淺談計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計論文
計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,是一門技術(shù)性、工程性和實踐性很強的課程。下面是學(xué)習(xí)啦小編為大家整理的淺談計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計論文，供大家參考。
淺談計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計論文篇一
解析計算機組成原理實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
摘要：本文首先對系統(tǒng)的硬件設(shè)計進(jìn)行了論述和實驗，實驗一起所采用的是單元式的結(jié)構(gòu)，包括整個的計算機部件的單元電路，用戶可以根據(jù)自己所設(shè)計的模型計算機結(jié)構(gòu)方案對用戶的連接方式進(jìn)行改變，從而構(gòu)造出結(jié)構(gòu)不同、復(fù)雜程度不同的原理性計算機，用此實驗對學(xué)生們進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)，從而使學(xué)生能夠清楚的認(rèn)識到計算機的組成機構(gòu)及組成系統(tǒng)。本文在對計算機組成原理課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，掌握了相關(guān)技術(shù)，并設(shè)計和實現(xiàn)了計算機的組成原理實驗系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：計算機組成原理實驗系統(tǒng);設(shè)計與實現(xiàn)
中圖分類號：TP301-4
當(dāng)今時代，是商業(yè)的時代，計算機組成原理實驗系統(tǒng)中系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)并沒有得到公開，然而，面對現(xiàn)代教學(xué)的要求，用不完善的計算機組成原理實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行實驗，并不利于增強學(xué)生對計算機組成原理的認(rèn)識。針對學(xué)生的層次及自身能力的不同，一套結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的組成原理實驗系統(tǒng)的設(shè)計很有必要，不僅可以使學(xué)生對實驗有更加深入的了解，同時還能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和了解計算機的相關(guān)技術(shù)，提高自身的理論與實踐結(jié)合能力。
1系統(tǒng)硬件的設(shè)計
系統(tǒng)的硬件可以為學(xué)生們提供實驗的平臺，即原理實驗儀，由單片機和構(gòu)成計算機組成的微程序控制器、運算器、輸入輸出、存儲器等基本單元模塊組成。
1.1系統(tǒng)的硬件組成
實驗儀的組成部分如圖1所示：
圖1實驗儀的組成結(jié)構(gòu)圖
實驗儀的硬件是以微控制器ATMEL AT89C52為中心，然后再配合其他的各個部件，實現(xiàn)對計算機組成原理的實驗教學(xué)功能。
1.2MCU AT89C52資源分配
AT89C52資源分配具有一定的標(biāo)準(zhǔn)功能，即8k字節(jié)Flash閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，3個16位定時計時器，一個6量兩級中斷結(jié)構(gòu)，單個全雙工串行通信口，片內(nèi)震蕩及時鐘電路等。同時，AT89C52可以通過靜態(tài)邏輯操作降到最低的0Hz，并選用兩種軟件進(jìn)行節(jié)電的工作。當(dāng)空閑時，可以停止CPU的運行工作，但是可以允許RAM、計數(shù)器、串行通信口等系統(tǒng)的繼續(xù)工作。下面具體的對系統(tǒng)中MCU資源在端口的分配情況進(jìn)行了介紹。
通常，AT89C52有四個并行的端口，且每個端口都有8條端口線，可以用于數(shù)據(jù)的傳送和接受工作。在對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，數(shù)據(jù)緩存器可以用于傳送數(shù)據(jù)，而且P0口也可以對存儲器進(jìn)行訪問，片外微控制存儲器28C16。其中，P1作為普通的端口，可以對系統(tǒng)的開啟和停止進(jìn)行控制，還可以對數(shù)據(jù)緩存、地址寄存器等進(jìn)行相應(yīng)的控制。
2系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計
2.1微控制程序的整體設(shè)計
整個系統(tǒng)的硬件核心就是微控制器，微控制器的主要的功能就是利用實驗儀對各項實驗的原理進(jìn)行實驗。實驗儀通常分為脫機運行和練級運行兩種運行模式，所以微控制器的作用就是保證實驗儀能夠脫機運行，同時又能使實驗儀以聯(lián)機的方式運行。系統(tǒng)設(shè)計的主要的內(nèi)容就是實驗儀的聯(lián)機運行。微控制器程序的編寫工作有一定的步驟，即從系統(tǒng)的初始化開始，完成系統(tǒng)初始化之后再進(jìn)行下一步的工作。系統(tǒng)程序主要采用的是模塊化的設(shè)計方式，想要實現(xiàn)的功能要能夠獨立出來，并通過模塊的形式提供相應(yīng)的調(diào)用，以達(dá)到軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)的清晰要求。各模塊之間的關(guān)系可以用圖表示出來，如圖2所示：
