計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程論文(2)
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程論文
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程論文篇二
《“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學(xué)內(nèi)容研究與實(shí)踐》
摘要：“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程是一門專業(yè)綜合課程，針對(duì)其中教學(xué)內(nèi)容陳舊、抽象難懂的教學(xué)實(shí)際問題，本文在分析“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我校“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，闡述了相應(yīng)的教學(xué)改革內(nèi)容。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證，該項(xiàng)改革取得了良好效果，提高了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324(2012)09-0048-02
“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課是“計(jì)算機(jī)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(shí)間為本科第六學(xué)期，48學(xué)時(shí)(理論課42學(xué)時(shí);實(shí)驗(yàn)課6學(xué)時(shí))。它是一門綜合課程，從全局和系統(tǒng)的角度介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所必須了解和掌握的知識(shí)，把前續(xù)的“計(jì)算機(jī)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(jì)”等課程中所學(xué)的軟硬件知識(shí)有機(jī)的結(jié)合起來，從而建立起計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)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(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院硬件教學(xué)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程在2003年評(píng)為省級(jí)精品課程基礎(chǔ)上，于2008年又被評(píng)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(xiàng)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(diǎn)，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(yàn)，促進(jìn)課程建設(shè)更快發(fā)展。
一、課程內(nèi)容和特點(diǎn)
我校“計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》作為教材，內(nèi)容主要包括計(jì)算機(jī)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(chǔ)、中斷、總線與I/O系統(tǒng)、存儲(chǔ)體系及流水和指令級(jí)高度并行的超級(jí)機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)”等課程的知識(shí)點(diǎn)。如在講解“RISC結(jié)構(gòu)采用的基本技術(shù)”時(shí)，其中一項(xiàng)基本技術(shù)是“優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dá)式消除、將常量移到循環(huán)體外等編譯優(yōu)化技術(shù)。在“計(jì)算機(jī)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(shí)，作為“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程需要重點(diǎn)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(gè)知識(shí)點(diǎn)，就需要在之前開設(shè)的“操作系統(tǒng)”、“計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程時(shí)，一個(gè)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(shí)質(zhì)上這個(gè)“交叉”僅是知識(shí)覆蓋面上的交叉，并不是實(shí)質(zhì)的知識(shí)點(diǎn)的交叉。
二、教學(xué)內(nèi)容改革探討
1.與“計(jì)算機(jī)組成原理”的內(nèi)容劃分及協(xié)調(diào)。在同與“計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)組成原理”和“計(jì)算機(jī)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(chǔ)系統(tǒng)等，但是課程的授課目標(biāo)和具體的知識(shí)點(diǎn)并不相同。“計(jì)算機(jī)組成原理”課程重點(diǎn)講解基本概念和基本運(yùn)行原理，而“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程主要講授高級(jí)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(diǎn)講解如何優(yōu)化計(jì)算機(jī)性能。如兩門課程講授內(nèi)容都包括了“指令系統(tǒng)”，“計(jì)算機(jī)組成原理”課程重點(diǎn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程則從計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，對(duì)向量、陣列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)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(shí)如何實(shí)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(jì)算機(jī)組成原理”和“計(jì)算機(jī)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(diǎn)是不同的。
2.教學(xué)內(nèi)容的更新.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近年來我們逐步從以下幾個(gè)方面對(duì)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程內(nèi)容進(jìn)行更新：①不斷更新課程中的實(shí)例內(nèi)容.我校的“計(jì)算機(jī)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(shí)代性，重視結(jié)合實(shí)際案例，與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)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(jìn)”章節(jié)時(shí)，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(jī)器上采用的技術(shù)，學(xué)生聽起來枯燥、乏味。我們對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母?，從現(xiàn)在比較“火”的嵌入式智能手機(jī)的微處理器設(shè)計(jì)說起，對(duì)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(jì)算性能的優(yōu)缺點(diǎn)，來解釋不同指令系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。②加大課程內(nèi)容的深度.“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是將“計(jì)算機(jī)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(jì)”等課程中所需的軟硬件知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來的課程，所以在講授課程內(nèi)容時(shí)需要以問題為切入點(diǎn)，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(shí)點(diǎn)。如在講解“物理主存中信息的存儲(chǔ)分布”知識(shí)點(diǎn)時(shí)，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(shí)，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(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)資源會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響?此時(shí)就要考慮編譯器為每個(gè)結(jié)構(gòu)體成員變量分配內(nèi)存時(shí)，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(chǔ)器中按整數(shù)邊界對(duì)齊”?這樣以編程語言為示例，逐層深入，最終落實(shí)到“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程需要掌握的知識(shí)點(diǎn)上，在這個(gè)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(dá)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(jì)算機(jī)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(shí)點(diǎn).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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)課程的特點(diǎn)及難點(diǎn)，以單核處理器體系結(jié)構(gòu)為教學(xué)基礎(chǔ)，適當(dāng)擴(kuò)充片上多核處理器架構(gòu)的介紹，這樣保證學(xué)生扎實(shí)的掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，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(shí)間的不斷探索、認(rèn)真思考、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，甚至需要幾代人的努力。本文將“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程中的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)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(yàn)，促進(jìn)課程建設(shè)更快發(fā)展。在改革教學(xué)內(nèi)容的實(shí)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(diǎn)，同樣也可以建設(shè)精品課為契機(jī)，促進(jìn)學(xué)科、專業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
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