摘要:該文通過分析CC2005計算機(jī)組成原理知識單元和計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究生入學(xué)考試全國統(tǒng)考大綱,研究了新編教材的指導(dǎo)思想,指出教材建設(shè)應(yīng)遵循知識結(jié)構(gòu)具有通用性、內(nèi)容組織具有合理性、教材內(nèi)容具有實用性的思想。新編教材具有基礎(chǔ)性強(qiáng)、內(nèi)容組織合理、取材先進(jìn)、注重實踐、便于自學(xué)等特色。實踐證明,新教材的使用加深了學(xué)生對計算機(jī)組成和工作原理的理解,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獨(dú)立思考的能力,收到了良好的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞:CC2005;計算機(jī)組成原理;教材建設(shè)

中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

1引言

2007年6月,教育部高等學(xué)校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會計算機(jī)專業(yè)規(guī)范研究小組在對計算機(jī)科學(xué)、計算機(jī)工程、軟件工程和信息技術(shù)知識體和CC2005核心課程進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國的實際情況,確定了我國計算機(jī)科學(xué)專業(yè)的15門核心課程、計算機(jī)工程專業(yè)的16門核心課程、軟件工程專業(yè)的24門核心課程和信息技術(shù)專業(yè)的15門核心課程,并給出了各專業(yè)包括的知識領(lǐng)域及知識單元。按照各個專業(yè)方向核心知識體系的要求,給出了“程序設(shè)計”、“離散結(jié)構(gòu)”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“計算機(jī)組成原理”、“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”、“操作系統(tǒng)”和“數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”等7門課程作為這四個專業(yè)的公共核心基礎(chǔ)課程。

“計算機(jī)組成原理”作為計算機(jī)科學(xué)、計算機(jī)工程、軟件工程和信息技術(shù)這四個專業(yè)的公共核心基礎(chǔ)課程之一,它以計算機(jī)單機(jī)系統(tǒng)為研究對象,主要介紹計算機(jī)硬件各組成部分的基本組成、工作原理和邏輯設(shè)計。從課程地位來說,它在先導(dǎo)課程和后續(xù)課程之間起著承上啟下和繼往開來的作用。2008年4月國家教育部公布,從2009年起,計算機(jī)專業(yè)考研中的專業(yè)基礎(chǔ)課實行全國統(tǒng)一命題,專業(yè)基礎(chǔ)課由“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”(占45分)、“計算機(jī)組成原理”(占45分)、“操作系統(tǒng)”(占35分)、“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”(占25分)四個部分組成,并于2008年8月公布了統(tǒng)一的考試大綱,但并沒有給出統(tǒng)一的參考教材。因此,要建設(shè)一本既符合CC2005核心課程知識體系,又符合研究生入學(xué)考試全國統(tǒng)考大綱要求的《計算機(jī)組成原理》教材就顯得格外重要。

2教材編寫的指導(dǎo)思想

目前市場上已有較多的供本科生學(xué)習(xí)的《計算機(jī)組成原理》教材,但自從教育部高等學(xué)校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會2007年6月發(fā)布了“貫徹《高等學(xué)校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范(試行)》”,以及2008年8月正式發(fā)布計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究生入學(xué)考試專業(yè)基礎(chǔ)課全國統(tǒng)一命題考試大綱后,新編寫出版的教材較少,能完全涵蓋規(guī)范要求和考研大綱要求的知識點(diǎn)的教材就更少。我們的教材建設(shè)就是在上述背景下進(jìn)行的,在教材建設(shè)時遵循了以下三條指導(dǎo)思想。

(1) 知識結(jié)構(gòu)具有通用性

這里的通用性是指教材的知識結(jié)構(gòu)能適應(yīng)于計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)一級學(xué)科下的各個專業(yè),按照CC2005核心課程“計算機(jī)組成原理”在計算機(jī)科學(xué)、計算機(jī)工程、軟件工程和信息技術(shù)等四個專業(yè)中的知識單元和知識點(diǎn)分布要求,以及計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究生入學(xué)考試全國統(tǒng)考大綱的要求,合理地組織教材內(nèi)容,使四個不同的專業(yè)能根據(jù)自己的專業(yè)特點(diǎn)和大綱要求有選擇地學(xué)習(xí)教材中的某些內(nèi)容,但必須包含考研大綱要求的全部基礎(chǔ)知識。