圖2微控制器程序中各個模塊的關(guān)系
其中，主控模塊的作用就是進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，對通信模塊進(jìn)行管理，協(xié)調(diào)和定義各個模塊之間的工作;通信模塊主要是作為PC機和實驗儀通信的橋梁;微控制存儲器操作模塊主要是實現(xiàn)對微控制存儲器28C16讀寫操作的功能，并把相關(guān)的指令傳送到PC機上。
2.1.1微控制器程序的總體流程設(shè)計
實驗系統(tǒng)的每一次復(fù)位，首先都要運用微控制器程序?qū)嶒瀮x進(jìn)行各項脫機工作的設(shè)置，然后再進(jìn)行初始化的串口，進(jìn)入系統(tǒng)程序等待用戶的交互操作，串口通信模塊實現(xiàn)與PC機串口的交互，進(jìn)而實現(xiàn)命令的接受、解析等。
2.1.2微控制存儲器操作模塊的設(shè)計
實驗儀所運用的微程序設(shè)計技術(shù)，使微控制存儲器存儲微指令。首先，在系統(tǒng)正常運行之前，要提前把微指令存儲到微控制存儲器28C16中;其次，在時序信號的作用下，可以進(jìn)行微指令的讀取，進(jìn)而對程序指令進(jìn)行解釋。
微控制存儲器28C16操作模塊的作用主要是對微控制存儲器28C16進(jìn)行相應(yīng)工作的讀取。在對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機操作設(shè)計之后，進(jìn)行實驗時可以下載微指令，通過MCU完成微控制存儲器的讀寫工作。相應(yīng)的，也可以通過聯(lián)機進(jìn)行微控制存儲器中數(shù)據(jù)的讀取。根據(jù)PC機的命令字，再通過通信模塊，可以將PC機中接收的微指令存放在微控制存儲器中。
2.2PC機仿真程序的總體設(shè)計
PC機方針程序的設(shè)計目標(biāo)是為了使實驗?zāi)軌驌碛辛己玫目梢暬缑?，讓用戶通過合理的PC結(jié)構(gòu)布局更形象的了解計算機的組成和指令的具體執(zhí)行情況。
PC機的實際應(yīng)用軟件設(shè)計由以下多種模塊組成：用戶界面。用戶界面是在Windows系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，所運用的是圖形化界面，操作簡單，任務(wù)窗口較多。通信模塊。通信模塊的設(shè)計所采用的Mod bus協(xié)議，此協(xié)議在通信模塊中的應(yīng)用使模塊更加的標(biāo)準(zhǔn)化，通訊等更加的快捷、可靠，可以任意的進(jìn)行重接等。文件下載。把程序指令和微指令通過串口發(fā)送到實驗儀的相關(guān)存儲器中。
3實驗儀微控制器程序的實現(xiàn)
3.1主控模塊的實現(xiàn)
實驗儀單片機程序的控制中心就是主控模塊。想要使系統(tǒng)的主控模塊實現(xiàn)，就要對實驗儀進(jìn)行初始化，使其在脫機的情況下運用手動的方式進(jìn)行運行，等到系統(tǒng)通電之后，通過MCU對實驗儀進(jìn)行手動操作，進(jìn)而來對相關(guān)鎖存器、寄存器等控制信號進(jìn)行設(shè)置。隨后，對串口進(jìn)行初始化設(shè)置，來等待串口中斷情況的發(fā)生，此時，實驗儀再根據(jù)所接受的各種命令對串口中斷的程序進(jìn)行處理。
3.2通信模塊的實現(xiàn)
通信模塊的實現(xiàn)首先要完成三個方面的工作，即串口初始化、讀、寫串口。
其中，串口出示化是為實現(xiàn)通信功能的必備條件，所以，首先要對通信模塊進(jìn)行初始化。串行通信的初始化主要是對串行通信控制寄存器、定時器及相關(guān)的波特率等進(jìn)行的設(shè)置。
串行通信數(shù)據(jù)的接收主要是利用實驗儀采用中斷方式接受PC機傳來數(shù)據(jù)。
串行通信數(shù)據(jù)的發(fā)送主要是運用實驗儀對所發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。
綜上所述，本系統(tǒng)的設(shè)計主要是根據(jù)串口通信方式，實現(xiàn)了計算機組成原理實驗儀與PC機的聯(lián)機操作。在對計算機組成原理實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行分析時，其組成原理的實驗系統(tǒng)是一個開放性的系統(tǒng)，實際的應(yīng)用過程中學(xué)生可以根據(jù)實驗儀的硬件設(shè)計來完成自己的微程序和實驗案例。
參考文獻(xiàn)：
[1]鄭玉彤.《計算機組成原理》課程實現(xiàn)的比較研究[J].中央民族大學(xué)學(xué)報,2008(12):33-36.
[2]趙碩.計算機組成原理課程的設(shè)計性實驗[J].高師理科學(xué)刊,2008(02):96-99.
[3]唐薇.一種監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸[J].計算機工程,2009(19):67-75.
