“计算机组成原理”课程教学探讨

450 引言自20世纪50年代国内开办计算机专业以来，“计算机组成原理”一直作为该专业的一门核心必修课程。

如何提高课程教学质量，是国内外高等学校有关教师一直在探索的问题，同时也取得了许多不错的教学成果[1-4]。

为了进一步提高课程的教学质量，本文试图从课程的特点及其教学意义，实践教学的重要性及存在问题，实践教学的内容、实施和注意事项，以及对课程教学方面深层次的思考等方面入手，作一些分析和论述。

1　课程特点及教学意义“计算机组成原理”课程具有理论性强、实践性强、理论与实践高度统一的特点，表现在存储、运算等核心部件的功能，均以逻辑设计的方式进行，以布尔代数作为其理论依据，例如，运算器是运算方法（算法）的逻辑电路实现，而这些运算方法是一类数学方法。

此外，有穷状态自动机理论为控制器的设计与实现提供了重要的理论基础。

先进的“计算机组成原理”课程对实践环节提出了很高的要求，需要学生在熟练掌握理论知识的基础上，设计出具有一定运算能力、包含异常处理的CPU （模型机）。

实验用硬件描述语言完成设计，最终下载到FPGA 或其他实验平台上，从而完成设计和验证。

学生设计、实现、测收稿日期：2014-10-8作者简介：邹惠（1978—），女，河南信阳人，硕士，副教授，主要从事信息安全、计算机体系结构、计算机科学教育等方向的教学与研究工作；王建东（1978—），男，河北黄骅县人，硕士，副教授，主要从事计算机体系结构、计算机科学教育等方向的教学与研究工作；刘坤起（1966—），男，河北无极县人，工学博士，教授，主要从事演化计算、程序设计语言、计算机科学教育等方向的教学与研究工作。

基金项目：教育部计算机科学与技术专业综合改革试点（石家庄经济学院）、河北省高等学校二级学院综合改革试点（石家庄经济学院信息工程学院）资助项目。

“计算机组成原理”课程教学探讨邹　惠，王建东，刘坤起（石家庄经济学院信息工程学院，河北　石家庄　050031）【摘要】 本文是教育部计算机科学与技术专业综合改革试点成果，论述了“计算机组成原理”课程的特点及其教学意义，分析了其实践教学的重要性及存在的问题；给出了开展实践教学改革的思路和方法，并对改革的具体实施过程及其注意事项进行了讨论；最后，对进一步深化改革提出了几点思考，以期更好地提高教学质量，达到预定的教学目标。

【关键词】计算机系统；计算机组成；CPU 设计；理论教学；实践环节【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-5065（2014）12-0045-0446试CPU的过程，正是综合利用所学知识、验证知识、深入理解和运用知识的过程。

这一实践过程，不仅要求学生充分考虑模块设计、子模块划分、模块之间的连接等多方面因素，而且要求学生熟练运用VHDL语言和EDA工具完成具体设计。

这一实践性教学环节为提高学生的实践能力和创新能力提供了有效支持，由此可以看出该实践性教学环节的重要性。

“计算机组成原理”课程是理论和实践相结合的典范。

CPU设计与实现的发展历程表明，没有理论支撑，不可能设计出功能复杂且严密的CPU。

同样，没有CPU设计与实现的实践，也难以更深入地理解和发展理论，彰显理论的重要意义。

“计算机组成原理”课程的教学意义，主要有以下几点。

（1）“计算机组成原理”课程的教学，不但可以为学生后续课程的学习打下坚实的硬件知识与技术基础，而且可以帮助学生建立“整机”概念，深入理解计算机系统，对学生融会贯通计算机系统的知识，有着特别重要的意义。

（2）CPU的设计与实现是“计算机组成原理”课程的一个重要组成部分，而CPU是硬件技术的集大成者。

设计并实现一个CPU（要求其指令系统既包含主要指令类型，又有一定指令条数）可以使学生在复杂硬件系统设计与实现方面得到一次十分重要的训练，从而获得专业能力方面的显著提升。

