计算机系统结构课程论文(2)
计算机系统结构课程论文篇二
《“计算机系统结构”教学内容研究与实践》
摘要：“计算机系统结构”课程是一门专业综合课程，针对其中教学内容陈旧、抽象难懂的教学实际问题，本文在分析“计算机系统结构”课程特点的基础上，结合我校“计算机系统结构”课程教学实践经验，阐述了相应的教学改革内容。经过教学实践验证，该项改革取得了良好效果，提高了学生对计算机硬件课程的学习兴趣，增强了学生的综合能力。
关键词：精品课建设;教学内容改革;计算机系统结构
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324(2012)09-0048-02
“计算机系统结构”课是“计算机科学与技术”专业本科生开设的一门专业必修课，开设时间为本科第六学期，48学时(理论课42学时;实验课6学时)。它是一门综合课程，从全局和系统的角度介绍计算机系统设计所必须了解和掌握的知识，把前续的“计算机组成原理”、“操作系统”、“编译原理”、“数据结构”、“汇编语言程序设计”等课程中所学的软硬件知识有机的结合起来，从而建立起计算机系统的完整概念。学习本课程旨在使学生从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统，对于培养系统地分析和解决问题的能力，培养抽象思维能力有非常重要的作用。由哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院硬件教学团队承担的“计算机系统结构”课程在2003年评为省级精品课程基础上，于2008年又被评为“教育部—Intel”精品课。精品课程建设是教育部组织开展的旨在提高高等院校教学水平而推出的“高等学校教学质量和教学改革工程”中的具有战略意义的举措之一，是高等学校教学改革与建设的一项具有标志性的工作[1-2]。本文以本科生课程教学为核心，根据本课程教学内容特点，详细介绍课程教学内容建设及改革思考，以求交流同行经验，促进课程建设更快发展。
一、课程内容和特点
我校“计算机系统结构”本科生课程主要采用李学干教授等编著的《计算机系统结构》作为教材，内容主要包括计算机系统结构概论、数据表示、寻址方式与指令系统、存储、中断、总线与I/O系统、存储体系及流水和指令级高度并行的超级机等内容[3]。想要顺利学习这门课程的内容，需要学生很好地掌握“计算机组成原理”、“操作系统”、“编译原理”、“数据结构”、“汇编语言程序设计”等课程的知识点。如在讲解“RISC结构采用的基本技术”时，其中一项基本技术是“优化设计编译系统”，涉及到常规的优化技术和手段，如将公用的子表达式消除、将常量移到循环体外等编译优化技术。在“计算机系统结构”课程中只能通过举例的方式列举某些优化技术，而详细的优化技术的原理需要学生在编译技术课程中详细学习。同样，在“中断系统”一节中，又涉及到大量的操作系统的知识，作为“计算机系统结构”课程需要重点从全局的角度讲解中断系统中软硬件是如何配合工作的及软硬件功能的分配原则。学生要清晰地掌握这个知识点，就需要在之前开设的“操作系统”、“计算机组成原理”课程中掌握其中涉及到的基本原理。因此，在讲授计算机系统结构课程时，一个很重要的问题就是如何划分同其他课程有“交叉”的授课内容。实质上这个“交叉”仅是知识覆盖面上的交叉，并不是实质的知识点的交叉。
二、教学内容改革探讨
1.与“计算机组成原理”的内容划分及协调。在同与“计算机系统结构”课程内容有“交叉”的课程中，最容易造成授课内容划分不清楚的是“计算机组成原理”课程。如何合理划分这两门课内容是课程教学组织过程中需要关注的重要问题之一。表1详细描述了“计算机组成原理”和“计算机系统结构”在教学内容和教学目标上的不同，虽然两门课程的覆盖面有一定相似之处，都包括指令系统、I/O系统、存储系统等，但是课程的授课目标和具体的知识点并不相同。“计算机组成原理”课程重点讲解基本概念和基本运行原理，而“计算机系统结构”课程主要讲授高级语言、编译、操作系统和硬件结构的关系及从量化的角度重点讲解如何优化计算机性能。如两门课程讲授内容都包括了“指令系统”，“计算机组成原理”课程重点讲解具体的寻址方式，其中包括“变址寻址”和“基址寻址”格式，而“计算机系统结构”课程则从计算机系统优化的角度引出“变址寻址”和“基址寻址”技术。