淺談計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計論文篇二
EDA技術(shù)應(yīng)用于計算機組成與結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)
【摘 要】計算機組成與結(jié)構(gòu)實驗課程是計算機專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)學(xué)生要學(xué)習(xí)的一門必修課程，在這門課程中應(yīng)用EDA技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，不僅能加深學(xué)生對計算機組成與結(jié)構(gòu)課程的理解，也將有利于提高學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的能力以及創(chuàng)新的綜合設(shè)計能力。正是符合了該課程的預(yù)期目的。
【關(guān)鍵詞】計算機組成與結(jié)構(gòu);EDA技術(shù);實驗;應(yīng)用
計算機及其相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，除了要對理論知識加以了解，更重要的是要提升自己的動手能力。計算機組成與結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)，就是計算機專業(yè)學(xué)生的必修課，通過課程設(shè)計把理論知識運用到實踐中，可以起到拓展知識的作用。
一、EDA技術(shù)概述
EDA也就是電子設(shè)計自動化，EDA技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造、計算機輔助測試以及計算機輔助工程。EDA技術(shù)的工具就是計算機，在EDA軟件平臺上，設(shè)計者常常用硬件描述語言HDL來完成具體的課程設(shè)計文件，然后再在計算機平臺上自動完成邏輯編譯、分割、優(yōu)化、布局、仿真等多個步驟。
EDA技術(shù)最大的優(yōu)勢在于用軟件的方法來實現(xiàn)硬件的實際功效。一項設(shè)計最重要的部分是仿真和調(diào)試，采用EDA技術(shù)進(jìn)行設(shè)計時，從設(shè)計的高層次上對設(shè)計進(jìn)行全局縱覽，有助于早期改造結(jié)構(gòu)設(shè)計上的毛病，避免工作量的增加，也可以減少進(jìn)行邏輯功效仿真的工作量，增加設(shè)計的成功率。
二、將EDA技術(shù)應(yīng)用于計算機組成與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計
計算機是一個典型的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)，如果在計算機設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)中加入EDA技術(shù)的軟硬件設(shè)計平臺，不僅可以提高系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的斂率，也可以節(jié)約硬件開發(fā)成本，縮短設(shè)計周期。因此在計算機組成與結(jié)構(gòu)的實踐教學(xué)中，要不斷提高學(xué)生利用現(xiàn)代化的電子技術(shù)手段進(jìn)行設(shè)計的能力。當(dāng)然，EDA技術(shù)將成為計算機組成與結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)的發(fā)展方向。
(一)課程的實施方案
課程設(shè)計是要完成模型計算機的設(shè)計以及FPGA的實現(xiàn)，而課程實驗則是用來驗證計算機的各個組成部件以及其具體的邏輯功能的。這兩種課程內(nèi)容都是為了讓學(xué)生能夠掌握計算機的硬件系統(tǒng)中各個部件的具體組成原理、邏輯實現(xiàn)方法及其具體的設(shè)計方法，從而建立一種整體的概念，提高學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行獨立分析設(shè)計的能力。計算機組成與結(jié)構(gòu)的課程設(shè)計中運用了多門課程，比如計算機組成原理、VHDL、匯編語言程序設(shè)計等，這些課程都能對學(xué)生的自學(xué)能力有很好的提高。因為該課程設(shè)計不僅在理論上要求學(xué)生有扎實的理論基礎(chǔ)，在實踐上則要求學(xué)生具有電路分析與設(shè)計、能進(jìn)行完整實驗的能力。
(二)課程設(shè)計的內(nèi)容
計算機組成與結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)中，進(jìn)行課程設(shè)計的內(nèi)容主要有以下幾個方面。首先是進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計，畫出模型機的數(shù)據(jù)通路框圖;其次是設(shè)計微程序控制器或者硬聯(lián)線控制器的邏輯結(jié)構(gòu)框圖;開始設(shè)計機器指令格式和指令系統(tǒng);由給出的課程題目和設(shè)計指令系統(tǒng)來編寫相應(yīng)的匯編語言，進(jìn)行仿真等。
三、將EDA技術(shù)應(yīng)用于計算機組成與結(jié)構(gòu)課程實驗
