王曉品 鄧革

摘 ?要：隨著新時代人工智能控制、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，社會對計算機學科中的控制、運算等核心技術(shù)的需求不斷增加。培養(yǎng)計算機工程類人才的關(guān)鍵，是使學生熟練掌握和靈活運用計算機組成中的控制、存儲等知識。在實驗教學改革探索的過程中，引入C語言代碼的反匯編程序，借此分析計算機中存儲器的小端規(guī)則、變量存儲機制、斷點保護機制以及Cache映射機制，提高了學生的學習興趣，改善了教學效果，為學生后續(xù)專業(yè)課程的學習和就業(yè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：計算機組成;實驗教學改革;C語言

中圖分類號：TP311;G434 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0190-03

Exploration on Computer Composition Experiment Teaching Reform

Based on C Language

WANG Xiaopin， DENG Ge

（Department of Electronics， Software Engineering Institute of Guangzhou， Guangzhou ?510990， China）

Abstract： With the rapid development of artificial intelligence control， Internet of things and other technologies in the new era， the demand for core technologies such as control and operation in computer science is constantly increasing. The key to training computer engineering talents is to enable students to master and flexibly use the knowledge of control and storage in computer composition. During the exploration of experimental teaching reform， the disassembly program of C language code is introduced to analyze the small end rules， variable storage mechanism， breakpoint protection mechanism and Cache mapping mechanism in computer memory， which improves students’ interest in learning， improves the teaching effect， and lays a good foundation for students’ subsequent professional course learning and employment.

Keywords： computer composition; experimental teaching reform; C language

0 ?引 ?言

在信息化飛速發(fā)展的時代，超算、量子計算機都進入了應用的領(lǐng)域，運算速度驚人，顛覆了計算機的底層邏輯運算。作為未來的工科人員（尤其是通信工程、電子信息工程等專業(yè)的學生），若要引領(lǐng)計算機的發(fā)展和應用，對計算機知識的學習與拓展至關(guān)重要。計算機組成是核心專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，是學習嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及編程的基礎(chǔ)，開發(fā)人員對計算機原理及工作流程的理解程度決定了其對嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)水平。傳統(tǒng)的教學方法主要是基于理論講解與分析，實驗環(huán)節(jié)基本上依靠匯編語言和THJZ-2型實驗箱來完成，與理論教學中的知識點銜接不足。課程本身難度大，導致學生出現(xiàn)入門困難、興趣匱乏等問題，學生的學習效果達不到要求，無法滿足新時代的需求。

為提高學生的學習興趣和邏輯思維能力，強化學生的實踐和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)滿足時代所需的專業(yè)人才，本文對計算機組成實驗教學內(nèi)容進行相應的改革探索，引入學生熟悉的C語言，采用C語言替代傳統(tǒng)的匯編語言來描述計算機的工作過程，完成了計算機組成與C語言、嵌入式系統(tǒng)等課程的知識銜接。通過對C語言反匯編代碼的觀察和分析，掌握計算機中存儲器的小端規(guī)則、變量存儲機制、斷點保護機制以及Cache映射機制，我們將在下文中介紹具體的改革方案和案例設(shè)計。

1 ?計算機組成的實驗教學改革方案

計算機組成是一門知識含量極高的學科，有很多知識需要學生的理解和記憶，培養(yǎng)學生對本課程的學習興趣是每個老師都將面臨的問題[2]。通過分析往屆學生對計算機組成課程的學習瓶頸和考核情況，在整理重點教學內(nèi)容、細化教學案例兩個方面予以改進。重點教學主要從計算機組成中的小端規(guī)則、存儲機制、斷點保護機制以及Cache映射機制四個方面展開。

C語言是計算機類學生和從業(yè)人員必須掌握的語言之一，但囿于對C語言及上述四個方面的研究較少，因此設(shè)計簡單的C語言小程序，通過觀察其與反匯編語句的對應關(guān)系，輔助學生掌握計算機組成的知識難點，彌補了計算機組成實驗教學的不足。具體改革方案及案例內(nèi)容設(shè)計規(guī)劃如圖1所示。