在“计算机系统结构”课程的“数据表示”章节中指出，为了提高计算机的运算速度，对向量、阵列数据结构的实现提供直接支持，才增设变址寄存器硬件存放变址值，从而在指令寻址中增加了“变址寻址”方式。而“基址寻址”技术是在“程序在主存中的定位技术”章节中讲解的，其主要解决在不准修改指令地址码时如何实现逻辑地址空间到物理地址空间变换的问题，这又涉及到操作系统课程内容。所以，“计算机组成原理”和“计算机系统结构”课程在讲授内容的面上有重叠，但是讲授的目的和重点是不同的。
2.教学内容的更新.随着计算机技术的发展，近年来我们逐步从以下几个方面对“计算机系统结构”课程内容进行更新：①不断更新课程中的实例内容.我校的“计算机系统结构”课程的教学内容立足于基础性、前沿性和时代性，重视结合实际案例，与时俱进，及时吸收和反映本学科的最新研究成果，合理地维持“更新与保留”的适当比例。如讲授“指令系统的发展和改进”章节时，教材中详细描述了RISC和CISC指令集的特征，但是书中举得例子却是60、70年代在IBM 360、IBM370机器上采用的技术，学生听起来枯燥、乏味。我们对课程内容进行了适当的更新，从现在比较“火”的嵌入式智能手机的微处理器设计说起，对比采用RISC指令系统的ARM处理器和采用CISC指令系统的Atom处理器的功耗和计算性能的优缺点，来解释不同指令系统的优缺点。②加大课程内容的深度.“计算机系统结构”是将“计算机组成原理”、“操作系统”、“编译原理”、“数据结构”、“汇编语言程序设计”等课程中所需的软硬件知识有机结合起来的课程，所以在讲授课程内容时需要以问题为切入点，从高层次应用入手，逐渐深入引出本门课需要讲授的知识点。如在讲解“物理主存中信息的存储分布”知识点时，首先启发学生思考：大家在采用C语言编程声明结构体数据类型时，是否考虑了其中各种成员变量的声明顺序。也就是说当结构体中成员变量的声明顺序不同时，对计算机的存储资源会产生什么样的影响?此时就要考虑编译器为每个结构体成员变量分配内存时，做了什么事情?其中为什么要求编译器需要满足“信息在存储器中按整数边界对齐”?这样以编程语言为示例，逐层深入，最终落实到“计算机系统结构”课程需要掌握的知识点上，在这个过程中既帮助学生梳理了之前学习的专业内容，又达到帮助学生学习从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统，培养他们系统地分析和解决问题的能力的目的。③引入部分多核技术知识点.由于Intel、IBM及AMD等公司的多核技术的出现，改变了原有的片上单核处理器的架构，分别出现了同构多核和异构多核架构，这要求计算机系统结构的设计者和学习者需要充分研究多核架构技术，这样才能有助于实现程序的性能优化。为了使本科学生更多的了解多核处理器结构，针对课程的特点及难点，以单核处理器体系结构为教学基础，适当扩充片上多核处理器架构的介绍，这样保证学生扎实的掌握基础知识的同时，又可以紧跟技术发展的新方向。
一门优秀的课程，决不是一朝一夕能够建成的，其教学内容的锤炼优化、不断更新，教学方法与手段的不断探索，教材的编写和完善等无不需要长时间的不断探索、认真思考、总结经验，甚至需要几代人的努力。本文将“计算机系统结构”课程中的教学实践进行归纳总结，阐述了其中关于教学内容改革的做法，以求交流同行经验，促进课程建设更快发展。在改革教学内容的实践中，我们发现精品课的建设需要以学科建设为立足点，同样也可以建设精品课为契机，促进学科、专业的进一步发展。
参考文献：
[1]陈国定，吴立言，李建华，等.精品课程建设的思考与启迪(机械类课程报告论坛文集)[G].北京：高等教育出版社，2006.
[2]周广林，刘春生，徐文娟.精品课建设的实践与思考[J].黑龙江教育学院学报，2011，(1)：66-68.
[3]李学干.计算机系统结构[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006：1-4.
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