進(jìn)行課程設(shè)計之后就可以進(jìn)行具體的課程實踐。在進(jìn)行課程實踐之前，要掌握具體的設(shè)計方法。計算機的CPU包含基本的功能模塊以及與基本功能模塊相連的數(shù)據(jù)通路。在進(jìn)行課程設(shè)計實踐時要掌握基本功能模塊的具體功能以及各自的特點，再對每個模塊進(jìn)行設(shè)計、調(diào)試、軟件仿真和硬件設(shè)計等。計算機組成與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計實驗中采用的CPU采用大多是單總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的16位CISC CPU，EDA軟件大多是可編程邏輯器件設(shè)計工具軟件。
(一)基本模犁計算機的設(shè)計
在具體的課程設(shè)計中，為了保證清晰的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一般在系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)采用原理圖輸入法，而在其他的模塊都采用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計。對各個模塊進(jìn)行處理時要在文本編輯器中輸入每一個單元模塊所對應(yīng)的VHDL源程序，并且要對各個源程序進(jìn)行編譯，可以產(chǎn)生相應(yīng)的圖元，供頂層的電路調(diào)用使用。各個模塊的圖元可以生成圖元庫，運用EDA技術(shù)進(jìn)行實驗課程，很重要的一步就是要進(jìn)行軟件仿真，而仿真的元器件就來源于圖元庫。在圖形編輯器中可以對圖元庫中的各種圖元進(jìn)行調(diào)用，再根據(jù)數(shù)據(jù)通路的總體框架圖連接成頂層電路圖，就可以進(jìn)行電路的仿真。計算機組成與結(jié)構(gòu)實驗所設(shè)計的CISC模型機的頂層電路圖中有很多基本器件模塊，比如時序信號發(fā)生器、程序計數(shù)器、算術(shù)邏輯運算單元、移位寄存器、指令寄存器、比較器、地址寄存器、一個控制單元等。而這些模塊也共用一組16位的三態(tài)數(shù)據(jù)總線。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的存儲模塊是一個重要的組成部分，存儲元件由嵌入式陣列塊構(gòu)成，通過調(diào)用宏模塊并設(shè)置模塊相關(guān)的參數(shù)來實現(xiàn)存儲功能。系統(tǒng)的各個部分都承擔(dān)了不同的功能，其中，存儲CPU主要是對指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行執(zhí)行，具體的過程是處理器從存儲元件中讀取相應(yīng)的指令，CPU再執(zhí)行指令來運行下行的各種程序，整個過程中的指令都被存儲在指令寄存器中。譯碼過程由控制單元完成，控制單元主要是控制相應(yīng)的信號進(jìn)行相互作用，并且控制各個處理單元來執(zhí)行這些指令。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的控制模塊其實是一個狀態(tài)機，它主要控制CPU的各項動作之間的順序，比如取指令、譯碼、執(zhí)行指令，控制模塊進(jìn)行操作時要針對各個動作發(fā)出具體的時序控制信號，使得計算機內(nèi)部的各個動作都能進(jìn)行協(xié)調(diào)的工作，進(jìn)而完成各個指令的具體功能。這種方法與微程序設(shè)計方法不同，微程序設(shè)計法主要在控制存儲器中寫入微指令，通過控制微程序來執(zhí)行具體的控制指令。
(二)軟件設(shè)計
當(dāng)系統(tǒng)CPU得到一個復(fù)位信號后，系統(tǒng)即開始進(jìn)行復(fù)制操作，復(fù)位信號是使CPU內(nèi)部狀態(tài)復(fù)位的一個信號操作。一般說來，系統(tǒng)的每個寄存器都有不同的功能，寄存器1主要存放模塊的的起始地址，寄存器2主要存放系統(tǒng)目標(biāo)區(qū)的起始地址，而寄存器6則主要存放被復(fù)制模塊的末地址。在具體的操作過程中要判斷數(shù)據(jù)模塊的復(fù)制工作是否已經(jīng)結(jié)束，若已經(jīng)滿足結(jié)束條件則可以停止運行，否則要繼續(xù)記數(shù)直至數(shù)據(jù)模塊復(fù)制完成。
將設(shè)計的程序輸入并且進(jìn)行編譯之后，還有一個重要的步驟就是仿真，仿真也是對設(shè)計進(jìn)行驗證的一個重要步驟，若在仿真中發(fā)現(xiàn)不符合要求的地方，則要及時找出原因進(jìn)行改正，以保證最終結(jié)果的正確性。
結(jié)語
計算機組成與結(jié)構(gòu)課程是鍛煉學(xué)生積極思考以及提升其思維能力的重要課程，不同的設(shè)計對象和內(nèi)容導(dǎo)致設(shè)計的具體內(nèi)容完全不同，這也考驗了學(xué)生獨立思考的能力，由于EDA技術(shù)與計算機輸入技術(shù)、邏輯編程和仿真等方面都有緊密的聯(lián)系，而且在硬件實驗之后有具體的圖像可以進(jìn)行對比，因此在實驗教學(xué)中具有很好的靈活性和可操作性。也能提高學(xué)生進(jìn)行軟件開發(fā)的能力，可以達(dá)到課程設(shè)計的效果。
參考文獻(xiàn)
[1]陳智勇.計算機原理課程設(shè)計的改革與實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2005,27(5):71—73
[2]周華,王斐.EDA技術(shù)的特點與發(fā)展趨勢[J].西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2009(03)：98-99
[3]張亮.應(yīng)用EDA技術(shù)改革“計算機組成原理”課程設(shè)計[J].計算機教育,2009(19)：:753
淺談計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計論文篇三