(2) 內(nèi)容組織具有合理性

《計算機(jī)組成原理》教材要系統(tǒng)地講述了計算機(jī)最基本的組成和工作原理、分析方法和設(shè)計技術(shù),以及有關(guān)的先進(jìn)技術(shù)和在計算機(jī)組成方面的最新進(jìn)展。在內(nèi)容組織上,要根據(jù)計算機(jī)各組成部件及相互聯(lián)系采用整體“自頂向下”,細(xì)節(jié)“自底向上”的方法。

(3) 教材內(nèi)容具有實用性

教材內(nèi)容主要是寫給學(xué)生看的,所以在編寫時需要經(jīng)常站在學(xué)生的角度來進(jìn)行考慮。要使學(xué)生愿意看,看得懂,越看越有興趣,看后感覺有收獲,能將自己所學(xué)的理論知識與實踐動手結(jié)合起來,讓學(xué)生感覺到所學(xué)的知識能運(yùn)用于將來的工作之中。另外,一本教材的篇幅不宜太長和字?jǐn)?shù)太多,有些在相關(guān)課程如匯編語言、數(shù)字邏輯中學(xué)過的知識或?qū)⒁谟嬎銠C(jī)體系結(jié)構(gòu)、微機(jī)接口技術(shù)中詳細(xì)學(xué)習(xí)的知識沒有必要再作詳細(xì)的論述,教材力求“少而精”的原則。

3教材的內(nèi)容組織

表1和表2分別給出了CC2005計算機(jī)科學(xué)專業(yè)和計算機(jī)工程專業(yè)中,“計算機(jī)組成原理”課程涵蓋的知識單元,表3給出了研究生入學(xué)考試計算機(jī)組成原理考試大綱涵蓋的知識單元和考核的知識點(diǎn)。通過分析CC2005和考研大綱對計算機(jī)組成原理知識點(diǎn)的要求,我們認(rèn)為教材在系統(tǒng)地講述計算機(jī)最基本的組成和工作原理、分析方法和設(shè)計技術(shù)的同時,還應(yīng)該介紹有關(guān)的先進(jìn)技術(shù)和在計算機(jī)組成方面的最新進(jìn)展。

根據(jù)整體“自頂向下”,細(xì)節(jié)“自底向上”的教學(xué)組織方法,我們將《計算機(jī)組成原理》教材的內(nèi)容分為8章。第1章計算機(jī)系統(tǒng)概論主要講述了計算機(jī)的發(fā)展歷程,計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu),計算機(jī)系統(tǒng)的組成,計算機(jī)的工作過程,計算機(jī)性能,以及計算機(jī)的典型分類方式和應(yīng)用領(lǐng)域。第2章運(yùn)算方法和運(yùn)算器講述了數(shù)值數(shù)據(jù)和非數(shù)值數(shù)據(jù)的

表示方法,定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算方法和運(yùn)算器,浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算方法和運(yùn)算器,數(shù)據(jù)校驗碼。第3章存儲系統(tǒng)講述了存儲器的基本概念,半導(dǎo)體隨機(jī)讀寫存儲器和半導(dǎo)體只讀存儲器的組成及工作原理,半導(dǎo)體存儲器的容量擴(kuò)展,雙端口RAM,多模塊交叉存儲器,相聯(lián)存儲器,Cache存儲器和虛擬存儲器。第4章指令系統(tǒng)講述了指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求,指令格式,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,指令格式的分析與設(shè)計,典型指令系統(tǒng)舉例,CISC、RISC、退耦CISC/RISC和后RISC的基本概念。第5章中央處理器講述了CPU的功能和組成,指令周期,時序產(chǎn)生器,微程序控制器,硬連線控制器,流水線技術(shù),提高單機(jī)系統(tǒng)指令級并行性的措施,現(xiàn)代微處理器舉例。第6章總線結(jié)構(gòu)講述了總線的基本概念,總線標(biāo)準(zhǔn),總線仲裁和總線通信,總線舉例。第7章I/O設(shè)備簡單介紹了典型I/O設(shè)備的工作原理和常見的性能指標(biāo)。第8章I/O系統(tǒng)講述了I/O系統(tǒng)的基本概念,I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu),I/O端口及其編址,以及I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式。

