑹龇绞降奶攸c(diǎn)，我們很難憑借單本教材就能實(shí)現(xiàn)既能從全局或宏觀的角度掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理，又能從局部或微觀的角度理解計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的工作過(guò)程和交互方式的教學(xué)目標(biāo)。因此，研究并實(shí)踐一種有效的教學(xué)模式，對(duì)幫助學(xué)生從微觀層面掌握本課程知識(shí)單元、從宏觀層面建立該課程知識(shí)體系，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的認(rèn)知能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，具有重要的作用。

2教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

我們系統(tǒng)地分析了卡耐基梅隆大學(xué)、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)等20余所國(guó)內(nèi)外著名大學(xué)同類課程的教學(xué)內(nèi)容和展現(xiàn)方式。國(guó)內(nèi)外高校在課程的教學(xué)內(nèi)容上差別基本不大(如表1所示)，但在內(nèi)容的組織和知識(shí)的層次化推進(jìn)方面存在一定的差別。

表1 幾所國(guó)外大學(xué)計(jì)算機(jī)組成課程教學(xué)內(nèi)容分布

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)盡快建立計(jì)算機(jī)的整體概念，讓學(xué)生清晰地了解所學(xué)內(nèi)容在課程知識(shí)結(jié)構(gòu)中的位置以及和其他部分之間的關(guān)系[2,3]，并合理組織課程知識(shí)點(diǎn)的展現(xiàn)結(jié)構(gòu)，使學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容具有清晰的脈絡(luò)和思路，這對(duì)學(xué)生全面地掌握本課程的知識(shí)具有十分重要的作用。

我們基于對(duì)國(guó)內(nèi)外“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)體系的分析，從知識(shí)與能力兩個(gè)層次，課堂與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程與實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，基于自頂向下的教學(xué)思路，建立了一種從整體功能推進(jìn)到局部組成、從微觀實(shí)現(xiàn)抽象到宏觀結(jié)構(gòu)的層次化課程內(nèi)容設(shè)計(jì)模式。首先，從問(wèn)題出發(fā)。設(shè)想人類尋求一種可以代替人完成復(fù)雜計(jì)算的機(jī)器裝置的功能需求，帶領(lǐng)學(xué)生分析歸納計(jì)算機(jī)的功能模型，基于一定的技術(shù)條件帶領(lǐng)學(xué)生分析總結(jié)實(shí)現(xiàn)該計(jì)算機(jī)功能模型的組成、結(jié)構(gòu)以及其基本的工作方式，使學(xué)生初步建立計(jì)算機(jī)的整體概念。然后按照這樣一種分析問(wèn)題、探討解決思路、總結(jié)功能特征、介紹設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容展開(kāi)模式，分別對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)、計(jì)算單元、控制單元和輸入輸出系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，貫徹局部組成體現(xiàn)整體功能、微觀實(shí)現(xiàn)體系宏觀結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)思路，同時(shí)突出“功能分析”和“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”兩條主線。內(nèi)容組織上，在對(duì)計(jì)算機(jī)各組成部分的功能需求分析的前提下，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)這些功能需求的組成部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程和特征。

3課程的能力培養(yǎng)

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)內(nèi)容不僅僅是要傳授有關(guān)硬件設(shè)計(jì)的課本知識(shí)，更重要的是重視理論知識(shí)與實(shí)踐過(guò)程的結(jié)合，將知識(shí)綜合靈活運(yùn)用，重視學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)[4]。本課程著重培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)方面的三種能力：即計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的認(rèn)知能力、設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新能力。

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程主要通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)各功能部件的組成及運(yùn)行原理的分析、講解和配套實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的系統(tǒng)級(jí)認(rèn)知能力。課程通過(guò)數(shù)據(jù)的機(jī)器表示、運(yùn)算方法及運(yùn)算部件的組成等知識(shí)點(diǎn)的講解和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的運(yùn)算特征；通過(guò)指令系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)匯編級(jí)的結(jié)構(gòu)特征和基本操作描述方法；通過(guò)存儲(chǔ)系統(tǒng)的詳細(xì)講解和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能從容量、速度和成本的角度理解多層次存儲(chǔ)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和工作原理；通過(guò)CPU及控制單元的功能和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析，結(jié)合指令執(zhí)行控制的深入講解和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指令執(zhí)行的實(shí)質(zhì)和控制單元的基本實(shí)現(xiàn)方法；通過(guò)總線、輸入輸出接口及外部設(shè)備等知識(shí)的講解，使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部的交互方式。