計算機組成和體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革的探索與實踐
[摘 要] 結(jié)合近年來在計算機組成和體系結(jié)構(gòu)類課程方面的教學(xué)實踐，對該類課程的教學(xué)方法進(jìn)行了研究，提出建立計算機組成與體系結(jié)構(gòu)課程群的課改思路，并對相關(guān)課程進(jìn)行了教學(xué)改革實踐。建立了一種在課程群的教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性主動學(xué)習(xí)的教學(xué)思路。
[關(guān)鍵詞] 課程群;主動學(xué)習(xí);計算機組成與結(jié)構(gòu)
[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1005-4634(2013)02-0064-04
0 引言
在計算機硬件教學(xué)課程體系中，“計算機組成原理”是基礎(chǔ)課，它主要以順序執(zhí)行為主要特征，從部件到整機介紹馮諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的基本組成。而“計算機體系結(jié)構(gòu)”則是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它把當(dāng)前主流的、先進(jìn)的計算機設(shè)計和實現(xiàn)過程中的一些較為典型的思想和方法提取出來作為教學(xué)內(nèi)容講授。因此在實際教學(xué)過程中，無論是對于計算機組成還是對于計算機體系結(jié)構(gòu)，一般都普遍認(rèn)為理論和概念多、教學(xué)抽象、教師授課時教學(xué)內(nèi)容部分有重復(fù)，因而學(xué)生聽起來感覺單調(diào)、乏味，也比較困難。因此，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生系統(tǒng)而全面地掌握計算機組成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本理論、方法，提高該類課程的教學(xué)效率和教學(xué)效果，近年來引起人們的廣泛關(guān)注，很多老師根據(jù)自己的實踐經(jīng)驗，對該類課程的教學(xué)進(jìn)行了有益的探討和研究[1-9]。
圖1是美國UC Berkeley 大學(xué)2009年關(guān)于計算機組成及其體系結(jié)構(gòu)的課程設(shè)置情況[1]。從圖1中可以看出，在這一類課程的教學(xué)設(shè)置中，UC Berkeley大學(xué)在保留了傳統(tǒng)課程內(nèi)容的同時，也加強了基于FPGA 的硬件設(shè)計能力的培養(yǎng)。此外，還在本科教學(xué)中加深了并行體系結(jié)構(gòu)方面的教學(xué)內(nèi)容。
圖2給出了中國科技大學(xué)2010年關(guān)于計算機組成及體系結(jié)構(gòu)的課程設(shè)置情況[2]。由圖2可見，中國科技大學(xué)在保留傳統(tǒng)課程內(nèi)容的同時，在本科教學(xué)中加強了CPU設(shè)計能力的培養(yǎng)。
論文還對Stanford[3]、MIT[4]等其他多個美國著名大學(xué)和南京大學(xué)[5]、國防科技大學(xué)[6]等國內(nèi)著名高校在相關(guān)課程方面的教學(xué)情況進(jìn)行了分析。分析發(fā)現(xiàn)，這些大學(xué)在計算機組成與體系結(jié)構(gòu)等相關(guān)課程教學(xué)理念、教學(xué)思路，甚至教學(xué)內(nèi)容方面都有很多相似之處，如都以典型的流水線CPU設(shè)計技術(shù)和存儲器層次化結(jié)構(gòu)為核心內(nèi)容，都是站在計算機系統(tǒng)的高度闡述計算機組成原理及硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計思想，強調(diào)學(xué)生對并行體系結(jié)構(gòu)、并行程序設(shè)計等技術(shù)的掌握。
通過對國內(nèi)外一些著名高校的相關(guān)課程教學(xué)方法進(jìn)行分析總結(jié)，本文結(jié)合筆者近年來在該類課程方面的教學(xué)實踐，對該類課程的教學(xué)方法進(jìn)行了研究，提出建立計算機組成與體系結(jié)構(gòu)課程群及在教學(xué)過程中主動引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性學(xué)習(xí)的教學(xué)思路，并在相關(guān)課程教學(xué)中進(jìn)行了探索和實踐。
1 計算機組成與結(jié)構(gòu)課程群的建設(shè)
在對國內(nèi)外著名高校計算機組成與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)課程設(shè)置情況深入研究分析的基礎(chǔ)上，論文對筆者所在的西安理工大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院的計算機科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)開設(shè)的所有課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了梳理，發(fā)現(xiàn)由于課程間缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調(diào)，教學(xué)存在內(nèi)容大量重復(fù)或缺失、課程之間內(nèi)容脫節(jié)等問題。