4教材的編寫特色

遵循教材編寫的指導(dǎo)思想和教材內(nèi)容的組織思路,筆者將在本校使用過多年的《計算機(jī)組成原理》講義整理成教材,已由西安電子科技大學(xué)出版社出版,教材的編寫具有如下五個特色:

(1) 基礎(chǔ)性強(qiáng),知識結(jié)構(gòu)合理

教材內(nèi)容的知識結(jié)構(gòu)包含了CC2005的主要知識點(diǎn),符合《高等學(xué)校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范(試行)》中對計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)公共核心基礎(chǔ)課程“計算機(jī)組成原理”的要求和研究生入學(xué)考試全國統(tǒng)考大綱的要求。

(2) 教材內(nèi)容組織合理

在教材內(nèi)容組織上,采用了整體“自頂向下”,細(xì)節(jié)“自底向上”的方法;教材各章節(jié)內(nèi)容之間采用了整體“自頂向下”的內(nèi)容組織方法。第1章中先講述了計算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成,然后分章節(jié)講述了運(yùn)算器、內(nèi)存儲器、指令系統(tǒng)、控制器、系統(tǒng)總線、I/O設(shè)備和I/O系統(tǒng),由于控制器的功能主要是對指令系統(tǒng)中的指令進(jìn)行解釋,因此在內(nèi)容組織上,將指令系統(tǒng)安排在控制器內(nèi)容之前講述。CPU(包括運(yùn)算器、控制器和片內(nèi)Cache)和內(nèi)存儲器合稱為主機(jī),由于主機(jī)與I/O設(shè)備的連接采用系統(tǒng)總線,因此在講述完主機(jī)各組成部件之后,接下來講述了系統(tǒng)總線,最后才是講述I/O設(shè)備,以及實現(xiàn)主機(jī)通過總線與I/O設(shè)備進(jìn)行連接的外設(shè)接口及交換信息的常用控制方式,即I/O系統(tǒng)。這樣可以讓學(xué)生有一個非常直接、整體的把握,為接下去內(nèi)容的展開和學(xué)習(xí)每一個部分的組成和工作原理奠定基礎(chǔ),把握總體方向。在涉及到各組成部分具體細(xì)節(jié)的知識點(diǎn)時,我們采用了“自底向上”的內(nèi)容組織方法。因為在涉及到具體原理的時候,必須遵循由淺入深、循序漸進(jìn)的方法,即在講清基本概念和基本原理的基礎(chǔ)上,再進(jìn)行分析和設(shè)計,不然沒有足夠的基礎(chǔ)知識,學(xué)生將無法正確理解和掌握各部件的組成及工作原理。例如教材第4章中的指令系統(tǒng),我們先介紹了指令的格式、操作碼和地址碼的表示、指令字長與機(jī)器字長的關(guān)系、指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,再針對某一具體的指令格式舉例分析指令格式特點(diǎn)、操作數(shù)采用的尋址方式、有效地址的表示及尋址范圍,以及操作數(shù)的計算等,最后再舉例說明如何根據(jù)指令系統(tǒng)的設(shè)計要求來設(shè)計指令格式。再例如教材第5章中的微程序控制器,我們先介紹了微命令和微操作、微指令和微程序的概念,以及微指令格式,然后講述了微程序控制器的組成和工作原理,再以某一典型指令在某一特定時序控制方式和某一具體的模型機(jī)下的指令周期流程圖為例,介紹了微指令格式和微程序的設(shè)計方法,最后再討論微程序控制器的具體設(shè)計方法。

