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計算機組成原理知識點范文1
[分類號]G642
一、《計算機組成原理》簡介
《計算機組成原理》是計算機科學與技術專業的核心專業基礎課，也是一門難度大、內容多、難理解的課程[1]。目前，國內大多數高校的教學目標基本都是定位在計算機模型機認知的層面上[2]，以馮諾依曼機為模型，較系統地討論計算機各大部件的基本組成原理，各大部件互連構成整機系統的技術[3]，使學生掌握計算機硬件的相關知識，了解計算機的基本組成和工作原理，幫助學生建立整機系統的概念。
在實際教學中，經過和學生的多次交流，我發現學生對《計算機組成原理》課程的知識點不易理解的原因主要有幾個方面：其一、課程里涉及的知識點范圍很廣，既有計算機硬件系統的基本知識，又有指令系統的介紹，同時在硬件結構學習的基礎上要求學生能把各個硬件聯系起來，建立整機系統的概念。這對學生來說空洞而抽象，而理解就更談不上了；其二、計算機的相關技術是迅速發展中的技術之一，很多新的技術不斷出現比如CPU的多核系統技術等。學生往往更愿意去追求新鮮技術的要點而放棄學習基本的理論；其三、課程設計的諸多硬件既看不見又摸不到，大家都慢慢地失去了探索的興趣，自然也就不樂意花時間去理解了；最后，再加上這門課程前后聯系緊密，往往需要不斷的整理，不斷的思考才能理清頭緒。這些原因都直接導致了《計算機組成原理》被大部分學生看作是枯燥、難學的課程。學生們往往學習興趣不高，教學效果不理想。本文試圖通過新的教學模式探索，培養學生的學習興趣，強化知識點，提高學習效率。
二、教學模式的探索
課堂教學是實施教學過程的主體，其效果直接決定了授課目的的完成度；而教學模式是課堂教學的具體實施方法，模式選擇的成敗在很大程度上決定了課堂教學的效果。傳統的教學模式就像填鴨，教師一味主講，忽視學生的主動性，往往達不到理想的教學效果。本文試圖結合實際教學采用新的教學模式調動學生的主動性，增強學習興趣，提高教學效果。
（一）課件+板書
隨著教學手段的不斷發展，現在高校的大多數課程都采用多媒體教學模式，教師利用課件輔助教學，而傳統的板書逐漸退出課堂。多媒體的好處顯而易見，方便，授課內容可以較之前有很大的擴充空間，但在實際教學的實施過程中，我發現對于我們理工科的課程來說課件并不能解決某些實際問題。理工科的專業課程或多或少都要進行一定的計算或推理，純粹的課件講解很難長時間地把學生的注意力吸引在每一步的計算或推導里，起不到很好的教學效果；而板書教學在這方面卻具有明顯的優勢，教師在每一步的計算或推導時可以加以解釋，寫一步講一步，邊講邊寫，充分調動學生的思維和注意力，提高教學效果。
例如，在講解二進制原碼、補碼乘法運算時，先通過課件，介紹清楚運算的原理和規則，在進行實例練習的時候，邊用課件作復習，邊在另一邊的黑板上遵照規則解釋一步寫一步，寫上幾步，觀察學生基本掌握運算方法后就交由學生自己完成剩余的部分。通過實際教學比較，“課件+板書”的教學模式應用在《計算機組成原理》教學里能提高學生的學習效率。
（二）講解+任務
《計算機組成原理》是學生公認的枯燥、難學的課程之一，學生們大都對其學習興趣不高，上課走神，學習效率低。傳統的教學模式常常難以達到理想的教學目的，為了激發學生們學習的興趣和主動性，本文提出“講解+任務”的教學模式以期改變學生學習不主動的狀態。所謂“講解+任務”教學模式指的是“基本理論講解+具體知識任務驅動”的方法，即對于某知識點的基本原理或理論由教師詳細講解，而后具體知識點的理解和講解由任務的形式分配給學生們，讓他們自行商量、討論、得出結論的方法。這種教學模式能夠很好地調動學生們的學習興趣，從某種意義上真正變成課堂的主人，知識的主人，改變被動接受的狀態，成為主動發現問題，解決問題的主體。
例如，指令類型的講解往往就是“學生難學，教師難教”的典型知識點。每一類型的指令包含哪些，具體指令格式如何，完成怎樣的功能，要注意什么問題等等，全是枯燥又難于記憶和理解的部分，常常沒講幾分鐘，學生們就難以集中注意力了。對于這部分知識的學習，我采用的就是“講解+任務”的模式，先以最基本的數據傳送指令MOV為例，詳細地介紹指令的格式、功能、注意事項等，把學習指令的方法介紹給學生，其余的指令就交由學生們自己來學習、掌握并相互分享學習心得，取長補短。在大家分享的過程中，如果發現確實有某些指令大家掌握的還不全面，再給大家補充介紹。
對兩個教學班，我分別采用了傳統的教學模式和“講解+任務”的教學模式講解指令類型的知識。通過練習的形式考查學生們的學習效果，結果顯示“講解+任務”模式學習下的學生們對各指令的掌握和應用情況優于傳統模式。
三、總結
“教學”就是教與學的有效結合，應該是一個互動的過程，其最終目的是期望學生能從“教”中有所“學”。在多年《計算機組成原理》課程的教學過程中，本著激發學生興趣的原則，我經常有目的地和學生們進行交流，了解他們最新的學習狀況，及時地調整和優化教學內容，改變教學模式，提高學生們的學習積極性和主動性，期望能夠進一步提高教學效果。經過實踐證明，“課件+板書”和“講解+任務”的教學模式較傳統模式更能調動學生學習的主動性，激發學生的學習興趣，提高學習效率。隨著計算機技術的不斷發展，教學手段的不斷多樣化，《計算機組成原理》課程的教學仍然還有很多問題值得我們去研究和證明，只有不斷探索和實踐才能促進教學質量的不斷提高。
[參考文獻]
[1]王勇，黃賢英.“計算機組成原理”的教育方法[J].重慶工學院學報（自然科學）.2008，V22（3）：167-170.
[2]鄒紅文，聶雅琳.《計算機組成原理》教學設計研究與實踐.洛陽理工學院學報（自然科學版）.2008.9.第18卷，第1期.
