計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程論文(2)
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程論文
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程論文篇二
《“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學(xué)內(nèi)容研究與實踐》
摘要：“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程是一門專業(yè)綜合課程，針對其中教學(xué)內(nèi)容陳舊、抽象難懂的教學(xué)實際問題，本文在分析“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合我校“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)實踐經(jīng)驗，闡述了相應(yīng)的教學(xué)改革內(nèi)容。經(jīng)過教學(xué)實踐驗證，該項改革取得了良好效果，提高了學(xué)生對計算機硬件課程的學(xué)習(xí)興趣，增強了學(xué)生的綜合能力。
關(guān)鍵詞：精品課建設(shè);教學(xué)內(nèi)容改革;計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
中圖分類號：G642.4 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324(2012)09-0048-02
“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課是“計算機科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)本科生開設(shè)的一門專業(yè)必修課，開設(shè)時間為本科第六學(xué)期，48學(xué)時(理論課42學(xué)時;實驗課6學(xué)時)。它是一門綜合課程，從全局和系統(tǒng)的角度介紹計算機系統(tǒng)設(shè)計所必須了解和掌握的知識，把前續(xù)的“計算機組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“編譯原理”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“匯編語言程序設(shè)計”等課程中所學(xué)的軟硬件知識有機的結(jié)合起來，從而建立起計算機系統(tǒng)的完整概念。學(xué)習(xí)本課程旨在使學(xué)生從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析這一角度來研究計算機系統(tǒng)，對于培養(yǎng)系統(tǒng)地分析和解決問題的能力，培養(yǎng)抽象思維能力有非常重要的作用。由哈爾濱工程大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院硬件教學(xué)團隊承擔(dān)的“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程在2003年評為省級精品課程基礎(chǔ)上，于2008年又被評為“教育部—Intel”精品課。精品課程建設(shè)是教育部組織開展的旨在提高高等院校教學(xué)水平而推出的“高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)改革工程”中的具有戰(zhàn)略意義的舉措之一，是高等學(xué)校教學(xué)改革與建設(shè)的一項具有標(biāo)志性的工作[1-2]。本文以本科生課程教學(xué)為核心，根據(jù)本課程教學(xué)內(nèi)容特點，詳細(xì)介紹課程教學(xué)內(nèi)容建設(shè)及改革思考，以求交流同行經(jīng)驗，促進課程建設(shè)更快發(fā)展。
一、課程內(nèi)容和特點
我校“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”本科生課程主要采用李學(xué)干教授等編著的《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》作為教材，內(nèi)容主要包括計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論、數(shù)據(jù)表示、尋址方式與指令系統(tǒng)、存儲、中斷、總線與I/O系統(tǒng)、存儲體系及流水和指令級高度并行的超級機等內(nèi)容[3]。想要順利學(xué)習(xí)這門課程的內(nèi)容，需要學(xué)生很好地掌握“計算機組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“編譯原理”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“匯編語言程序設(shè)計”等課程的知識點。如在講解“RISC結(jié)構(gòu)采用的基本技術(shù)”時，其中一項基本技術(shù)是“優(yōu)化設(shè)計編譯系統(tǒng)”，涉及到常規(guī)的優(yōu)化技術(shù)和手段，如將公用的子表達式消除、將常量移到循環(huán)體外等編譯優(yōu)化技術(shù)。在“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程中只能通過舉例的方式列舉某些優(yōu)化技術(shù)，而詳細(xì)的優(yōu)化技術(shù)的原理需要學(xué)生在編譯技術(shù)課程中詳細(xì)學(xué)習(xí)。同樣，在“中斷系統(tǒng)”一節(jié)中，又涉及到大量的操作系統(tǒng)的知識，作為“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程需要重點從全局的角度講解中斷系統(tǒng)中軟硬件是如何配合工作的及軟硬件功能的分配原則。學(xué)生要清晰地掌握這個知識點，就需要在之前開設(shè)的“操作系統(tǒng)”、“計算機組成原理”課程中掌握其中涉及到的基本原理。因此，在講授計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程時，一個很重要的問題就是如何劃分同其他課程有“交叉”的授課內(nèi)容。實質(zhì)上這個“交叉”僅是知識覆蓋面上的交叉，并不是實質(zhì)的知識點的交叉。
二、教學(xué)內(nèi)容改革探討
