導(dǎo)言：作為寫(xiě)作愛(ài)好者，不可錯(cuò)過(guò)為您精心挑選的10篇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它們將為您的寫(xiě)作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

[4]王麗暉. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)分析，開(kāi)發(fā)展望. 2005：4-5.

[5]歐中宏，袁由光，李海山等. 一種高性價(jià)比的容錯(cuò)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，第十屆全國(guó)容錯(cuò)計(jì)算學(xué)術(shù)會(huì)議.

[6]曾慶華，陳天麟. 可擴(kuò)展并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和發(fā)展現(xiàn)狀，計(jì)算機(jī)科學(xué). 2003：第30卷，第9期. 158-161.

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篇2

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(kāi)設(shè)的一門專業(yè)必修課，開(kāi)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(yǔ)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(lái)，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(lái)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(wèn)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(kāi)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?！坝?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(yǔ)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(guò)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(kāi)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(wèn)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(guò)程中需要關(guān)注的重要問(wèn)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?！坝?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(yǔ)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(wèn)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(lái)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(shū)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(tīng)起來(lái)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(shuō)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(lái)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(yǔ)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(lái)的課程，所以在講授課程內(nèi)容時(shí)需要以問(wèn)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(yǔ)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(shuō)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(yǔ)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(guò)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(lái)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(wèn)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(xiě)和完善等無(wú)不需要長(zhǎng)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)：

篇3

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5913 (2007) 24-0017-03

1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展，如何合理分配計(jì)算機(jī)軟、硬件功能，最大限度地開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)的并行性，達(dá)到最佳性價(jià)比，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問(wèn)題。對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生而言，不僅要掌握計(jì)算機(jī)的軟、硬件系統(tǒng)組成及工作原理，具備開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的技能，而且還需要進(jìn)一步掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和方法。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正是這樣一門面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)與分析的課程。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是為計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的一門系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)綜合的課程，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，能夠使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念，學(xué)會(huì)以高層建筑的觀點(diǎn)，以應(yīng)用算法、硬件、軟件綜合考察和分析設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；培養(yǎng)學(xué)生以性能價(jià)格比的觀點(diǎn)去分析、評(píng)估、設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)；使學(xué)生掌握當(dāng)代迅速發(fā)展的RISC技術(shù)的主要設(shè)計(jì)思想和技巧；了解高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的并行性、可擴(kuò)展性及可編程性等先進(jìn)技術(shù)思想，掌握最新的計(jì)算機(jī)流水技術(shù)和并行處理技術(shù)。

目前該課程的教學(xué)由于受到課時(shí)的限制，大多采用以教學(xué)為主，輔以適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)、定期答疑的形式進(jìn)行課程的教與學(xué)。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程與以往硬件課程相比，較為抽象，學(xué)生感到學(xué)習(xí)這門課程有一定的難度，“只說(shuō)不練”限制了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力，只能被動(dòng)地接受知識(shí)，影響了學(xué)習(xí)效果。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程鏈上排在計(jì)算機(jī)組成原理之后，要求學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的組成與設(shè)計(jì)有相當(dāng)程度的了解。因此該課程所學(xué)的內(nèi)容，不單是純粹的理論知識(shí)，還構(gòu)建在一定的計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)上，所以有必要對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)輔以實(shí)踐教學(xué)，不能對(duì)所有內(nèi)容太過(guò)“透明”，這樣才能有助于學(xué)生更深一層掌握這門課程。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通常采用的是虛擬化仿真軟件winDLX、DLXview、SimpleScalar等，這些仿真軟件都具有一定的典型性，對(duì)問(wèn)題的考慮較細(xì)致，而且在軟件設(shè)計(jì)上便于觀測(cè)運(yùn)行結(jié)果及進(jìn)行性能分析。但這些軟件只針對(duì)課程某一部分知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐，而對(duì)于其他知識(shí)的實(shí)踐缺少支撐，因此需要去熟悉每一個(gè)環(huán)境，較為煩瑣。

為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合目前在北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生教學(xué)實(shí)踐中采用的部分措施，我們提出了基于EDA平臺(tái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)的方法，并針對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的課程實(shí)踐進(jìn)行了研討。

2EDA平臺(tái)用于課程實(shí)踐

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外課程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀的調(diào)查分析研究后，我們對(duì)該課程實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了相應(yīng)的改革，摒棄了以往在面包板上插線所進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方式，采用EDA平臺(tái)進(jìn)行單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以及最后的課程設(shè)計(jì)。通過(guò)這種實(shí)踐方式避免了以往實(shí)驗(yàn)存在的過(guò)多“驗(yàn)證性”的元素，以及實(shí)驗(yàn)中存在的插線虛接、連線折斷及無(wú)法保存?zhèn)€人電路設(shè)計(jì)造成實(shí)驗(yàn)不能間斷進(jìn)行的問(wèn)題，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生良好的硬件設(shè)計(jì)思維，建立系統(tǒng)級(jí)的概念有非常重要的意義。