針對該問題，結(jié)合西安理工大學(xué)計算機專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容特點及要求，并借鑒國內(nèi)外有關(guān)院校的經(jīng)驗[5-9]，對原有專業(yè)課程設(shè)置進(jìn)行了調(diào)整。將原先模擬電子技術(shù)部分內(nèi)容合并到數(shù)字邏輯電路設(shè)計中，形成數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)課程;將原先的計算機組成原理和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容合并，形成計算機組織與結(jié)構(gòu)課程;同時開設(shè)了一門新課――高級計算機體系結(jié)構(gòu)。通過對相關(guān)課程的調(diào)整，構(gòu)建了以“計算機組織與結(jié)構(gòu)”為核心的課程群(如圖3所示)，對相關(guān)課程的教學(xué)體系進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)劃。
其中，計算機技術(shù)導(dǎo)論主要從宏觀上介紹計算機系統(tǒng)涉及到的各個層次的內(nèi)容，讓學(xué)生從整體上了解計算機系統(tǒng)的全貌和相關(guān)知識體系;數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)圍繞組合邏輯設(shè)計和時序邏輯設(shè)計兩大核心內(nèi)容，在邏輯門到功能部件這兩個層次展開;計算機組織與結(jié)構(gòu)從寄存器傳送級以上層次介紹單處理器計算機系統(tǒng)設(shè)計的基本原理;微機原理與接口及嵌入式系統(tǒng)分別定位為計算機組織與結(jié)構(gòu)的基本原理在PC 及嵌入式系統(tǒng)方面的實例化;高級計算機體系結(jié)構(gòu)則主要在更高層次上介紹多核CPU、多處理機系統(tǒng)、集群系統(tǒng)等不同粒度和規(guī)模的多處理器并行計算機系統(tǒng)的工作原理、實現(xiàn)方式及其應(yīng)用領(lǐng)域。上述課程中，計算機技術(shù)導(dǎo)論、數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)、計算機組織與結(jié)構(gòu)為必修課，微機原理與接口、嵌入式系統(tǒng)、高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為選修課。
針對不同課程在教學(xué)體系上的關(guān)聯(lián)知識點，采用了如下的處理思路。
1)關(guān)于進(jìn)位計數(shù)制及相互之間的轉(zhuǎn)換、ASCII 碼表示、邏輯數(shù)據(jù)表示、漢字編碼、無符號數(shù)表示、帶符號數(shù)表示，在計算機技術(shù)導(dǎo)論課程中進(jìn)行詳細(xì)講解，而在后繼課程中作為“回顧”內(nèi)容，不再詳細(xì)介紹;補碼特性和浮點數(shù)的表示則在計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中詳細(xì)介紹。
2)邏輯門電路、半加器、全加器、加法器、比較器、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、移位器、內(nèi)存儲器的實現(xiàn)技術(shù)及相關(guān)電路設(shè)計內(nèi)容在數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)中詳細(xì)介紹;計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程則直接使用這些基本電路來構(gòu)建更大的功能部件。
3)關(guān)于存儲器的相關(guān)方法、原理主要在計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中詳細(xì)介紹;計算機系統(tǒng)概論課程僅作概要說明;微機原理和接口技術(shù)中不再講。
4)關(guān)于I/O接口，計算機技術(shù)導(dǎo)論課程從計算機硬件系統(tǒng)組成的角度簡單提一下常用的外部設(shè)備的功能及接口;計算機組織與結(jié)構(gòu)主要介紹各種外設(shè)抽象出來的一個通用結(jié)構(gòu)，以及外設(shè)控制器的通用結(jié)構(gòu);微機原理與接口技術(shù)則具體介紹PC機所用的一些接口電路、I/O 總線及其互連。
2 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性主動學(xué)習(xí)的實踐
為了進(jìn)一步提高計算機組成及體系結(jié)構(gòu)等相關(guān)課程的教學(xué)效果，在積極建設(shè)計算機組成與結(jié)構(gòu)課程群的同時，還在相關(guān)課程的教學(xué)過程中，從以下三個方面對引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性主動學(xué)習(xí)的教學(xué)方法進(jìn)行了探索和實踐。 2.1 積極探索新的教學(xué)技巧，提高學(xué)生對相關(guān)課 程的學(xué)習(xí)興趣