計算機組成原理知識點范文2
關鍵詞：計算機組成原理；匯編語言；互動式教學
中圖分類號：G642 文獻標識碼：B
1 引言
計算機組成與匯編語言課程包括兩部分內容：計算機組成原理與匯編語言程序設計。計算機組成原理課程是硬件設計的基礎，而匯編語言程序設計是進行硬件設計所使用的開發語言，二者在計算機專業課程體系中都是十分重要的課程。由于我校計算機專業的人才培養方案的定位是培養軟件人才，因此硬件課程相對薄弱。針對目前學生在專業課的學習上“重軟件，輕硬件”的思想，怎樣使學生能夠喜歡上這門課的學習是任課教師應該研究和進行教學改革應該探討的問題。
2 教學過程中存在的問題
(1)課程本身的特點造成學習困難
計算機組成與匯編語言是一門非常抽象的課程，學生在日常生活中很少接觸到利用匯編語言編寫的程序，也很少對一臺計算機進行硬件設計，對于課程中所講授的內容，例如尋址方式、芯片內部結構、匯編語言語句等，看不見摸不著，難以理解，很容易感到枯燥、厭煩，從而產生厭學情緒，導致學習困難。
(2)傳統教學模式不利于調動學生學習的主動性
采用傳統的教學模式(課堂教授為主、作業和實驗為輔)，學生往往是被動接受知識，容易養成依賴教師的心理，另外大部分學生對硬件課程不感興趣，不能發揮學生學習的主動性和積極性。
3 激發學生的學習興趣
(1)與后續課相聯系
教師要告知學生，計算機組成與匯編語言是某些專業課的先修課，如操作系統、計算機接口技術、單片機原理等，學好本課程對學習后面專業課的幫助很大。
(2)與就業相聯系
教師要告知學生匯編語言是進行硬件設計的開發語言，有些芯片設計公司還在使用匯編語言進行編程，從而激發學生學習這門課的熱情。
(3)與熱點問題相聯系
教師在授課過程中利用適當的機會就本課程與社會熱點問題相聯系，有助于引導學生牢固樹立為探求技術發展而努力學習的信心和決心。
4 教學內容的改革
(1)合理安排教學內容
在教學內容的安排上，一定要抓重點內容進行講解。例如模型機的指令流程是重點也是難點，對于這部分內容就要詳細講解，直到學生完全理解。再如，因為計算機組成原理與匯編語言合成一門課程，匯編語言是在微機80×86機型上進行編程的，所以在講解尋址方式時重點講解80×86機型的尋址方式。
(2)加強實驗課的練習
該課程的實驗只有利用匯編語言進行程序設計的實驗，而缺少計算機組成原理的實驗。鑒于這種情況，為了使學生更好地理解計算機的組成原理，設想構建一個計算機組成原理實驗系統，進行仿真實驗。教師應該精心選取一些實驗放在教學系統上，要求學生在網上做實驗，通過這些實驗加深對課堂內容的理解。
匯編語言程序設計是一門實踐性很強的課程，既要掌握概念，又要動手編程，還要上機調試運行，因此培養學生的實際動手能力尤為重要。在實驗課的教學過程中應該做到：
①教師應為每次上機精心設計實驗內容，在實驗內容的設置上應顧全驗證性、綜合性和設計性實驗的比例，盡量將所學的知識綜合，達到系統化。
②將上機情況與期末成績掛鉤，調動學生的上機興趣。
③在上機過程中，教師經常會發現有的學生在電腦前并不是編寫程序，而是看上課的課件。問其原因，告知這部分內容還沒有掌握，不會編寫程序。針對這種情況，要求學生在課下先將算法的流程圖畫出來，寫出完整的上機程序，在上實驗課時只是進行調試，從而提高學生上實驗課的效率。
(3)教材的選取
目前書店里有很多關于計算機組成原理與匯編語言程序設計的教材，但是將兩門課程銜接在一起的教材比較少。對于計算機本科專業的學生來說，徐潔、俸遠禎主編，電子工業出版社出版的《計算機組成原理與匯編語言程序設計》(第2版)是一本不錯的教材。但是由于這是一本將兩門課程組合在一起的教材，因此這兩門課有的內容就不能在教材里完全體現出來，所以在上課時除了指定這本書作為教材外，還需要另外指定一些輔導教材。例如針對本專業沒有開設計算機系統結構課程的情況，選擇了王愛英的《計算機組成與結構》，匯編語言程序設計的參考書選擇了沈美明、溫冬嬋編著的《IBM－PC匯編語言程序設計》(第2版)。因為計算機組成原理是某些高?？佳械恼n程，所以對于將來要考研的同學，建議他們平時看一些計算機組成原理的習題書。
5 教學方法的改革
(1)采用互動式教學，提高學生的學習積極性
互動教學法可以使學生參與到教學過程中，活躍課堂氣氛，激發學生學習的興趣，提高學習質量?；咏虒W法的方式多樣，例如課堂提問、課堂練習等。教師在上課過程中應該設計一些有意義的提問，利用提問將要講的知識點引出來，避免平鋪直敘地講解知識點，這樣讓學生帶著問題來學習知識點，會起到事半功倍的作用。例如在講解計算機的5大硬件組成時，計算機是由控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備組成。在此可以提出這樣一個問題：你們知道平時人們說的主機是由哪些部件組成的嗎?在提問的時候暗示他們想一下自己的電腦，有的同學馬上就能反映出主機是由控制器、運算器和存儲器組成。通過這樣的學習方式，可以加深學生的印象。
課堂練習也是互動式教學一個非常重要的方法。在講解完某一個例題后，出一道類似的習題讓學生在課上完成，請學生上講臺在黑板上寫出解題步驟并進行講解，然后再請另一個學生上來對此進行講評。這樣可以檢驗學生的掌握情況，找到學生理解錯誤的地方，從而對癥下藥，就學生理解錯誤的知識點再進行講解，除了能讓學生當堂能夠掌握所學的知識點，還能舉一反三地理解知識點。
(2)在教學過程中多舉例，便于學生理解相對抽象的內容
由于本課程基本概念多、專業術語多，是一門比較抽象的課程。因此教師在課堂講授中應該盡量用一些通俗易懂的例子進行教學。
例如在講解指令流水線的時候，為了便于學生理解，借助學生們日常生活中愛喝的飲料進行舉例。將飲料的制作過程分為三步：生產瓶子、罐飲料、密閉，恰好與指令的執行過程：取指令、分析指令、執行指令相對應。為了提高飲料的生產速度，當第一瓶飲料進行到罐飲料的步驟時，開始生產第二瓶飲料的瓶子；當第一瓶飲料進行到密閉的步驟時，第二瓶飲料開始罐飲料而第三瓶飲料的瓶子開始生產。通過這個例子，使學生易于理解指令流水線的原理。
再如在講解模型機的數據通路時，CPU與主存和外設之間的數據傳送是通過三條系統總線(地址總線、數據總線和控制總線)來實現的。傳送地址信號的是地址總線；傳送數據信號的是數據總線；傳送控制信號的是控制總線。但是當CPU發送數據的地址到總線時，總是有學生將地址發送到數據總線上。為了學生更好地理解這個問題，特將三種總線與城市交通相聯系進行講解。三種總線就好比機動車道、非機動車道和人行道，自行車只能上非機動車道，人只能上人行道，汽車只能上機動車道。通過類比，將難理解的知識點與日常生活中的小事相聯系，從而既使學生學到扎實的理論知識，又不會使學生學得吃力。
(3)寓教于樂，學生在游戲中輕松掌握知識
為了便于學生掌握抽象的內容，可以在課堂上做一些小游戲，通過游戲學生在玩樂中輕松掌握知識。