而这一训练与能力的提升是其他课程难以替代的。

（3）“计算机组成原理”课程揭示了计算机科学与技术学科中典型的复杂系统设计与实现的基本思想方法。

具体来说，一是软硬件协同设计的思想与方法，它是现代系统设计与实现的十分重要的思想与方法；二是“设计”这一学科形态所包含的任何系统设计的一般流程。

而计算机硬件系统的设计与实现无疑是这些思想与方法应用的一个典型范例。

2　实践教学的重要性及存在问题对于任何实践性强的课程，必须真正加强其实践性教学环节，否则，其理论难以真正深入掌握，“计算机组成原理”课程的教学也不例外。

课程实践教学具有下列十分重要的意义。

（1）只有加强实践，才能改变“计算机组成原理”理论教学中存在的枯燥、抽象的状况，提高学生对理论课程学习的兴趣和重视程度。

（2）加强实践教学，可以帮助学生真正理解本课程的理论知识。

实践是对理论的最好解释。

只有通过实践，才能使学生真正理解理论知识。

（3）通过实践建立起“整机”的概念，可以帮助学生进一步深入理解计算机系统，融会贯通计算机系统知识。

（4）能够培养学生对复杂硬件系统的理解、设计与实现能力，以及创新能力。

目前，尽管几乎所有学校都开设了与“计算机组成原理”理论课程对应的实验课程，但还存在下列问题。

（1）相当一部分学校的实验教学内容为验证性实验项目。

验证性实验教学使得学生在整个学习阶段，都在被动地接受知识，被动地验证知识，难以达到实验教学的目的。

（2）开设CPU设计与实现的一批学校，多采用几个学生一组合作完成设计及实现工作的方式，并未对每个学生提出独立设计CPU的要求。

在目前国内特定的校园环境中，因为各种因素的影响和制约，学生们普遍存在学习惰性。

“分工合作”使得一部分学生在整个实验过程中搭了一个“顺风车”，几乎什么都没有做，而另一部分学生仅完成了其中的一部分模块，结果是只见“树木”不见“森林”；只有积极、主动、勤于思考的学生，才有可能完成所有工作。

因此，这种方式也难以真正实现实验教学的目的。

3　实践教学的内容、实施过程及其注意事项为了有效开展实践教学，必须在选好实验内容、控制好实施过程、把握各个实践环节等方面下工夫。

3.1　实践内容资料显示[2]，美国的许多一流大学本科计算机专业都安排了CPU设计方面的课程和实验内容，而国内只有极少数高校将“计算机组成原理”或“计算机体系结构”实验部分的教学内容明确为要求每一个学生独立完成CPU设计[5]。

我们考虑，在安排并完成一些基础实验（如运算器、控制器和存储器）后，将每一个学生独立设计并实现一个多周期的CPU（要求其指令系统既包含主要指令类型，又有一定指令条数）作为实验内容和基本要求。

3.2　实践教学实施过程依据理论指导，在完成基础实验的前提下，根据设计规范，可按如下步骤组织学生完成多周期的CPU设计，并将CPU与主存等器件连接，形成模型机。

第一步，明确所设计的CPU需求。

这一步要使学生明确其设计的CPU的处理能力和它所执行的任务匹配。

例如，对微波炉进行控制，用一个4位的微处理器就足够了，而不需要像Itanium那样的微处理器。

反过来，一个4位的微处理器是无法完成一台个人计算机的功能的[7]。

第二步，拟定指令系统。

根据CPU将要执行的任务，设置相应的指令系统以及指令系统将要用到的通用寄存器。

第三步，确定总体结构。

为了实现指令系统，在CPU中确定需要设置的寄存器、运算部件、存储系统。

第四步，设计状态图。

在状态图中，列出每个状态要发出的微命令，以及状态转换条件。

第五步，形成控制逻辑。

这一步要根据组合逻辑控制方式或微程序控制方式采用不同的设计方法。

第六步，完成各部件连接。

根据总体结构，设计各功能部件，并将第五步形成的控制逻辑及各功能部件准确地连接起来。

第七步，编写测试程序，进行模型机测试。

在设计完成的模型机硬件平台上，依托所设计的指令系统，进行应用程序设计，并让自己设计的模型机完成应用程序的运行，观察运行结果，完成对模型机的测试。

在整个CPU设计与实现过程中，学生经历了具体设计、硬件连接、测试程序等环节，这不仅增强了他们的创新意识，提高了其实际动手能力，而且加强了他们对计算机硬件的认识，弄清了软硬件之间的联系，加深了对整个计算机系统的理解。