計算機現(xiàn)在非常普及，各種部件學(xué)生也都熟知，只不過對各部件的工作原理以及相互之間的通信方式還不是太了解，所以有些無所適從。因此，在開始講授這門課時，首先從培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣入手，引導(dǎo)學(xué)生運用自己以前所學(xué)的知識和了解到的一些市場行情，去寫出一臺計算機的配置，看看都需要哪些部件，怎樣配置才是最優(yōu)最合理的。這樣可以使學(xué)生更直觀、更全面、更深入地理解本課程的教學(xué)目的，然后再結(jié)合教學(xué)輔助軟件將計算機的硬件進(jìn)行分割、拆卸，如硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、主機、打印機、顯示器等，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來，使學(xué)生能夠更好地了解計算機功能部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其相互之間的聯(lián)系。另外，利用適當(dāng)?shù)臋C會向?qū)W生介紹本學(xué)科發(fā)展的新動向、新技術(shù)，指出現(xiàn)在的整個技術(shù)發(fā)展大趨勢是什么，這樣有助于引導(dǎo)學(xué)生牢固樹立為探求技術(shù)發(fā)展而努力學(xué)習(xí)的信心和決心。通過這種方式，學(xué)生們普遍感到計算機的組成結(jié)構(gòu)原來離自己是很近的，消除了畏懼心理，從主觀上開始重視該課程，并帶著問題和興趣去學(xué)習(xí)，這樣就為講好、學(xué)好該課程打下了基礎(chǔ)。
為促使學(xué)生對課程學(xué)習(xí)產(chǎn)生更為持久的興趣，還進(jìn)行了如下探索和實踐。
在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出重點，講清難點。學(xué)生重點掌握的是計算機的運算器、存儲器、控制器及I/O設(shè)備的基本組成和工作原理。因此在講授運算器的運算原理及組成機制、各種存儲器的構(gòu)成及存儲原理、CPU中微程序控制器的機理等內(nèi)容時，分配了很多課時和精力，目的是讓學(xué)生重點理解并掌握這些知識。其他部分內(nèi)容可視課時的多少或讓學(xué)生自學(xué)，或略講，或討論。
在授課過程中，將重點放在基本原理上，如對計算機的各個功能部件，應(yīng)著重掌握它在整機中的作用，以及由此而分配給各部件所要完成的任務(wù)， 從而正確選用或設(shè)計硬件，而不致被眾多風(fēng)格各異的計算機結(jié)構(gòu)及組成所迷惑;以計算機五大部件內(nèi)容為主線，重點講述基本內(nèi)容，如對計算機硬件結(jié)構(gòu)的發(fā)展，只是重點講述計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu); 計算機指令系統(tǒng)不是本課程的重點，只介紹指令的尋址方式及一些典型指令;CPU部分只注重分析微程序控制器、微程序設(shè)計技術(shù)及流水CPU， 其他部分內(nèi)容可引導(dǎo)學(xué)生自學(xué);對于需要重點掌握、但教材上沒有詳細(xì)介紹的基本內(nèi)容應(yīng)根據(jù)具體情況增加介紹，如教材介紹存儲器擴展技術(shù)的字位同時擴展時，教材上只有不到60字的內(nèi)容，而這部分內(nèi)容又是重點，課后習(xí)題占了將近一半，故需增加課時，詳細(xì)講解。另外，對微程序控制計算機的基本工作原理和程序設(shè)計技術(shù)要求重點掌握，而教材中此部分內(nèi)容介紹較少，如何寫指令的微程序，如何確定微指令的結(jié)構(gòu)，學(xué)生感到困惑，故需對微程序控制器進(jìn)行詳細(xì)的講解。
在教學(xué)過程中盡量采用“形象教學(xué)法”，對適合課堂演示的動態(tài)模擬內(nèi)容，比如像講解“存儲器的讀寫操作”時就采用直觀的多媒體形式;而對于概念性和推理性很強的內(nèi)容，比如像講解“補碼的加減法”時，則采用板書結(jié)合教師的手勢和形體語言的方式，以吸引學(xué)生的注意力;對于難以理解的內(nèi)容，用生活中的一些生動形象的具體實例加以解釋說明。比如，中央處理器一章中的流水技術(shù)原理，初學(xué)者理解起來也比較困難，就舉了一個“三人合作洗衣服”的例子：三個人分別承擔(dān)洗衣、烘干、疊衣任務(wù)，合作完成洗衣服的任務(wù)，這樣三個過程連續(xù)進(jìn)行就可以完成洗衣服任務(wù)。這樣學(xué)生就很容易理解，而且與流水線相關(guān)的概念比如吞吐率、流水效率、數(shù)據(jù)相關(guān)等也就可以迎刃而解了。
2.2 加強教學(xué)互動，以問促學(xué)，積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn) 行主動創(chuàng)新性學(xué)習(xí)
為了使學(xué)生能夠帶著問題對課程進(jìn)行主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性學(xué)習(xí)能力，并實現(xiàn)教學(xué)互動，在授課過程中，故意設(shè)置一些問題“陷阱”，引導(dǎo)學(xué)生主動思考。例如，在存儲系統(tǒng)一章中，講述主存儲器是由半導(dǎo)體讀寫存儲器RAM 和半導(dǎo)體只讀存儲器ROM 組成，RAM 是易失性存儲器，ROM 是非易失性存儲器，RAM 又分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。為什么靜態(tài)RAM 不需要刷新，而動態(tài)RAM 需要刷新?為什么放大器讀出的信息不會送到數(shù)據(jù)線上?將這樣一系列的問題留給學(xué)生討論，調(diào)動學(xué)生的積極性，讓他們各抒己見，最后得出正確的答案。這樣，不僅活躍了課堂氣氛，提高了學(xué)習(xí)的趣味性，還便于教師及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題，達(dá)到教學(xué)相長的目的。