例如在講解cache的地址映像時，可以通過小游戲使學生輕松掌握地址映像的原理。cache的地址映像有直接映像、全相聯映像和組相聯映像3種。請兩組學生到講臺上，一組學生表示cache的字塊，另一組學生代表主存的字塊，要求表示主存字塊的學生在3種不同的地址映像方式下分別與哪個表示cache字塊的學生配成一對。學生在這個游戲中輕松地掌握了cache地址映像的原理。
計算機組成原理知識點范文3
關鍵詞：精品課程；課程建設；教學方法
2007年6月，教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會計算機專業規范研究小組在對計算機科學、計算機工程、軟件工程和信息技術知識體系和CC2005核心課程進行研究的基礎上，結合我國的實際情況，確定了我國計算機科學專業的15門核心課程、計算機工程專業的16門核心課程、軟件工程專業的24門核心課程和信息技術專業的15門核心課程，并給出了各專業包括的知識領域及知識單元。按照各個專業方向核心知識體系的要求，給出了程序設計、離散結構、數據結構、計算機組成原理、計算機網絡、操作系統和數據庫系統等7門課程作為這四個專業的公共核心基礎課程。2008年4月國家教育部公布，從2009年起，計算機專業考研中的專業基礎課實行全國統一命題，專業基礎課由數據結構(占45分)、計算機組成原理(占45分)、操作系統(占35分)、計算機網絡(占25分)四個部分組成，并于2008年8月公布了統一的考試大綱。
計算機組成原理是計算機科學與技術的核心專業基礎課，是學生接觸的第一門較全面地介紹計算機組成及工作原理的硬件課程，它與數據結構、匯編語言程序設計、微機接口技術、計算機體系結構、嵌入式系統、計算機控制技術等計算機學科核心課程關系緊密。要建設一門既符合CC2005核心課程知識體系，又符合研究生入學考試全國統考大綱要求的計算機組成原理精品課程就顯得格外重要。為此，本文從課程建設的定位與目標出發，從精品教材建設、教學內容規劃、實踐創新能力培養、教學方法與手段改革和教學團隊建設等方面進行了探索與實踐。
1 課程的定位與目標
計算機組成原理課程的定位是以基礎理論知識為本、實踐以及應用并重、反映學科最新成果、兼顧不同層次對象，培養學生科學思維、工程應用以及創新能力的精品課程。
課程的教學目標是通過該課程的學習，使學生理解計算機的組成和工作原理，掌握計算機整機設計的思想和方法，以及提高計算機整機性能所采用的核心技術，培養學生整機調試、故障分析、故障檢測與故障排除的能力，為今后學習微機接口技術、計算機體系結構、計算機網絡、并行與分布式處理等課程及計算機系統的硬件研究打下堅實的基礎。
2 課程的內容和過程
2.1 建設精品教材，滿足專業規范和考研大綱要求
通過分析CC2005、高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范(試行)和計算機科學與技術專業研究生入學考試專業基礎課全國統一命題考試大綱對計算機組成原理知識點的要求，我們新編了《計算機組成原理》教材，并于2009年2月由西安電子科技大學出版社正式出版。該教材在系統地講述計算機最基本的組成和工作原理、分析方法和設計技術的同時，還介紹了有關的先進技術在計算機組成方面的最新進展。教材具有基礎性強、內容組織合理、取材先進、注重實踐、便于自學等特色。實踐證明，新教材的使用加深了學生對計算機組成和工作原理的理解，提高了學生的學習興趣和獨立思考的能力，收到了良好的學習效果。
2.2 合理規劃教學內容，注重基礎理論知識與新技術的結合
根據計算機組成原理的定位和教學目標，以及計算機科學與技術專業教學指導委員會給出的專業規范和研究生全國統考大綱的要求，我院將此課程規劃為72學時，其中實驗占12學時，講授占60學時，課程設計單獨占32學時?；A理論知識及講授學時規劃如下。
1)計算機系統概論部分占4學時，主要講授計算機的發展歷程，計算機系統層次結構，計算機系統的組成，計算機的工作過程，計算機性能，計算機的典型分類方式。
2)運算方法和運算器部分占12學時，主要講授數值數據和非數值數據的表示方法，定點數的運算方法和運算器，浮點數的運算方法和運算器，數據校驗碼。
3)存儲系統部分占10學時，主要講授存儲器的基本概念，半導體隨機讀寫存儲器和半導體只讀存儲器的組成及工作原理，半導體存儲器的容量擴展，雙端口RAM，多模塊交叉存儲器，相聯存儲器，Cache存儲器，虛擬存儲器。
4)指令系統部分占8學時，主要講授指令系統的發展與性能要求，指令格式，指令和數據的尋址方式，指令格式的分析與設計，CISC、RISC、退耦CISC／RISC和后RISC的基本概念。
5)中央處理器部分占12學時，主要講授CPU的功能和組成，指令周期，時序產生器，微程序控制器，硬連線控制器，流水線技術。
6)總線結構部分占6學時，主要講授總線的基本概念，總線標準，總線仲裁和總線通信。
7)輸入／輸出設備部分占4學時，主要講授典型輸入／輸出設備的工作原理和常見的性能指標。
8)輸入／輸出系統部分占4學時，主要講授I／O系統的基本概念，I／O接口的功能和基本結構，I／O端口及其編址，以及I／O設備數據傳送控制方式。
為了讓學生了解理論知識在新一代計算機系統中的應用，我們在計算機的發展趨勢、計算機的典型應用、指令系統的發展、提高單機系統指令級并行性的措施、總線標準舉例等知識點中引入了近幾年來較新的計算機技術。例如在“提高單機系統指令級并行性的措施”這一知識點中，我們分別補充介紹了在單機系統中目前比較廣泛使用的五種技術，即超標量、VLIW、超流水、超標量超流水、EPIC技術，并簡要介紹了這些技術在現代微處理器中的具體應用。
2.3 加強綜合性和創新性實踐環節，培養學生的實踐創新能力
計算機組成原理課程不僅是一門理論性很強的專業基礎課，而且也是一門實踐性很強的實踐課程。要清楚地理解計算機組成原理的精髓，親自動手進行計算機各部件和模型機設計是相當重要的。我們通過加強綜合性和創新性實踐環節，不僅讓學生理解了抽象的概念及原理，而且也提高了學生分析問題、解決問題的能力，以及實際動手的能力。
這門課程的綜合性實驗項目包括數據通路實驗、操作控制器實驗、高速ALU設計實驗和浮點運算器設計實驗，其目的是為了讓學生掌握計算機運算部件、控制部件的組成和工作原理，加深學生對理論知識的融會貫通與理解，鍛煉運用EDA技術進行計算機硬件設計的能力和硬件調試的能力。
創新性實踐環節單獨安排為一個課程設計，其內容是運用理論知識、硬件描述語言和EDA軟件QuartusII進行模型機的設計。盡管在理論教學時，已分章節介紹了計算機的組成、指令的解釋過程、指令周期、微指令格式、微程序的設計方法，以及時序控制方式和微處理器的設計步驟，但是實現相同的功 能，在微處理器的內部結構設計時方法也是多種多樣，比如微處理器內部寄存器的個數設置、是否采用片內指令Cache和數據Cache，采用什么樣的指令格式和尋址方式、設計哪些指令、指令如何解釋、采用微程序操作控制器還是硬連線控制器、是否采用流水線技術等。創新性實踐環節涉及的知識面廣、設計方案多樣、設計方法靈活，有利于提高學生分析問題、解決問題的能力和實踐創新能力。
2.4 科學合理地改進教學方法，提高教學質量和教學效果