在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的系統(tǒng)級(jí)認(rèn)知能力的基礎(chǔ)上，我們通過(guò)對(duì)運(yùn)算部件、存儲(chǔ)系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、控制單元、整機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法等知識(shí)的講解，結(jié)合相應(yīng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的理解和設(shè)計(jì)能力。在設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的具體方式上，可通過(guò)課堂講授、課后練習(xí)、配套實(shí)驗(yàn)等形式分層次實(shí)現(xiàn)。如課堂講授可重點(diǎn)介紹系統(tǒng)和部件的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過(guò)程等內(nèi)容；課后練習(xí)可進(jìn)行框架性設(shè)計(jì)；配套實(shí)驗(yàn)可圍繞規(guī)范、典型的模型系統(tǒng)，從功能部件的實(shí)現(xiàn)開(kāi)始，直至最終設(shè)計(jì)出一臺(tái)具備基本運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力、支持有限指令集的計(jì)算機(jī)設(shè)備。從而達(dá)到驗(yàn)證功能部件和系統(tǒng)的功能，掌握必要的硬件描述語(yǔ)言、設(shè)計(jì)工具及仿真環(huán)境，體驗(yàn)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，掌握相關(guān)硬件設(shè)計(jì)技術(shù)與方法等目的。

課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)努力為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力打下基礎(chǔ)，課程在培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知和設(shè)計(jì)能力的基礎(chǔ)上，可通過(guò)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)不同階段面臨的問(wèn)題及其技術(shù)發(fā)展的分析和探討，體會(huì)在特定的技術(shù)條件下的創(chuàng)新思維；針對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)面臨的新問(wèn)題和新需求，結(jié)合新技術(shù)的介紹大膽暢想未來(lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，引領(lǐng)學(xué)生突破思維定勢(shì)，以此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。進(jìn)一步可通過(guò)集成計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)等課程知識(shí)內(nèi)容的綜合課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的基本創(chuàng)新能力。

4教學(xué)方法實(shí)踐

計(jì)算機(jī)學(xué)科的知識(shí)體系是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的知識(shí)體系，對(duì)于計(jì)算機(jī)原理這樣一門(mén)課程，在教學(xué)過(guò)程中，啟發(fā)學(xué)生充分思考計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)發(fā)展不同階段的需求、基本背景和應(yīng)解決的本質(zhì)問(wèn)題，遠(yuǎn)比直接的知識(shí)灌輸要重要的多。在教學(xué)方法上，目前普遍采用的是針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)采用啟發(fā)式、討論式或提問(wèn)式等的教學(xué)方法，這些教學(xué)方法被證明在教學(xué)過(guò)程中確實(shí)起到了良好的作用[2,4,5]。我們認(rèn)為，課堂教學(xué)一方面要傳播課程的知識(shí)，更重要的是要傳播一種正確的科學(xué)研究方法。課程教學(xué)既要使學(xué)生掌握課程知識(shí)，又要讓學(xué)生了解與課程相關(guān)的領(lǐng)域曾經(jīng)所面臨的應(yīng)用和技術(shù)問(wèn)題，以及所采取的解決思路，因此探索并實(shí)踐一種“發(fā)現(xiàn)提出問(wèn)題、分析技術(shù)背景、提出解決方法、實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證”的研究性教學(xué)方法，對(duì)該課程的教學(xué)十分有益。

比如講授計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示方法，其實(shí)這部分是課程中很簡(jiǎn)單的內(nèi)容，最直截了當(dāng)?shù)姆绞骄褪侵苯又v授計(jì)算機(jī)中各種編碼的表示方法，學(xué)生容易掌握，但學(xué)生只知其然而不知其所以然。講授過(guò)程中應(yīng)從計(jì)算機(jī)只能表示“0”和“1”這兩個(gè)基本概念入手，引導(dǎo)學(xué)生思考計(jì)算機(jī)如何充分利用“0”和“1”來(lái)表示大千世界抽象的概念和具體的形象，進(jìn)一步讓學(xué)生思考計(jì)算機(jī)中數(shù)值的表示、非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示應(yīng)解決的問(wèn)題，使學(xué)生充分理解計(jì)算機(jī)中把數(shù)分成定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、有符號(hào)數(shù)和無(wú)符號(hào)數(shù)，以及需要各種字符編碼、檢錯(cuò)糾錯(cuò)碼的合理性和必要性，讓學(xué)生主動(dòng)去發(fā)掘計(jì)算機(jī)中數(shù)值和符號(hào)表示的根本問(wèn)題。同時(shí)結(jié)合高級(jí)語(yǔ)言中的變量類型定義和各種類型變量占內(nèi)存大小方面的知識(shí)，使學(xué)生能夠從高級(jí)語(yǔ)言和機(jī)器實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的角度理解程序變量類型的規(guī)劃對(duì)程序性能的影響等知識(shí)。至于具體的數(shù)據(jù)表示方法，屬于比較容易掌握的基本教學(xué)內(nèi)容，講與不講都沒(méi)有太大的關(guān)系。