(3) 取材先進(jìn)

教材在計算機(jī)的發(fā)展趨勢、指令系統(tǒng)的發(fā)展、提高單機(jī)系統(tǒng)指令級并行性的措施、總線標(biāo)準(zhǔn)等章節(jié)中引入了近幾年來較新的計算機(jī)技術(shù)。例如教材第5章在“提高單機(jī)系統(tǒng)指令級并行性的措施”這一節(jié)中,我們分別介紹了在單機(jī)系統(tǒng)中目前使用較廣的五種技術(shù),即超標(biāo)量、VLIW、超流水、超標(biāo)量超流水、EPIC技術(shù),并以現(xiàn)代微處理器Pentium 4和UltraSPARC Ⅲ為例介紹了微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及這些新技術(shù)的具體應(yīng)用。

(4) 符合計算學(xué)科的認(rèn)知理論,注重實踐能力的培養(yǎng)

教材在內(nèi)容的設(shè)置上注重了人們在計算學(xué)科領(lǐng)域的認(rèn)識規(guī)律,即從感性認(rèn)識(抽象)到理性認(rèn)識(理論),再由理性認(rèn)識(理論)回到實踐(設(shè)計)的過程。以第5章為例,內(nèi)容安排上先讓讀者了解中央處理器的功能和組成,并以一個帶有內(nèi)部指令Cache和數(shù)據(jù)Cache的模型機(jī)為例介紹了典型指令的指令周期,即執(zhí)行過程,這些只是讓讀者對指令在計算機(jī)上的執(zhí)行有一個感性認(rèn)識。然后再講述如何用操作控制器根據(jù)不同的操作碼和時序信號來產(chǎn)生各種具有時間標(biāo)志的操作控制信號,以便建立正確的數(shù)據(jù)通路,從而完成在感性認(rèn)識上所看到的指令的解釋過程。最后再回去實踐,即如何利用理論知識來設(shè)計一個操作控制器,以及設(shè)計的具體步驟。

根據(jù)筆者多年從事“計算機(jī)組成原理”課程理論教學(xué)和實踐教學(xué)的經(jīng)驗,教材中有關(guān)CPU的組成已通過EDA軟件設(shè)計驗證。在保持CPU整體結(jié)構(gòu)不變的前提下,通過擴(kuò)展指令系統(tǒng)、設(shè)計新的指令格式和尋址方式、增加通用寄存器的個數(shù)、更新操作控制器的設(shè)計等,可設(shè)計各類功能強(qiáng)弱不同的CPU,并可通過運(yùn)行機(jī)器語言源程序來驗證CPU設(shè)計的正確性。此部分可作為該課程的綜合實踐性環(huán)節(jié),以增強(qiáng)實踐動手能力。

(5) 有助于讀者自學(xué)

每章針對各主要知識點(diǎn)給出了大量的例題,解題過程詳細(xì),思路清晰,有助于對基本理論、基本方法的理解。各章節(jié)后的習(xí)題均附有參考答案,但只有難度較高的習(xí)題附有較具體的解題過程,對于與教材中例題相似的習(xí)題則只給出了答案,而概念性的習(xí)題則直接省略,這樣做將有助于讀者自學(xué),而不是不加思考的死記硬背,也避免了學(xué)生做作業(yè)時的簡單抄襲。

5結(jié)束語

《計算機(jī)組成原理》教材的知識結(jié)構(gòu)和內(nèi)容組織既符合CC2005核心課程知識體系,又符合研究生入學(xué)考試全國統(tǒng)考大綱的要求。該教材的使用,加深了學(xué)生對計算機(jī)組成和工作原理的理解,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獨(dú)立思考的能力,為該課程的實踐教學(xué)和后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ),收到了良好的學(xué)習(xí)效果。

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