教學內容的組織采用了整體“自頂向下”、細節“自底向上”的教學方法，從計算機硬件系統入手到分別介紹計算機硬件的五大部件及相互聯系，再將內容的展開，分別講授每一個部分的組成和工作原理。在涉及到各組成部分具體細節的知識點時，采用了“自底向上”的教學方法，講授內容由淺入深、循序漸進、由簡單到復雜，在講清基本概念和基本原理的基礎上，再進行分析和設計。這種教學方法既讓學生正確理解和掌握了各部件的組成及工作原理，讓學生掌握了計算機中各部件的設計方法和相互之間的聯系，建立了整機的概念。
教學任務的安排是將不同的專業分別定為一個教學班，以小班上課的方式進行，促進了講授、提問、討論、練習等多種教學方式的開展。同時要求每個教學班的主講教師必須參加理論課的輔導工作，并要求每個實驗必須參加一批實驗輔導。青年教師必須先經過實驗輔導和理論課輔導兩年后，才能根據試講情況確定其是否能勝任主講教師資格。理論課輔導教師主要負責作業批閱、答疑、上習題課、網上教學交流等工作，實驗課輔導教師主要負責講授實驗目的、實驗要求、實驗內容、實驗步驟，并指導學生完成實驗的全過程。
教學方法的改進，有助于各專業主講教師根據本專業的課程結構和學生能力水平，以及課堂交流、作業和輔導、實驗操作等情況的反饋信息，及時將出現的問題與所有學生溝通，以便隨時調整教學方法、教學進度和補充教學內容，提高了教學質量和教學效果。
2.5 利用現代化教學手段，提高學生的學習興趣和學習主動性
利用課件教學，使得計算機各部件抽象的工作原理直觀地展示在學生面前，大大地增加了課堂教學的信息量，提高了學生的學習興趣。例如通過動畫模擬機器指令的取指和執行過程，來解釋中央處理器的組成和工作原理，讓學生更直觀地了解CPU內部控制信號的產生、指令和數據的流動過程、在指令執行過程中CPU內部各寄存器的變化情況等。通過使用QuartusII仿真軟件進行實踐教學，可以清楚地理解CPU的組成和詳細設計，可以將CPU的頂層電路圖逐層解剖，看到CPU內部的各組成部分及VHDL描述。通過微處理器執行某一個具體功能的機器語言程序，調出仿真波形，可以讓學生清楚地看到CPU內部程序計數器、地址寄存器、指令寄存器、微地址寄存器、通用寄存器、數據暫存器、狀態條件寄存器、主存儲器、輸出總線的內容隨著時間的推移而發生變化的情況，將理論教學與實際設計充分結合，提高了學生的學習興趣。
通過課程網站輔助教學，豐富的教學資源和交互式教學平臺提高了學生的學生主動性，促進了師生之問的互動。課程網站采用Dreamweaver MX、Flash MX、Photoshop、ASP和SQL Server等軟件開發，為學生提供了全方位的學習輔導支持，包括教學大綱、學習指導、教學視頻、課件下載、在線測試、難點解析、動畫演示、虛擬實驗室、在線答疑、學生論壇等。這些內容可以幫助學生全面地理解和掌握計算機組成原理課程的教學內容，了解該課程涉及的新知識和新技術。
2.6 建設合理的教學團隊，重視對青年教師的培養
建設由課程負責人、主講教師、輔導老師和實驗指導教師組成的教學團隊是極其必要的。我們的計算機組成原理課程教學團隊由8名教師組成，主要成員均長期從事本課程及相關課程教學和相關課程的教學和學術研究，其中教授1人、副教授3人、博士1人、碩士6人；35～45歲年齡段的中青年教師占75％，具有計算機相關專業教育背景7人、通信相關專業教育背景1人，所學專業涵蓋了計算機應用技術、通信與信息工程、自動控制等。教學團隊成員分別來自上海理工大學、中山大學、桂林電子科技大學。在知識結構、年齡結構、職稱結構、學緣結構等方面形成了較合理的結構配置，教師隊伍在理論教學、教學研究和學術研究等方面已開展了較多卓有成效的工作。
課程教學團隊充分發揮高學術水平和高教學水平骨干成員的傳、幫、帶作用，通過合理規劃、創造條件、培育環境、嚴格要求等多種機制，實施青年教師的培養，具體措施包括選派青年教師到國內知名大學參加培訓、實行骨干成員為核心的導師制、組織開展教研討論和科研活動。
通過以上措施，青年教師得到迅速成長、能夠很好地勝任本課程的教學任務。在近幾年的學生評教中，教學團隊的學生評教成績一直保持在優良以上，深受學生歡迎。近五年來，課程組承擔和完成了國家自然科學基金、廣西自然科學基金和橫向科研項目16項，發表學術論文24篇(EI、ISTP收錄10篇)，出版專著／教材4部，獲得計算機軟件著作權4個；承擔教學改革與教學研究項目10項，發表教學研究論文16篇，獲得教學改革與研究成果7項。
計算機組成原理知識點范文4
關鍵詞:計算機組成;計算機系統結構;課程群建設;教學改革
隨著多核/眾核處理器以及可重構計算技術的出現,計算機體系結構技術面臨重大改變,給相關課程的教學提出了新的問題和新的挑戰。如何在教學內容中體現技術的發展?如何利用FPGA技術提升實驗水平?如何統一規劃相關課程的教學?特別是在不久的將來,計算機體系結構可能發生重大變革的情況下,如何為那些將要在新型體系架構下從事計算機科學和技術研究和開發的學生打下良好的專業基礎?這些都是我們近年來一直考慮的問題。帶著這些問題,我們跟蹤了美國幾個一流大學近幾年來相關課程的教學內容及實驗方法。對照國際一流大學的先進做法,結合我校計算機人才的培養目標,我們提出了“計算機組成與體系結構”課程群建設思路,并根據實際情況對相關課程進行了教學改革實踐。
1國外一流大學相關課程教學情況
通過對UC Berkeley、Stanford和MIT等多個美國一流大學在相關課程方面教學情況[1-5]的跟蹤,我們發現,這些大學對相關課程教學都進行了調整,通過開設新課程或調整相關課程教學內容加入了多核/多線程處理器的相關內容,特別強調學生對HDL、FPGA、SOC、并行體系結構、并行程序設計等技術的掌握。這些大學在相關課程教學內容和實驗內容方面基本相同,都是以典型的四段或五段流水線CPU設計技術和存儲器層次化結構為核心內容,教學理念和教學思路也非常相似,都是站在計算機系統的高度闡述計算機硬件系統的結構和設計思想,強調軟件與硬件的關聯,使學生能很好地在高級語言程序、匯編語言程序、機器指令代碼和硬件機器結構之間建立相互的對應轉換關系,以建立對計算機系統的整體認識。
圖1給出了美國UC Berkeley大學2009年相關課程的設置概況,圖中箭頭反映課程開設先后關系。
圖1UC Berkeley大學相關課程設置[2]
CS61C(Machine Structure)主要包括C語言程序設計、指令流水線和存儲器層次結構等方面的基礎內容,以“C語言MIPS匯編MIPS目標代碼MIPS處理器設計”為主線組織內容,以“高級語言程序設計”實驗和“模擬器”實驗為手段,使學生建立單處理器計算機系統的整機概念。
CS 150(Components and Design Techniques for Digital System)主要介紹數字邏輯電路基礎知識和EDA設計技術,2009年以前的實驗主要是在FPGA開發板上進行視頻解碼及播放電路設計開發,從2009年開始改為“流水線CPU設計”,要求學生采用流水線方式設計實現16條MIPS指令,以串行接口方式從PC上裝入程序到FPGA開發板,并通過PC調試程序,最終通過VGA接口,將FPGA板連接到一個顯示器上,在該顯示器上顯示由所設計的CPU執行的一個游戲程序的執行結果,如圖2所示。
