易叢琴 馮國富 池濤 王靜

摘要：《數(shù)字邏輯》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》三門課程分別對應(yīng)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)硬件課程的硬件基礎(chǔ)課、硬件專業(yè)基礎(chǔ)課、硬件專業(yè)課三個(gè)層次。在厘清三門課程實(shí)驗(yàn)之間相互銜接關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了一體化由簡單到復(fù)雜、由部分到整體的循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：硬件課程;課程改革;一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號：G642? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）37-0277-02

《數(shù)字邏輯》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》三門課程對應(yīng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)硬件課程的不同層次，分別涵蓋了硬件基礎(chǔ)課、硬件專業(yè)基礎(chǔ)課、硬件專業(yè)課，形成計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程的一條主線。通過三門課程理論及實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生循序漸進(jìn)地理解計(jì)算機(jī)的各組成部件之間的聯(lián)系，了解各組成部件從獨(dú)立到統(tǒng)一整體實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)算，同時(shí)掌握計(jì)算機(jī)軟件和硬件的關(guān)系，學(xué)會(huì)如何評價(jià)及優(yōu)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且能夠在其他相關(guān)課程基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)功能的擴(kuò)展。

一、計(jì)算機(jī)硬件課程的改革

計(jì)算機(jī)硬件課程是計(jì)算機(jī)學(xué)科必不可少的專業(yè)課程[1]，只有熟練掌握計(jì)算機(jī)硬件知識才能開發(fā)出更高效的軟件項(xiàng)目。計(jì)算機(jī)性能隨著硬件技術(shù)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的革新不斷提高，雖然其工作原理及工作方式基本保持不變，但是要使學(xué)生能夠更好地理解計(jì)算機(jī)的工作原理，對相關(guān)硬件課程的改革和思考也是必不可少的。

上海海洋大學(xué)信息學(xué)院在2018版的培養(yǎng)方案中，對硬件課程體系進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整和改革。把《計(jì)算機(jī)組成原理》作為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心通識課程，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)加強(qiáng)硬件課程體系的改革及建設(shè)，圍繞《計(jì)算機(jī)組成原理》為核心的硬件課程，建立分層次課程改革中心，以數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)為前導(dǎo)課程，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為提高課程。構(gòu)建包括基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課三個(gè)層次的一體化硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，達(dá)到既可以系統(tǒng)了解計(jì)算機(jī)硬件體系，又有助于優(yōu)化軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的完整實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

二、三門硬件課程之間的相互關(guān)系

《數(shù)字邏輯》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》三門課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)不同層次且課程內(nèi)容及難度上相互遞進(jìn)的重要硬件課程?！稊?shù)字邏輯》是《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的前導(dǎo)及基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)主要關(guān)注與CPU相關(guān)的邏輯器件技術(shù)，掌握與計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)的邏輯電路設(shè)計(jì)的基本理論和知識，理解數(shù)字邏輯器件的工作方式，在此基礎(chǔ)上認(rèn)識計(jì)算機(jī)底層基本器件的工作原理，有助于后續(xù)計(jì)算機(jī)組成及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)及理解。

《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)硬件課程的核心[2]。通過該門課程的理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)施，使學(xué)生建立起計(jì)算機(jī)基本模型機(jī)的概念并實(shí)現(xiàn)基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)。《計(jì)算機(jī)組成原理》課程對學(xué)好計(jì)算機(jī)相關(guān)的其他硬件課程起到重要作用[3]，理論課程包括計(jì)算機(jī)基本邏輯器件（輸入輸出系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、總線控制）的工作原理及數(shù)據(jù)及指令流動(dòng)方式的理解。

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程在學(xué)生學(xué)習(xí)完《數(shù)字邏輯》及《計(jì)算機(jī)組成原理》課程后，著重分析計(jì)算機(jī)架構(gòu)是怎么樣的，如何提高處理器性能，硬件之間是如何成為有機(jī)整體，如何消除CPU與主存之間的速度瓶頸，如何進(jìn)行性能分析及系統(tǒng)優(yōu)化?！队?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》從更高層次整體理解計(jì)算機(jī)的性能及優(yōu)化思想，思考和解決實(shí)際工程中遇到的問題。

