计算机组成和体系结构课程教学改革的探索与实践

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1、计算机组成和体系结构课程教学改革的探索与实践　　[摘要]结合近年来在计算机组成和体系结构类课程方面的教学实践，对该类课程的教学方法进行了研究，提出建立计算机组成与体系结构课程群的课改思路，并对相关课程进行了教学改革实践。建立了一种在课程群的教学过程中引导学生进行创新性主动学习的教学思路。　　[关键词]课程群；主动学习；计算机组成与结构　　[中图分类号]G642.0[文献标识码]A[文章编号]1005-4634（2013）02-0064-04　　0引言　　在计算机硬件教学课程体系中，“计算机组成原理”是基础课，它主要以顺序执行为主要特征，从部件到整机介绍冯诺依曼结构计算机的基本组成。

2、而“计算机体系结构”则是一门专业基础课，它把当前主流的、先进的计算机设计和实现过程中的一些较为典型的思想和方法提取出来作为教学内容讲授。因此在实际教学过程中，无论是对于计算机组成还是对于计算机体系结构，一般都普遍认为理论和概念多、教学抽象、教师授课时教学内容部分有重复，因而学生听起来感觉单调、乏味，也比较困难。因此，如何提高学生的学习兴趣，使学生系统而全面地掌握计算机组成和系统结构的基本理论、方法，提高该类课程的教学效率和教学效果，近年来引起人们的广泛关注，很多老师根据自己的实践经验，对该类课程的教学进行了有益的探讨和研究[1-9]。9　　图1是美国UCBerkeley大学2009

3、年关于计算机组成及其体系结构的课程设置情况[1]。从图1中可以看出，在这一类课程的教学设置中，UCBerkeley大学在保留了传统课程内容的同时，也加强了基于FPGA的硬件设计能力的培养。此外，还在本科教学中加深了并行体系结构方面的教学内容。　　图2给出了中国科技大学2010年关于计算机组成及体系结构的课程设置情况[2]。由图2可见，中国科技大学在保留传统课程内容的同时，在本科教学中加强了CPU设计能力的培养。　　论文还对Stanford[3]、MIT[4]等其他多个美国著名大学和南京大学[5]、国防科技大学[6]等国内著名高校在相关课程方面的教学情况进行了分析。分析发现，这些大学

4、在计算机组成与体系结构等相关课程教学理念、教学思路，甚至教学内容方面都有很多相似之处，如都以典型的流水线CPU设计技术和存储器层次化结构为核心内容，都是站在计算机系统的高度阐述计算机组成原理及硬件系统的结构和设计思想，强调学生对并行体系结构、并行程序设计等技术的掌握。　　通过对国内外一些著名高校的相关课程教学方法进行分析总结，本文结合笔者近年来在该类课程方面的教学实践，对该类课程的教学方法进行了研究，提出建立计算机组成与体系结构课程群及在教学过程中主动引导学生进行创新性学习的教学思路，并在相关课程教学中进行了探索和实践。　　1计算机组成与结构课程群的建设9　　在对国内外著名高校计算

5、机组成与体系结构相关课程设置情况深入研究分析的基础上，论文对笔者所在的西安理工大学计算机科学与工程学院的计算机科学与技术及相关专业开设的所有课程的教学内容进行了梳理，发现由于课程间缺乏统一规划和协调，教学存在内容大量重复或缺失、课程之间内容脱节等问题。针对该问题，结合西安理工大学计算机专业相关课程教学内容特点及要求，并借鉴国内外有关院校的经验[5-9]，对原有专业课程设置进行了调整。将原先模拟电子技术部分内容合并到数字逻辑电路设计中，形成数字逻辑与数字系统课程；将原先的计算机组成原理和计算机系统结构内容合并，形成计算机组织与结构课程；同时开设了一门新课――高级计算机体系结构。通过对

6、相关课程的调整，构建了以“计算机组织与结构”为核心的课程群（如图3所示），对相关课程的教学体系进行了统一规划。　　其中，计算机技术导论主要从宏观上介绍计算机系统涉及到的各个层次的内容，让学生从整体上了解计算机系统的全貌和相关知识体系；数字逻辑与数字系统围绕组合逻辑设计和时序逻辑设计两大核心内容，在逻辑门到功能部件这两个层次展开；计算机组织与结构从寄存器传送级以上层次介绍单处理器计算机系统设计的基本原理；微机原理与接口及嵌入式系统分别定位为计算机组织与结构的基本原理在PC及嵌入式系统方面的实例化；高级计算机体系结构则主要在更高层次上介绍多核CPU、多处理机系统、集群系统等不同粒度和规

7、模的多处理器并行计算机系统的工作原理、实现方式及其应用领域。上述课程中，计算机技术导论、数字逻辑与数字系统、计算机组织与结构为必修课，微机原理与接口、嵌入式系统、高级计算机系统结构为选修课。　　针对不同课程在教学体系上的关联知识点，采用了如下的处理思路。9　　1）关于进位计数制及相互之间的转换、ASCII码表示、逻辑数据表示、汉字编码、无符号数表示、带符号数表示，在计算机技术导论课程中进行详细讲解，而在后继课程中作为“回顾”内容，不再详细介绍；补码特性和浮点数的表示则