1.與“計算機組成原理”的內(nèi)容劃分及協(xié)調(diào)。在同與“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程內(nèi)容有“交叉”的課程中，最容易造成授課內(nèi)容劃分不清楚的是“計算機組成原理”課程。如何合理劃分這兩門課內(nèi)容是課程教學(xué)組織過程中需要關(guān)注的重要問題之一。表1詳細(xì)描述了“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)上的不同，雖然兩門課程的覆蓋面有一定相似之處，都包括指令系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)等，但是課程的授課目標(biāo)和具體的知識點并不相同。“計算機組成原理”課程重點講解基本概念和基本運行原理，而“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程主要講授高級語言、編譯、操作系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系及從量化的角度重點講解如何優(yōu)化計算機性能。如兩門課程講授內(nèi)容都包括了“指令系統(tǒng)”，“計算機組成原理”課程重點講解具體的尋址方式，其中包括“變址尋址”和“基址尋址”格式，而“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程則從計算機系統(tǒng)優(yōu)化的角度引出“變址尋址”和“基址尋址”技術(shù)。在“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的“數(shù)據(jù)表示”章節(jié)中指出，為了提高計算機的運算速度，對向量、陣列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供直接支持，才增設(shè)變址寄存器硬件存放變址值，從而在指令尋址中增加了“變址尋址”方式。而“基址尋址”技術(shù)是在“程序在主存中的定位技術(shù)”章節(jié)中講解的，其主要解決在不準(zhǔn)修改指令地址碼時如何實現(xiàn)邏輯地址空間到物理地址空間變換的問題，這又涉及到操作系統(tǒng)課程內(nèi)容。所以，“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程在講授內(nèi)容的面上有重疊，但是講授的目的和重點是不同的。
2.教學(xué)內(nèi)容的更新.隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，近年來我們逐步從以下幾個方面對“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程內(nèi)容進行更新：①不斷更新課程中的實例內(nèi)容.我校的“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)內(nèi)容立足于基礎(chǔ)性、前沿性和時代性，重視結(jié)合實際案例，與時俱進，及時吸收和反映本學(xué)科的最新研究成果，合理地維持“更新與保留”的適當(dāng)比例。如講授“指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進”章節(jié)時，教材中詳細(xì)描述了RISC和CISC指令集的特征，但是書中舉得例子卻是60、70年代在IBM 360、IBM370機器上采用的技術(shù)，學(xué)生聽起來枯燥、乏味。我們對課程內(nèi)容進行了適當(dāng)?shù)母?，從現(xiàn)在比較“火”的嵌入式智能手機的微處理器設(shè)計說起，對比采用RISC指令系統(tǒng)的ARM處理器和采用CISC指令系統(tǒng)的Atom處理器的功耗和計算性能的優(yōu)缺點，來解釋不同指令系統(tǒng)的優(yōu)缺點。②加大課程內(nèi)容的深度.“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是將“計算機組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“編譯原理”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“匯編語言程序設(shè)計”等課程中所需的軟硬件知識有機結(jié)合起來的課程，所以在講授課程內(nèi)容時需要以問題為切入點，從高層次應(yīng)用入手，逐漸深入引出本門課需要講授的知識點。如在講解“物理主存中信息的存儲分布”知識點時，首先啟發(fā)學(xué)生思考：大家在采用C語言編程聲明結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型時，是否考慮了其中各種成員變量的聲明順序。也就是說當(dāng)結(jié)構(gòu)體中成員變量的聲明順序不同時，對計算機的存儲資源會產(chǎn)生什么樣的影響?此時就要考慮編譯器為每個結(jié)構(gòu)體成員變量分配內(nèi)存時，做了什么事情?其中為什么要求編譯器需要滿足“信息在存儲器中按整數(shù)邊界對齊”?這樣以編程語言為示例，逐層深入，最終落實到“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程需要掌握的知識點上，在這個過程中既幫助學(xué)生梳理了之前學(xué)習(xí)的專業(yè)內(nèi)容，又達到幫助學(xué)生學(xué)習(xí)從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析這一角度來研究計算機系統(tǒng)，培養(yǎng)他們系統(tǒng)地分析和解決問題的能力的目的。③引入部分多核技術(shù)知識點.由于Intel、IBM及AMD等公司的多核技術(shù)的出現(xiàn)，改變了原有的片上單核處理器的架構(gòu)，分別出現(xiàn)了同構(gòu)多核和異構(gòu)多核架構(gòu)，這要求計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計者和學(xué)習(xí)者需要充分研究多核架構(gòu)技術(shù)，這樣才能有助于實現(xiàn)程序的性能優(yōu)化。為了使本科學(xué)生更多的了解多核處理器結(jié)構(gòu)，針對課程的特點及難點，以單核處理器體系結(jié)構(gòu)為教學(xué)基礎(chǔ)，適當(dāng)擴充片上多核處理器架構(gòu)的介紹，這樣保證學(xué)生扎實的掌握基礎(chǔ)知識的同時，又可以緊跟技術(shù)發(fā)展的新方向。
一門優(yōu)秀的課程，決不是一朝一夕能夠建成的，其教學(xué)內(nèi)容的錘煉優(yōu)化、不斷更新，教學(xué)方法與手段的不斷探索，教材的編寫和完善等無不需要長時間的不斷探索、認(rèn)真思考、總結(jié)經(jīng)驗，甚至需要幾代人的努力。本文將“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程中的教學(xué)實踐進行歸納總結(jié)，闡述了其中關(guān)于教學(xué)內(nèi)容改革的做法，以求交流同行經(jīng)驗，促進課程建設(shè)更快發(fā)展。在改革教學(xué)內(nèi)容的實踐中，我們發(fā)現(xiàn)精品課的建設(shè)需要以學(xué)科建設(shè)為立足點，同樣也可以建設(shè)精品課為契機，促進學(xué)科、專業(yè)的進一步發(fā)展。
參考文獻：
[1]陳國定，吳立言，李建華，等.精品課程建設(shè)的思考與啟迪(機械類課程報告論壇文集)[G].北京：高等教育出版社，2006.
[2]周廣林，劉春生，徐文娟.精品課建設(shè)的實踐與思考[J].黑龍江教育學(xué)院學(xué)報，2011，(1)：66-68.
[3]李學(xué)干.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006：1-4.
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