中央處理器是“計(jì)算機(jī)組成原理”課程中最難掌握的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)過(guò)程可以分為三個(gè)步驟推進(jìn)。第一步是要讓學(xué)生掌握控制器的功能、組成和結(jié)構(gòu)，以及控制信號(hào)的作用。教學(xué)方法上應(yīng)采用啟發(fā)式的教學(xué)方法，首先應(yīng)通過(guò)結(jié)合指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、運(yùn)算單元等已學(xué)部分的知識(shí)，系統(tǒng)地分析機(jī)器指令執(zhí)行過(guò)程中所需要的功能支持、功能部件(如寄存器部件)支持和數(shù)據(jù)通路支持，進(jìn)而歸納總結(jié)控制單元的功能、組成和結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，以一個(gè)便于課程教學(xué)的簡(jiǎn)化的指令系統(tǒng)和模型機(jī)的設(shè)計(jì)為目標(biāo)，從完整規(guī)劃?rùn)C(jī)器指令執(zhí)行的指令流和數(shù)據(jù)流入手，系統(tǒng)地分析指令執(zhí)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的指令代碼傳送路徑、操作數(shù)地址的形成和傳送路徑、操作數(shù)傳送路徑，以及各個(gè)功能部件(如存儲(chǔ)器、各類寄存器、運(yùn)算單元等)和這些傳送路徑所需要的控制信號(hào)。以這些分析為基礎(chǔ)，一步一步地引導(dǎo)學(xué)生分析、歸納總結(jié)并進(jìn)一步完成控制單元內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)和控制信號(hào)的部署，進(jìn)而完成模型機(jī)控制單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。教學(xué)過(guò)程第二步以模型機(jī)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析和講解典型機(jī)器指令的執(zhí)行周期和指令執(zhí)行的詳細(xì)流程，使學(xué)生充分理解典型指令執(zhí)行過(guò)程中每一個(gè)時(shí)間段所實(shí)現(xiàn)的基本功能，以及為實(shí)現(xiàn)該基本功能在該時(shí)間段上所需要的微操作控制信號(hào)，進(jìn)而使學(xué)生掌握每一條指令執(zhí)行周期和詳細(xì)執(zhí)行流程的分析方法。教學(xué)過(guò)程的第三步是在完成上述教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合模型機(jī)的控制方式和控制時(shí)序信號(hào)，仔細(xì)分析和講解模型機(jī)中各種微操作控制信號(hào)的邏輯綜合方法，以及控制單元的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)上述三個(gè)階段的遞進(jìn)式教學(xué)，使學(xué)生了解并基本理解控制器的基本工作原理，掌握機(jī)器指令執(zhí)行的真正物理含義，從本質(zhì)上掌握計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行的實(shí)質(zhì)。

5結(jié)束語(yǔ)

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程是公認(rèn)的枯燥和難學(xué)的專業(yè)核心課程，這些年我們?cè)谠撜n程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)方法的研究上進(jìn)行了探索，并取得了良好的教學(xué)效果，形成了自己的特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，“計(jì)算機(jī)組成原理”的教學(xué)仍然還有很多工作值得我們?nèi)パ芯亢蛯?shí)踐，只有不斷探索、不斷總結(jié)才能有效地提高教學(xué)質(zhì)量，滿足學(xué)生們不斷增長(zhǎng)的求知需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì). 高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范(試行)[M]. 北京:高等教育出版社,2006.

[2] 王勇,黃賢英. “計(jì)算機(jī)組成原理”的教學(xué)方法[J]. 重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2008,V22(3):167-170.

[3] 唐朔飛. 計(jì)算機(jī)組成原理(第二版)[M]. 北京:高等教育出版社,2006.

[4] 向琳,張展等. “計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)踐教學(xué)探討[J]. 計(jì)算機(jī)教育,2008(20).

[5] 許高攀,黃翠蘭等. “計(jì)算機(jī)組成原理”教學(xué)改革探索[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù),2007,V1(3):862-863.