圖2UC Berkeley大學CS150課程綜合實驗內容[3]
CS 152(Computer Architecture & Engineering)著重介紹多處理器并行計算機體系結構,包括多核/眾核處理器、多處理器計算機系統以及各類并行處理機制等。
CS194為新開設的本科生課程,是一門基于FPGA的以計算機系統結構實驗為主的課程。在開設新課程的同時,該校還對相關課程內容進行了調整,從2009年開始,將CS152中基于FPGA的流水線CPU設計實驗移到了CS150課程中,把原來研究生課程CS252中的很多內容移到了CS152。
由此可見,在這類課程的教學中,UC Berkeley近兩年有一個明顯變化,就是在保留傳統課程內容的同時加強了基于FPGA的硬件設計能力的培養。此外,在本科教學中加深了并行體系結構方面的教學內容,而且教學內容的調整是在對相關幾門課的統籌規劃下進行的。
2課程群建設思想
隨著多核/眾核處理器技術的出現,我們意識到,必須對計算機組成與體系結構方面的教學內容進行調整。我們首先對本系開設的所有課程的教學內容進行了梳理。結果發現,由于課程間缺乏統一規劃和協調,教學存在內容大量重復或缺失、課堂教學和實驗內容不匹配、課程之間內容脫節等問題。有必要將相關課程組成一個課程群,以便在一個完整的框架體系下統一規劃、相互協調,構建科學合理的計算機組織與體系結構相關課程教學體系。為此,從2007年開始,我們提出并實施了“計算機組成與體系結構”課程群建設方案。
2.1課程群教學目標
根據本課程群在計算機系統中的重要位置,結合我系的生源情況和培養目標,我們提出課程群的基本教學目標為:提高學生對計算機系統的全面認識水平和系統設計能力,建立計算機整機概念,全面理解計算機系統的層次結構。具體包括以下幾個方面:了解計算機指令集體系結構的設計原則和設計原理;具備使用HDL進行計算機硬件設計的基本能力;深刻理解OS和硬件之間的分工和銜接關系;掌握從硬件角度出發進行編譯優化的基本技術;深刻理解從硬件角度出發編制高效程序的基本原理;提高利用硬件知識進行程序調試的能力。
2.2課程群建設思路
課程群建設的總體思路為:1)根據課程群建設總體目標,規劃好課程群涵蓋的知識結構和框架體系,合理定位各門課程的教學目標,把每個知識點落實到具體課程中。2)根據課程群知識點總體框架,擬定課程之間知識點銜接方案,并在教學過程中明確各知識點在不同課程之間的關系。3)根據規劃分頭編寫或修訂教材及教案,并在統一的框架下建設相關課程網站。4)在保留各課程獨立實驗平臺的同時,構建一個課程群公共實驗平臺,并使各課程實驗內容按照一定的關系有機聯系起來。
3課程群教學改革實踐
我們首先對現有課程進行了調整。將原先模擬電子技術部分內容合并到數字邏輯電路設計中,形成數字邏輯與數字系統課程;將原先的計算機組成原理和計算機系統結構內容合并,形成計算機組織與系統結構課程;同時建設一門新課高級并行體系結構。通過對相關課程的調整,我們構建了以“計算機組織與系統結構”為核心的課程群,如圖3所示。
圖中箭頭表示課程前后關系,其中計算機系統概論、數字邏輯和數字系統、計算機組織與系統結構為必修課;微機原理與接口技術、嵌入式系統原理、高級并行體系結構為選修課。此外,為了加強對學生FPGA、EDA、數字系統和流水線CPU等方面設計和實踐能力的培養,課程群教學規劃中專門設置了數字邏輯電路設計和計算機組成原理必修實驗課。
3.1各課程在課程群教學中的定位
圍繞課程群教學目標,根據課程之間的相互關系,我們確立了各課程在課程群教學目標中的定位:1)計算機系統概論從宏觀上介紹計算機系統涉及到的各個層次的內容,讓學生從整體上了解計算機系統的全貌和相關知識體系。2)數字邏輯與數字系統圍繞組合邏輯設計和時序邏輯設計兩大核心內容,在邏輯門到功能部件這兩個層次展開。以后續課程中用到的功能部件作為設計實例,采用“實例化”教學思路組織教學內容。3)計算機組織與系統結構從寄存器傳送級以上層次介紹單處理器計算機系統設計的基本原理,實驗重點在CPU設計和存儲器方面。該課程處于課程群中核心地位,一方面,先行課程中學生感到似是而非的問題在此要明確;另一方面,需要運用先行課程的基本功能部件構建更大規模和更強功能的部件;此外,本課程中提出的設計原則和實現原理要在后繼課程的計算機系統實例中得到體現。4)微機原理與接口技術定位為計算機組織與系統結構的基本原理在PC上的實例化教學課程,主要以目前流行的基于IA-32體系結構的PC為實例,實驗重點內容在PC的I/O接口技術。5)嵌入式系統原理定位為計算機組織與系統結構的基本原理在嵌入式系統方面的實例化教學課程。實驗教學重點是基于ARM處理器和VxWorks及 COS-Ⅱ操作系統的簡單嵌入式軟件開發技術。6)高級并行體系結構主要在更高層次上介紹多核/眾核CPU、多處理機系統、集群系統等不同粒度和規模的多處理器并行計算機系統的工作原理、實現方式及其應用領域。
3.2各課程教學內容的關聯和銜接
課程群中的課程之間有很多關聯,必須合理處理好關聯內容,使課程之間能有機銜接。對于關聯內容,我們的主要處理思路如下:
1) 數據的表示。
對于進位計數制及其相互之間的轉換、ASCII碼
表示、邏輯數據表示、漢字編碼、無符號數表示、帶符號數表示,要求學生在計算機系統概論課程中掌握,而在后繼課程中作為“回顧”內容;各種BCD碼的介紹和相關電路設計內容在數字邏輯與數字系統中講解;補碼特性和浮點數的表示則在計算機組織與系統結構中詳細介紹。
2) 功能部件。
邏輯門電路、半加器、全加器、加法器、比較器、編碼器、譯碼器、觸發器、寄存器、移位器、內存儲器的實現技術由數字邏輯和數字系統詳細介紹;計算機系統概論課程僅作概要性的功能說明和解釋;計算機組織與系統結構課程則運用這些基本電路來構建更大的功能部件。
3) 外存儲器。
有關磁盤信息的存儲、磁盤存儲器的構造、磁盤驅動器和磁盤控制器的接口、磁盤存儲器的性能指標等內容主要在計算機組織與系統結構中詳細介紹;計算機系統概論課程僅作概要性說明;微機原理和接口技術中不再講解。
4)I/O設備及其接口。
計算機系統概論課程從計算機硬件系統組成的角度簡單提一下常用的外部設備的功能;計算機組織與系統結構主要介紹各種外設抽象出來的一個通用結構,以及外設控制器的通用結構,并著重解釋清楚“外設―I/O接口(外設控制器)―I/O總線―主機”的連接關系;微機原理與接口技術則具體介紹PC機所用的一些接口電路、I/O總線及其互連。
5) 虛擬存儲器。
計算機組織與系統結構主要介紹虛擬存儲器的基本概念和MMU中涉及的地址變換、頁表和段表結構、快表,以及如何發現“缺頁”和發生“缺頁”時處理器中進行的一系列處理步驟;微機原理與接口技術具體介紹Pentium系列處理器對虛擬存儲器的支持,包括段選擇子、段描述符/描述符表、邏輯地址―線性地址―物理地址的轉換等。對于“缺頁”處理過程中涉及的問題,操作系統課程將會作詳細介紹。