3.3　实施过程中的注意事项完成CPU的设计与实现需要经历一段时间，一定要扎实有效地完成各个步骤。

在此过程中，教师要把握好各个实验环节，做到明任务，勤检查，善引导，严验收。

（1）明确对学生提出的任务要求是完成设计的前提。

教师需要给学生提供相应的规则、规范，以保证学生在创造性地完成设计的同时，按时提供规范的文档。

（2）做好阶段性检查是完成设计的关键。

在指导学生完成整个设计的过程中，教师要做好阶段性检查，发现问题，及时解决，并督促学生按时完成设计。

（3）合理的引导是完成高质量设计的催化剂。

教师是学生的引导者，既不能大包大揽，也不能放任自流。

可以在每个设计阶段的开始和结束时进行一些必要的引导和总结，鼓励学生敢于尝试，勤于思考。

（4）只有严格的验收才能保证设计达到预期的教学效果。

验收是实践课程的关键环节，是控制教学质量的重要关口。

教师不仅要逐一验收，而且要设计出若干个验收问题。

验收问题要既能表现出学生的设计个性，又能体现学生对知识的掌握程度。

（5）规范撰写和批改实验报告。

任何实验课程结束后，学生都要认真撰写实验报告，教师也要认真批改实验报告。

规范撰写和批改实验报告是实践课程的重要环节。

规范撰写实验报告是学生提高写作能力和表达能力的重要机会，不可掉以轻心。

为了做好这一环节，教师不但要给出规范的写作模板，而且要及时批改，并向学生反馈意见，令其修改完善。

好的写作能力，就是靠日4748常的写作和反复的修改训练出来的。

（6）做好实验讲评和总结工作。

实验教学的最后一环是实验讲评和总结工作。

为了让学生了解自己和其他人在每一个实验环节中存在的问题，并能够及时改正和完善，任课教师一定要做好实验讲评和总结工作，否则，学生就失去了一次好的学习和提高的机会。

很遗憾，绝大多数学校的任课教师忽略了这一重要的教学环节。

4　教学的思考在“计算机组成原理”课程的多年教学实践中，普遍存在许多需要深入思考的问题，我们要对其进行思考并给出答案，否则该课程的教学质量就难以保证。

下面列出存在的主要问题。

问题一：“数字逻辑”与“计算机组成原理”两门课程的理论及实践教学如何更好地衔接？问题二：“计算机组成原理”的理论课程与实践课程如何衔接？问题三：“计算机组成原理”的实践课程选择单周期CPU设计好，还是多周期CPU设计好？问题四：在“计算机组成原理”实验课程的教学中，CPU的指令集采用MIPS好，还是采用X86好？问题五：只进行仿真实验，而不下载到FPGA上，这样的CPU设计与实现的实验能达到教学目的吗？问题六：在实践课程的教学中，如何保证既让学生按照教师要求，设计出满足基本要求的CPU，又鼓励创新、张扬个性，让学生设计出“自己”的CPU？问题七：在实践课程的教学中，是使用专门的实验箱好，还是使用专门的实验板好？问题八：“计算机组成原理”与“计算机系统结构”两门课程的理论及实践教学如何衔接？问题九：硬件系列课程是否需要一体化设计与通盘考虑？5　结语提高“计算机组成原理”课程的教学质量，需要在明确课程的特点及其教学意义，以及实践教学重要性的基础上，合理安排实验内容，认真组织实施，严格结果验收，规范撰写和批改实验报告，做好实验讲评与总结工作。