對一些簡單的教學(xué)內(nèi)容，一般要求學(xué)生自學(xué)，教師只針對自學(xué)內(nèi)容提出幾個具體問題，由學(xué)生討論，自己解決。例如在講授中央處理器一章中的傳統(tǒng)CPU 一節(jié)時，考慮到學(xué)生前面已學(xué)習(xí)過CPU的基本組成和功能原理，這一節(jié)內(nèi)容可要求學(xué)生自學(xué)，并且布置習(xí)題要求學(xué)生課下完成。
對教學(xué)中一些尚未透徹理解、容易混淆的概念以及學(xué)生自學(xué)中沒有解決的問題，組織學(xué)生在課堂進(jìn)行專題討論。例如，存儲系統(tǒng)一章中的存儲器的字位擴展是一個非常重要的問題，學(xué)生在解題時很容易把字?jǐn)U展和位擴展中的地址線畫錯。針對這個問題進(jìn)行舉一反三，通過仔細(xì)分析，加深學(xué)生對基本概念和基本理論的理解，達(dá)到觸類旁通的效果，有助于學(xué)生解題能力的提高。
2.3 加強實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力
計算機組成原理主要以單個計算機的基本組成和工作原理作為教學(xué)內(nèi)容，概念多，特別是教學(xué)過程中的實踐性比較強，因此課程教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合非常必要。筆者共安排了32學(xué)時的實驗，實驗內(nèi)容以驗證性實驗為主。通過這些實驗，學(xué)生對計算機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了更明確的了解，同時對計算機的硬件特性也有了比較全面的認(rèn)識并鞏固掌握了所學(xué)的理論知識。
計算機體系結(jié)構(gòu)主要以現(xiàn)代并行計算機結(jié)構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn)所涉及到的一些思想和方法為教學(xué)內(nèi)容，課程的技術(shù)性更強。針對該教學(xué)特點，在課程的實驗教學(xué)設(shè)置上強化了設(shè)計性實驗內(nèi)容。圍繞相關(guān)實驗內(nèi)容，將所有學(xué)生分組，每4～6個學(xué)生安排為一組，進(jìn)行專題設(shè)計性實驗，實驗題目在第一次開始上課時即作為任務(wù)布置給學(xué)生，讓學(xué)生以小組為單位，通過各種信息渠道合作解決，收到了較好的教學(xué)效果。 3 結(jié)束語
經(jīng)過幾年來計算機組成與結(jié)構(gòu)課程群的教學(xué)改革實踐，相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置減少了重復(fù)，彌補了缺失，銜接更加合理。通過在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性主動學(xué)習(xí)的探索與實踐，提高了學(xué)生對計算機組成與結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)主動性，促進(jìn)了學(xué)生對計算機組織與結(jié)構(gòu)基本理論、方法的理解和掌握，提高了該類課程的教學(xué)效率和教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
[1]UC Berkeley.Computer Architecture and Engineering[EB/OL].(2009-05-07)[2012-11-15].http：//inst.eecs.berkeley.edu/-cs152/sp09/.
[2]中國科技大學(xué).2010年關(guān)于計算機組成及體系結(jié)構(gòu)的課程設(shè)置情況[EB/OL].(2010-03-09)[2012-11-15].http：//cs.ustc.edu.cn/jypy/bksjy/201006/t20100626_22938.html.
[3]Stanford University.Computer Organization & Systems[EB/OL].(2009-06-15)[2012-11-15].http：//www.stanford.edu/class/cs107/.
[4]MIT.Computation Structures[EB/OL].(2009-05-08)[2012-11-15]. http：//6004.csail.mit.edu.
[5]袁春風(fēng)，黃宜華，武港山，俞建新，吳海軍.“計算機組成與體系結(jié)構(gòu)”課程群建設(shè)實踐[J].計算機教育，2010，(13)：80-83.
[6]張晨曦，王志英，劉依，沈立.“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程內(nèi)容體系的研究[J].計算機教育，2009，(20)：57-60.
[7]夏戰(zhàn)國，葛欣，王凱.“計算機組織與體系結(jié)構(gòu)”教學(xué)方法探討[J].計算機教育，2008，(6)：94-95.
[8]王華，徐潔，王雁東，吳曉華.“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程改革與探索[J].計算機教育，2009，(10)：15-17.
[9]楊軍，蔣慕蓉，武浩.面向創(chuàng)新實踐的“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學(xué)改革探索[J].計算機教育，2009，(8)：32-34.
有關(guān)淺談計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計論文推薦：
淺談計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計論文
上一篇：計算機組成與維護(hù)論文