三、三門課程的一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)硬件課程學(xué)習(xí)過程中，如果沒有實(shí)驗(yàn)課的支撐，硬件課程的理論部分是非?？菰锴译y懂的，要提高學(xué)生對硬件課程理論部分的理解及動(dòng)手實(shí)踐能力，合理的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐課程安排是有必要的。實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容設(shè)置上需要理順先導(dǎo)課程和后續(xù)課程的實(shí)驗(yàn)順序和銜接關(guān)系，避免實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重復(fù)，建立一體化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。三門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體現(xiàn)由局部到整體的完整計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想，按照加法器到運(yùn)算器、寄存器到存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)總線到數(shù)據(jù)通路、計(jì)數(shù)器到微程序控制器、基本模型機(jī)實(shí)現(xiàn)、基本模型機(jī)到復(fù)雜模型機(jī)系統(tǒng)、復(fù)雜模型機(jī)系統(tǒng)到系統(tǒng)優(yōu)化過程的順序由簡單到復(fù)雜、由部分到整體的基本方法實(shí)現(xiàn)。通過三門課程一系列實(shí)驗(yàn)使學(xué)生加深對計(jì)算機(jī)工作原理的理解，掌握計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基本方法，提高學(xué)生解決實(shí)際工程技術(shù)問題的工作能力[4]。

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的《數(shù)字邏輯》實(shí)驗(yàn)主要包括與計(jì)算機(jī)五大組成部件（輸入/輸出設(shè)備、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器）相對應(yīng)的編解碼器、二進(jìn)制加法器、寄存器、控制總線設(shè)計(jì)、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，各部件最終組成一個(gè)簡單的實(shí)現(xiàn)基本算術(shù)運(yùn)算的簡單計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)方式可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)與FPGA實(shí)驗(yàn)箱相結(jié)合的方式，虛實(shí)結(jié)合，既能使學(xué)生充分理解現(xiàn)象又能提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算機(jī)相關(guān)各功能部件的邏輯實(shí)現(xiàn)及處理器的設(shè)計(jì)，包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、微程序控制器、基本模型機(jī)設(shè)計(jì)。先導(dǎo)課程《數(shù)字邏輯》實(shí)驗(yàn)中完成的基本數(shù)字邏輯單元在《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)中組合成具有一定獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)部件，并將獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)部件（如運(yùn)算器與存儲(chǔ)器、運(yùn)算器與控制器、運(yùn)算器與輸入輸出系統(tǒng)，存儲(chǔ)器與輸入輸出系統(tǒng)）聯(lián)系起來協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作。

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程實(shí)驗(yàn)在《計(jì)算機(jī)組成原理》基本模型機(jī)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，主要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型機(jī)、基于流水線技術(shù)構(gòu)成模型計(jì)算機(jī)、帶Cache的CPU的設(shè)計(jì)及代碼優(yōu)化等。通過不同層次的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生更深入地理解計(jì)算機(jī)的整體性能、加深對流水線的認(rèn)識，能進(jìn)一步優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，編寫出執(zhí)行速度快、資源利用率高、性能接近于最優(yōu)的程序。

四、總結(jié)

人工智能的發(fā)展對計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才硬件課程的學(xué)習(xí)和掌握程度提出了更高的要求，學(xué)生要夯實(shí)硬件課程基礎(chǔ)才能在其他相關(guān)課程的深度和廣度上有所提升。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生通過《數(shù)字邏輯》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》三門課程的理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作，搭建從簡單到復(fù)雜的模型機(jī)，深入理解計(jì)算機(jī)的工作原理，為未來從事IT相關(guān)行業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖娟，王嵩，張雯雰.計(jì)算機(jī)硬件類專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)體系改革研究[J].亞太教育，2015，（27）：90.

[2]王婧.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討[J].軟件工程，2017，20（7）：42-44.

[3]徐愛萍，張玉萍，涂國慶.計(jì)算機(jī)組成原理課程整機(jī)實(shí)習(xí)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2014，（10）：101-104.

[4]王冬.《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2015，（4）：50-52.

Discussion on the Integration Experiment of Three Hardware Courses of Computer Science and Technology

YI Cong-qin，F(xiàn)ENG Guo-fu，CHI Tao，WANG Jing

（College of Information Technology Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

Abstract："Digital Logic"，"Principles of Computer Composition" and "Computer System Structure" correspond to the three levels of computer science and technology hardware courses. The contents of the three courses are interrelated and cross-cutting.On the basis of clarifying the connection between the three courses，an integration experimental platform was established，which integrates the three courses from simple to complex.

Key words：hardware course;curriculum reform;integrated experimental platform