2 ?計算機組成改革方案及案例設(shè)計

2.1 ?小端規(guī)則的實驗案例分析

通過將小數(shù)的單精度浮點數(shù)運算與存儲器的存儲規(guī)則相結(jié)合，觀察并分析浮點數(shù)的二進制數(shù)值在存儲器中的存儲規(guī)則，從而理解小端規(guī)則的原理。以-58.625為例，理論計算其單精度數(shù)為C26A8000H，通過C代碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)換算后，運行結(jié)果與理論值一致，如圖2所示。

通過觀察反匯編編碼找到結(jié)果在存儲器中的具體地址，反匯編代碼如圖3（a）所示，圖3（a）可以看出，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是通過EBP寄存器的值指向內(nèi)存的位置，因此可以得出轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在0X0019FF2C～2F之間，通過查看存儲器相應位置的內(nèi)容，如圖3（b）所示，可以在運行程序后觀察運算結(jié)果在存儲器中的存儲規(guī)則。

由圖3（b）可知，低地址存放數(shù)據(jù)的低位、高地址存放數(shù)據(jù)的高位，符合小端規(guī)則的存放順序，加深了學生對小端規(guī)則的理解，并且對C語言與匯編語言、機器硬件之間的關(guān)系建立了聯(lián)系。

2.2 ?內(nèi)存的管理實驗案例分析

C語言中的變量按照作用域可以分為局部變量和全局變量。局部變量一般存放在內(nèi)存的棧區(qū)，全局變量存放在靜態(tài)存儲區(qū)。C語言中的變量有兩個基本屬性：數(shù)據(jù)類型和存儲類別。數(shù)據(jù)類型是指基本類型int、float、char等，存儲類別是指數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲方式，存儲類別分有四種：auto（自動）、static（靜態(tài)）、register（寄存器）、extern（外部）[3]。

采用int來定義變量，如圖4（a）所示，運行后觀察其反匯編程序，如圖4（b）所示。

由圖4可以看出，每個整型變量占用四個字節(jié)，因此程序中定義的內(nèi)存變量存儲在0019ff10-0019ff2f中，其地址可以通過寄存器ebp得到，從而得出變量存儲地址的存儲規(guī)則，加深對存儲管理的理解。

2.3 ?斷點保護機制實驗案例分析

子程序調(diào)用是計算機的基本程序結(jié)構(gòu)，因其在調(diào)用過程需要保護斷點、跳至子程序、保護現(xiàn)場、處理子程序、恢復現(xiàn)場、恢復斷點，因此為掌握子程序調(diào)用過程中斷點的保護機制，在程序中設(shè)置斷點，查看反匯編語句，將一條C語句分解成若干可以被處理器執(zhí)行的子操作，每一個子操作由一條獨立的指令完成，從而幫助學生理解子程序調(diào)用和返回時處理器的工作機理。

主程序和子程序之間的數(shù)據(jù)可通過寄存器、存儲器兩種方式傳遞[4]。圖5（a）中主程序?qū)⒓拇嫫鞣湃攵褩１Ｗo，并為主程序分配76個移動空間。

圖5（b）中子程序被調(diào)用執(zhí)行時，首先將主程序中斷時寄存器的數(shù)據(jù)保存到堆棧中，以此達到保護斷點的目的，并為子程序分配64個移動空間。

通過對比，讓學生思考為什么圖5的兩個圖中堆棧分配空間有所不同，從而理解主程序和子程序調(diào)用、返回計算機的工作過程以及子程序調(diào)用中斷點的保護機制。

2.4 ?cache的映射機制實驗案例分析

計算機中程序的性能與程序執(zhí)行時訪問指令和數(shù)據(jù)所用的時間有很大關(guān)系，而指令和數(shù)據(jù)的訪問時間與相應的Cache命中率、命中時間和缺失損失有關(guān)。有實驗證明，與未加入Cache機制的Flash控制器相比，Cache機制的引用可節(jié)省38%的取指時間[5]，因此cache的作用非常重要。