3.3課程實驗內容的規劃和實施
課程群的實驗教學思路是,將各課程中相關實驗內容規劃在統一平臺上實現,使得實驗內容相互依托、避免重復,由低層逐步向高層過渡,最終使學生全面建立計算機系統的整機概念。
統一實驗平臺是Altera DE2/70開發板,其上擁有70000個邏輯單元的Cyclone® II 系列2C70型FPGA 芯片,并配有軟核處理器NiosII和相應的開發軟件:Quartus II、SOPC Builder、NiosII IDE、DSP Builder等,可以開展以下五個層次的實驗:功能部件CPU+存儲器軟核處理器+存儲器+總線+I/O軟核處理器系統+OS軟核處理器系統+OS+多媒體編碼等應用。
在Altera DE2/70統一實驗平臺上開展的實驗主要有以下幾個方面:
1) 數字邏輯電路實驗。
利用Quartus II實現基于HDL和FPGA的組合電路、時序電路和簡單數字系統設計實驗。
2) 計算機組成原理實驗。
利用Quartus II實現基于HDL和FPGA的ALU、寄存器組、桶型移位器、乘/除法器,單周期CPU、多周期CPU和流水線CPU的設計實驗。
3) 微機原理與接口實驗。
基于軟核處理器和SOPC開展總線、存儲器和I/O接口實驗。例如,通過總線實現外設和SRAM相連;利用UART實現輪詢、中斷和DMA方式I/O。
4) 嵌入式系統原理實驗。
主要包括兩類實驗:(1)基于NiosII+μCOS操作系統的實驗,例如七段數碼管顯示實驗、小型GUI
移植實驗和文件系統讀寫實驗等;(2)基于NiosII IDE的簡單應用系統開發實驗,例如簡單C語言編程實驗、簡單DSP處理實驗等。
有些課程除了在以上統一實驗平臺上開展實驗以外,還要求完成其他實驗,如計算機組織與系統結構的編程實驗,微機原理與接口的匯編程序設計實驗,嵌入式系統原理的基于ARM處理器的實驗等。
4結語
經過近年來的課程群教學改革實踐,我校相關課程的教學內容在廣度和深度上都有提高;課程間知識點的銜接更加合理,減少了重復,彌補了缺失。通過統一規劃,課堂教學內容和實驗內容相得益彰;在對課程群統一的教學實驗平臺和統一實驗內容的規劃下,我們實現了各課程間實驗內容的有機銜接。
由于課程群的建設時間較短,需要開展的工作還有很多,今后幾年,我們主要在以下幾個方面繼續進行課程群教學改革實踐:編寫相關課程教材以開展課程群系列化教材建設;加強實驗教學內容,增加和完善各類模擬器實驗;開設計算機系統綜合設計實驗課程。
相信通過以上一系列的教學改革措施,一定會改變學生“喜軟怕硬”的心理。學生對計算機組織與體系結構方面知識的掌握水平和運用能力將會有較大提高,為后續課程的學習打下堅實基礎。
參考文獻:
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Construction and Reform of “Computer Organization and Architecture” Courses Group
YUAN Chun-feng, HUANG Yi-hua, WU Gang-shan, YU Jian-xin, WU Hai-jun
(Department of Computer Science and Technology, Nanjing University,Nanjing 210093, China)
計算機組成原理知識點范文5
關鍵詞：計算機組成原理；教學改革；教學方法；教學模式
文章編號：1672-5913（2013）07-0046-04
中圖分類號：G642
計算機組成原理是計算機科學與技術專業的核心硬件基礎課程，是全國計算機專業碩士研究生入學考試的重點專業考試課程之一。它在計算機及其相關專業本科教學課程體系中起著承前啟后的作用。該課程內容涵蓋計算機系統的基本硬件部件構成和組成方式，包括基本的運算操作原理和單元設計思想、操作方式及其實現等。
通過對該課程的學習，不僅可以幫助學生理解單處理器計算機硬件系統的基本組織結構和工作原理，掌握單處理器計算機硬件系統的基本分析和設計方法及相互關系，還使學生了解計算機系統的層次化結構概念，明晰硬件與軟件之間的接口界面，建立起一個完整的計算機系統的整機概念，為后續相關硬件課程如計算機體系結構、微型計算機系統原理與接口等課程的學習打下良好的基礎。
1 課程教學現狀
1.1教材建設問題
計算機組成原理課程教學課時相對較少，但是其理論性強、知識面廣、內容多且更新快，教師難教，學生難學。現有計算機系統內部都是由超大規模集成電路組成，缺乏和書本相一致的硬件電路幫助學生加深認識。如果在沒有相關基礎知識的前提下，直接介紹現有的較復雜的新技術、新方法和新知識，學生熟悉和掌握有一定困難。
1.2教學方法存在的問題
由于“計算機組成原理”課程的知識點較多，現有的教學課時數較少，所以教師在教學過程中基本采用傳統的“填鴨灌輸式”教學方法，雖然教學工具從“粉筆+黑板”逐漸轉變為“黑板+課件”，提高了教學效率，使教學內容更加緊湊，但仍然存在許多弊端，比如因為內容較多，學生在聽課時沒有充分思考的時間，缺乏足夠的課堂交互，過分依賴拷貝教師的課件，不注重課堂理解，使教學效果較差。
1.3實踐教學問題
計算機組成原理課程的實踐教學在整個課程教學中有著重要作用，其主要實驗內容包括運算器、存儲器、控制器等各部件實驗以及基本模型機的課程設計實驗。但在現有的實踐教學過程中，基本是由老師給出實驗步驟，學生負責驗證完成實驗，對其中用到的相關知識及工作原理學生不能完全理解，缺乏對實驗過程中出現錯誤的分析和解決能力。如果改用FPGA平臺采用VHDL或Verilog語言進行設計型實驗，雖然相對驗證型實驗而言，實驗內容得到了改進，但由于學生個體差異較大，有的學生在相對有限的實驗時間內無法完成，實際效果大打折扣。
2 教學改革
針對以上問題，筆者所在的課程教研組從教材建設、教學內容組織、教學模式、教學方法、實踐教學等幾個角度出發，進行了一系列教學改革和實踐。
2.1教材建設
通過分析CC2005教程體系、《高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范和計算機科學與技術專業研究生入學考試專業基礎課全國統一命題考試大綱》對計算機組成原理課程知識點的要求，筆者所在的教研組重新編寫了課程教材，將重點放在講述一般性原理，不針對任何具體的商業機型，綜合國內外計算機類型中較為成熟的先進技術，兼顧計算機發展的新技術、新成果，力求做到深入淺出。同時，為了避免一般性的抽象原理不利于分析理解，該教材即反映了不同的典型結構，也有深入的分析，點面結合；通過一個模型機的實例將相關章節聯系起來，最終形成一個整機的概念，系統性較強。新教材緊密聯系實踐環節，加深了學生對所學知識的理解深度和應用能力，提高了學生的學習興趣，取得了良好的學習效果。
2.2教學內容組織
計算機組成原理課程教材的內容覆蓋范圍廣、知識點多、理論性強，但是在當前課時日益減少的情況下，不適合不加取舍地照本宣科，如何站在計算機硬件系統課程群的角度對課程內容進行適當取舍，對前導課程計算機基礎、數字邏輯電路已經講過的相關內容可以略過，以習題或課堂提問的方式引導學生回憶曾經學習的內容。對于將在后繼課程中講到的內容，比如流水線技術、虛擬存儲技術、通道輸入輸出方式等，只提及基本概念、結構和工作原理，不需要精講分析，將相關內容留給后繼課程去講解。
2.3教學模式選擇
改革現有的以課堂教學為主的教學模式，輔以多媒體、網絡教學。在多媒體課件設計的過程中，竭力避免大段抄襲教材內容的課件，強調概括突出章節知識要點，針對課程內容抽象、實物演示存在難度的特點，課件主要內容以動態演示為主，生動形象地描述地址流、數據流、指令流在計算機內部的操作過程，讓學生能以更直觀的方式理解計算機內部的信息處理過程，提升課堂教學效果。此外，在網絡上提供一個以學生為中心的網上學習環境，除了實現課程相關資源上網以外，針對每個章節設置試題庫，考核學生對相關知識點的掌握情況，并設置板塊對歷年考研試題進行解答分析，安排任課教師輪流在網絡上對學生反饋的相關學習問題進行答疑解析，使學生與老師的互動不受時間和地點的限制。
2.4教學方法改革
傳統的教學方法是灌輸式的，筆者在對中西方教學方法進行了解和比較后，探索將啟發式教學、類比式教學、案例教學等多種教學方法綜合應用到計算機組成原理課程教學當中。
現有的情境教學、啟發式教學強調創設適合問題的情境。所謂問題的情境是指不能直接使用自身已有的知識處理，但可以間接利用已有知識處理的情境。這就需要教師根據本課程的教學內容，圍繞特定的課程主題，設計合適的問題，激發學生的求知欲，強化其學習興趣，引導其主動探求更多的新知識。在教學過程中，教師需要鼓勵學生敢于質疑，敢于提問，而且要從不同角度提出問題、思考問題。例如在講解運算器ALU的時候，可以先提出問題，為什么衡量計算機運算速度可以采用每秒鐘多少次加法這個性能指標？加減乘除四則運算之間是否可以合并化簡？從而讓學生思考計算機的算術運算功能的實現主要依靠什么部件，是否存在同一個部件能夠同時完成所有的四則運算功能？這就可以引申出加法器的基本概念，使學生明白在計算機中用來實現運算的核心部件是加法器。在實際教學過程中，還需要尊重學生的個性思維，給予他們開放式的答案，這對于提升學生的學習興趣，保持學生持續的學習動機非常有幫助。
類比教學是指在講授過程中將一些概念、策略和思想等比較抽象的內容與現實生活中的生動事例進行關聯、類比，從而將學生可能認為抽象的概念、理論形象化、生動化，使其掌握知識更牢固。例如，將日常生活中最簡單的接電話與中斷處理過程相聯系起來，在日常的工作過程中，突然出現的手機鈴聲就是中斷請求信號，打進電話的呼叫者就是發送請求的中斷源，因為被呼叫者無法預知呼叫的時間，所以打進電話的過程是個隨機事件，具有和中斷相同的特征——隨機性。手機的分組鈴聲和來電顯示可以用來區分呼叫者的身份，是用來識別不同中斷來源的標志，這個過程是個中斷識別的過程。而被呼叫者中止當前正在執行的工作，選擇接聽或者掛斷電話的過程是中斷響應的問題，接聽是響應中斷，掛斷則是不響應。如果設置了來電過濾的黑名單和白名單屬于中斷屏蔽的問題，黑名單上的呼叫者將會被屏蔽掉，白名單上的則不會受影響。被呼叫者接聽電話回應呼叫者的過程屬于中斷處理過程。接聽完畢，掛斷電話，重新開始原來被中斷的日常工作屬于中斷返回。整個過程和中斷處理過程如出一轍，通過這樣一件簡單的日常事例，學生可以由此及彼的掌握整個中斷過程。
案例教學法在一些法學、管理類教學中早已廣泛運用，它是通過實際案例來反映教學內容中的一些基本原理和方法，提高學生思考問題、分析問題和解決問題的能力，重視培養學生學習興趣的一種教學方法。案例教學法關鍵在于選擇合適的案例，案例必須具有典型性，具有普遍意義，這樣的實例在教學過程中值得花費精力討論和設計。計算機組成原理課程內容比較抽象，案例教學對CPU數據通路的教學非常有效，特別是指令執行過程部分，通過對模型機案例的信息流分析以及和現代計算機硬件系統結構的直觀對比，介紹計算機系統的新理論和新技術，加深學生對計算機硬件系統各功能部件的基本原理、基本結構的理解和掌握。
2.5實踐教學改革
2.5.1實驗內容改革
學院從過去的固定結構實驗平臺下的驗證性實驗，過渡到FPGA實驗平臺下的設計性實驗，使實驗項目更加靈活，實驗內容與教材內容保持一致，避免實驗與課堂教學脫節的問題，做到課堂教學與實踐環節的統一，鞏固教學效果。
2.5.2實踐教學方法改革
從2004年開始，筆者所在的教研組針對不同類型的學生，采用了層次化教學法，并在后續的實踐中，陸續采用了任務驅動式實踐教學，建立實踐教學平臺等多種方法提高教學效果。層次化教學法是針對學生的個體差異，在教學大綱允許的范圍內，將實踐任務分成基本、常規、提高3個層次，基本層次完成原理驗證型實驗，常規層次完成給定框架內的設計并進行驗證，提高層次鼓勵學生綜合所學知識，實踐自己的創新設計。課程組在編寫指導書時就對不同層次分別指導，如課程設計指導書中基本層次完成CPU的微程序設計，著重于理解指令的實現過程，常規層次還要完成CPU的硬件設計，從設計的角度理解計算機的工作原理。在實施中采用學生申請、指導老師審核的方式選擇層次，層次的選擇不影響成績的檔次，保證每個學生都能通過實驗有所收獲。
任務驅動式教學就是把所要學習的知識轉化為對應的任務，教師通過引導學生分析任務、通過主動探求完成任務來實現所要達到的教學目標。它符合探究教學模式，強調知識和技能的傳授應以完成典型“任務”為主，強調學生在密切聯系學習、生活和社會實踐的有意義的“任務”情境中，通過完成任務來學習知識、獲得技能、形成能力。在計算機組成原理課程的實踐教學過程中，以模型機CPU的設計作為實踐教學的核心任務。之所以選擇CPU，主要是由于CPU對大多數計算機專業學生而言，是既陌生又熟悉的一個具有神秘感的硬件，能夠充分調動學生的學習興趣；同時CPU又是整個計算機系統的控制處理中心，負責指令的解釋執行，實現了對計算機系統中各個功能部件的管理控制，可以幫助學生深入理解計算機的工作原理。在整個實踐教學過程中，這個核心任務被分解成若干個環環相扣的子任務，如伴隨課堂教學進度進行的運算器、高速緩存、控制器等部件設計，由淺入深、循序漸進，在期末課程設計的時候，由學生設計實現各種不同結構和功能的CPU。學生可以將所學知識融會貫通、綜合運用到CPU設計過程中，給有潛力的同學留下了足夠的創新空間，對于培養學生的創新能力、創新思維有著較大幫助。
計算機組成原理知識點范文6
關鍵詞：計算機組成原理；匯編語言；教學改革
中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）07-0014-02
一、“計算機組成原理”課程的特點