對給定的計算機系統(tǒng)而言，命中時間和缺失損失是確定的。因此，指令和數(shù)據(jù)的訪存時間主要由Cache命中率決定，而Cache命中率則主要由程序的空間局部性和時間局部性決定。若要訪問的數(shù)據(jù)都能在Cache中命中，則程序的運行速度比較快。當需要處理的數(shù)據(jù)量比較大時，Cache中不能容納全部數(shù)據(jù)，需要在內(nèi)存中訪問部分數(shù)據(jù)，影響程序執(zhí)行的速度。

設(shè)計一個對二維數(shù)組執(zhí)行相加運算的C程序，按兩種不同的順序讀取數(shù)據(jù)：一個是按行取數(shù)進行相加的運算，再進行下一行的運算;另一個方式是按列取數(shù)進行相加的運算，再進行下一列的運算。比較兩種方式運行的時間差異，如圖6所示，并思考為什么運行的速度不同，從而理解計算機中cache的映射機制。

3 ?課程改革應用與效果

以廣州軟件學院為例，針對電子系通信工程、電子信息工程、自動化及智能科學與技術(shù)四個專業(yè)的學生，設(shè)計以上四個實驗教學改革案例。

案例設(shè)計主要根據(jù)教學大綱對各知識點的掌握要求，五次組織教師開展教學內(nèi)容研討會議。將實驗案例改為采用C語言編程實現(xiàn)，通過觀察編譯后計算機存儲器的內(nèi)容，來分析計算機的工作原理，扭轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)實驗箱演示及匯編語言設(shè)計的單調(diào)性，改善了教學團隊的教學思考，提高了教學團隊的教學能力和協(xié)作能力。

實驗實施過程則主要通過課堂布置任務(wù)，學生根據(jù)要求進行編程設(shè)計和調(diào)試，并分析實驗結(jié)果。通過實驗學生不僅掌握了C語言與匯編以及計算機硬件之間的關(guān)聯(lián)，而且還建立了計算機課程體系之間的知識架構(gòu)，加深了其對理論知識的理解。

通過四個實驗教學改革方案的實施（實驗難度有所增加），學生的學習積極性得到了極大的提升。對最近四個學期的課程考核進行統(tǒng)計，學生對課程的教學評價和課程考核平均分較往年有所提升，具體數(shù)據(jù)如表1所示，驗證了課程改革的必要性和有效性。

4 ?結(jié) ?論

本文對計算機組成課程采用的實驗改革教學，不僅使學生輕松掌握了計算機的小端規(guī)則、變量存儲機制、斷點保護機制以及cache的映射機制相關(guān)理論知識，而且培養(yǎng)了學生的邏輯思維、獨立解決問題的能力，并促進學生創(chuàng)新性思維的發(fā)展，適應未來計算機領(lǐng)域的高速發(fā)展。與此同時，教學改革也促進了教師對課程的深層次思考，提高教師的教學水平，在教與學兩方面都有大幅度的提升，解決了課程固化不變的缺陷，推動課程的建設(shè)和發(fā)展。

參考文獻：

[1]袁春風，張澤生，蔡曉燕，等.計算機組成原理課程實踐教學探索 [J].計算機教育，2011（17）：110-114.

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[3] 孫靜霞.C語言中的變量在內(nèi)存中的存儲情況探討 [J].計算機時代，2015（10）：53-55.

[4] 龐新法.C和匯編之間參數(shù)傳遞機制剖析 [J].價值工程，2014，33（29）：225-226.

[5] 曹健，李凌浩，黃雅東，等.一種基于Cache機制的嵌入式Flash控制器設(shè)計 [J].計算機應用與軟件，2016，33（8）：238-241.

作者簡介：王曉品（1982—），女，漢族，山東萊陽人，講師，碩士，研究方向：電子與通信系統(tǒng)。