“計算機組成原理”是研究生入學考試的必考科目。該課程以馮?諾依曼型計算機為基礎，圍繞計算機的運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設備等五大部件詳細介紹它們的工作原理與算法以及具體實現的電路結構。通過學習本課程，要求學生熟練掌握單總線結構CPU的工作原理和設計實現的方法，同時要求學生初步掌握精簡指令系統、流水線結構、多體并行存儲器、中斷的工作原理等知識，為后續課程“微機原理與接口技術”、“計算機系統結構”做好準備。該課程首先講授了8086CPU的編程結構，然后引申出8086匯編語言的尋址方式和指令系統，學生在掌握上述知識的基礎上，進行匯編語言程序設計。匯編語言程序設計可以讓學生加深對程序設計方法的理解，同時程序的編寫和調試使學生對計算機硬件有一個感性的認識， 為以后他們學習“微機原理與接口技術”、“操作系統”等課程做準備。
根據國家教育部高教教執委的新的教學改革精神，結合我院的具體情況，我院將“計算機組成原理”與“匯編語言”兩門課程合并成一門全新的“計算機組成原理”課程。在新的教學體系中，我們將兩門課程有效地結合起來去糟取精刪繁就簡，舍去了兩門課程中的重疊部分而突出重點，形成了一套新的教學體系。
二、“計算機組成原理”與“匯編語言”教學內
容的融合
在傳統的“計算機組成原理”課程中，教師始終圍繞著計算機的五大部件按照運算器、存儲器、控制器、輸入輸出系統這個順序進行講解，在講授過程中經常會用到一些實例進行說明，而很多時候是以匯編語言做例子講解的，兩門課程融合在一起的最大好處就是教師在講授“匯編語言”的部分時，可以更好地兼顧“計算機組成原理”，讓這兩門課程做到無縫對接。
在基礎知識部分，我們首先要介紹馮?諾依曼型計算機的特點。馮?諾依曼型計算機是串行計算機的始祖，所有的串行計算機都要符合馮?諾依曼型計算機的特點，這是“計算機組成原理”基礎知識部分的重點。在課程講授過程中，教師都會畫一幅五大部件的關系圖，通過圖形示意來表示一條指令是如何在五大部件之間流動的，從而使用戶從外部觀察到計算機處于運行狀態。我們考慮從這里引入8086CPU的編程結構，從計算機組成原理過渡到匯編語言，讓指令舉例更加具體化，再結合指令的尋址方式，借機說明8086的匯編語言指令是如何在CPU中執行的。
在接下來的講授過程中，我們將介紹8086匯編語言的尋址方式和指令系統。由于在計算機組成原理課程中也有一章介紹指令系統，我們可以把這個部分與匯編語言的內容合并，以計算機組成原理的部分強調基本概念，以匯編語言的內容來強調具體應用，把內容更加具體化，舉例更具有針對性，可以使學生更好地理解尋址方式和指令系統。在這里我們在教學上做了一點改變，我們考慮到匯編語言指令數目較多的特點將指令分類，每類指令選出一到兩個具有代表性的指令進行詳細說明，其他略講，然后采用寫出指令執行結果的方式進行大量練習，從而鞏固這部分知識。
在講授了匯編語言的程序設計方法之后，再講授計算機組成原理部分的運算器與運算方法部分。在這部分我們可以利用學過的匯編語言知識，結合布斯算法和加減交替法編寫定點數乘除法的匯編語言程序，還可以編寫浮點數運算的模擬程序。在講授控制器的部分時，我們可以設計一個類8086的CPU，把它作為課堂上的CPU設計舉例，這樣把一條8086匯編語言指令放在這個CPU中運行，可以更直觀地反映指令的工作細節，促進學生對控制器的工作原理和匯編語言的理解。
三、“計算機組成原理”與“匯編語言”實驗內
容的融合
“計算機組成原理”與“匯編語言”都有實驗課，由于在講授上先講“匯編語言”的內容，因此相關實驗先進行，然后進行“計算機組成原理”的實驗。我院的“計算機組成原理”實驗課程使用的是由清華大學計算機學院研制開發的TH-union+教學實驗系統，該系統主要用于“計算機組成原理”課程的硬件教學實驗，還支持監控程序、匯編語言程序設計。在硬件上同時實現了硬布線方式和微程序方式兩種控制器結構，既支持用中小集成度的芯片實現CPU的方案，又支持用高集成度的FPGA門陣列實現CPU的方案。在軟件上可實現指令級模擬，也可以軟件模擬硬布線和微程序的操作，為學生學習硬件理論知識起到了重要的輔助作用。但是該實驗系統的匯編語言指令與8086匯編語言是不兼容的，這使學生在短期內很難快速掌握實驗系統的匯編語言指令，因此經課程組全體教師研究決定，另外開發一款新的匯編語言轉換軟件，用來實現兩種不同種類的匯編語言互相轉換。
該軟件是利用linux模擬環境Cygwin開發實現的。Cygwin是cygnus solutions公司開發的一個在windows平臺上運行的類UNIX模擬環境。在這里我們主要使用了Cygwin開發環境里的flex和gcc兩個工具軟件。利用flex工具軟件編寫的源代碼必須轉換成c語言代碼格式，然后由linux下的c語言編譯器gcc編譯成可執行文件，完成最后的開發。
由于TH-union+教學實驗系統的匯編語言指令共48條，采用精簡指令系統，每條指令的尋址方式是固定的，因此不單獨設置關于尋址方式的標志位，當指令進行譯碼操作的時候，實驗系統電路通過分析指令的操作碼既了解了指令的操作功能也了解了指令操作數的尋址方式。而8086匯編語言指令是一個復雜的指令系統，每條指令對應著多種不同的尋址方式，因此我們把教學實驗系統的匯編語言看成是8086匯編指令系統的子集。通過對轉換程序my的使用，幫助學生對比兩種匯編語言之間的相同點和不同點，通過對比學習，學生可以更快速地熟悉實驗系統匯編語言。
在這里對于不可轉換的匯編語言指令可采取兩種處理方式：方式一，發出警告提示并忽略此條指令；方式二，發出錯誤提示并強行結束程序轉換。轉換程序your分析了操作碼之后開始分析操作數的尋址方式。在這里，我們假設所有指令都采用雙操作數，因此在結構體中設置了兩個對應尋址方式的變量。具體操作時，如果分析出該操作數的尋址方式可以被實驗平臺支持，那么就將對應數值保存在結構體的對應變量中以便轉換，如果不是實驗平臺支持的尋址方式，系統將提示用戶：“你的程序中使用了不可轉換的尋址方式”，并強行結束轉換。在尋址方式轉換過程中，有一些特殊情況需要系統自動追加指令。
最后，要對輸入輸出指令單獨處理。輸入輸出操作是后續課程“微機原理與接口技術”的重要知識點。在編寫匯編語言程序過程中，當遇到輸入和輸出操作都是直接調用DOS中斷或BIOS中斷來實現的。但是教學實驗系統沒有任何中斷程序輔助操作，遇到輸入和輸出操作只能由學生自己編寫。在編寫8086匯編語言程序過程中，凡是遇到輸入和輸出操作都通過調用這兩個宏來實現。每次進行輸入輸出操作時必須先對指定的狀態寄存器的標志位進行判斷，以確定硬件是否準備好，是否可以進行輸入輸出操作。具體做法是使標號由英文字母和數字構成，每次產生新的標號，后面的數字部分就加1，保證新標號與舊標號不同。
“計算機組成原理”和“匯編語言”是計算機科學與技術、軟件工程專業的專業課程，這兩門課程存在著很多聯系同時也有一些區別，把這兩門課程合并成一門全新的“計算機組成原理”課是我院一項新的教學改革方案。如何把兩門課程很好地融合在一起就成了課程組面臨的一個新的挑戰，本文結合課程組全體教師的多年教學經驗，拋磚引玉，初步提出了一些在教學和實驗上的改革方案，希望各界同人多提寶貴意見。
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