由于EDA平臺(tái)具有靈活性和可保存性，極大地方便了課程實(shí)踐的參與者。教師可以根據(jù)課時(shí)的要求，方便地調(diào)整課程實(shí)踐的方案；學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間安排課程實(shí)踐。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，每個(gè)學(xué)生可以根據(jù)需要選擇課程實(shí)踐中所需要的器件及芯片，按自己設(shè)計(jì)出的邏輯電路進(jìn)行芯片間的連線，線路一旦連接好，不必再擔(dān)心連線折斷、導(dǎo)線虛接等問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)設(shè)計(jì)出的部件進(jìn)行模似仿真，測(cè)試驗(yàn)證計(jì)算機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。在課程實(shí)踐測(cè)試完成后，利用存儲(chǔ)的測(cè)試結(jié)果，提交給教師查驗(yàn)?？梢钥吹?，采用EDA平臺(tái)，能夠更好地進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的課設(shè)實(shí)驗(yàn)，并提高課設(shè)實(shí)驗(yàn)的水平及效率。

經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐改革，我們認(rèn)為采用EDA平臺(tái)方式來(lái)完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)是可行的，其中硬件設(shè)計(jì)的可繼承性是以往其他手段所不具備的，學(xué)生所做的單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可以在課程設(shè)計(jì)中繼續(xù)使用，不同的功能部件設(shè)計(jì)以及不同的模型機(jī)結(jié)構(gòu)帶來(lái)了設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣性，學(xué)生的創(chuàng)造性得到了發(fā)揮，這也給我們帶來(lái)了啟示，能否利用計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐中的一些成果，將EDA平臺(tái)引入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中來(lái)，使得學(xué)生在前面課程中的硬件設(shè)計(jì)不會(huì)因?yàn)檎n程的結(jié)束而結(jié)束，這不僅有助于課程的延續(xù)性，也有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

為了驗(yàn)證EDA平臺(tái)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐中的可行性，我們針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的Cache存儲(chǔ)體系采用EDA平臺(tái)進(jìn)行了有意的探索。此內(nèi)容在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中占據(jù)著很重要的一節(jié)，通過(guò)講述主存與Cache的地址映像方式等內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有更深刻的認(rèn)識(shí)，能夠從速度、容量、成本的角度理解不同的設(shè)計(jì)方法對(duì)提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響。

我們依然采用計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐中使用的Quartus II平臺(tái)。該平臺(tái)是完全集成化、易學(xué)易用的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境，具有硬件描述語(yǔ)言、電路原理圖、時(shí)序圖等多種文件格式輸入方式，利用其提供的標(biāo)準(zhǔn)門電路、芯片等邏輯器件，完成數(shù)字電路從設(shè)計(jì)輸入、編輯、編譯、仿真、封裝到下載的全過(guò)程。該系統(tǒng)強(qiáng)大的圖形界面和完整的幫助文檔，使學(xué)生能夠輕松快速地掌握和使用該EDA平臺(tái)進(jìn)行邏輯電路及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

為了避免在單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)上花費(fèi)大量的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，且從課程延續(xù)性角度考慮，可以選擇在計(jì)算機(jī)組成原理課程中設(shè)計(jì)的模型機(jī)上構(gòu)建這個(gè)系統(tǒng)，在模型機(jī)總體結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)Cache模塊，如圖1所示。系統(tǒng)總體框圖與模型機(jī)結(jié)構(gòu)類似，除了Cache部件外，只是在控制信號(hào)微命令上有所增加。為了體現(xiàn)Cache的功能，模塊內(nèi)可以包括地址映像，地址轉(zhuǎn)換，替換算法等功能部件，基本上包含了課程中所講授的知識(shí)點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

以一個(gè)16位模型機(jī)為例，Cache采用了組相聯(lián)的地址映像方式，Cache部件數(shù)據(jù)通路如圖2所示。Cache的主要工作部件有Cache存儲(chǔ)單元、塊表單元、替換單元、比較單元、塊表修改單元。Cache設(shè)計(jì)為地址包括每四塊為一組，一共有四組，同時(shí)將內(nèi)存地址設(shè)計(jì)為區(qū)號(hào)、組號(hào)、組內(nèi)塊號(hào)和塊內(nèi)地址，也是每四塊為一組，一共有四組，同時(shí)分為兩個(gè)區(qū)。塊表存儲(chǔ)器采用按地址訪問(wèn)和按相聯(lián)訪問(wèn)兩種方式工作。在塊內(nèi)采用相聯(lián)方式訪問(wèn)，在塊之間采用按地址方式訪問(wèn)，塊表的容量與Cache的塊數(shù)相等。替換算法采用FIFO法，完全采用硬件實(shí)現(xiàn)地址的映象及替換算法，每組一個(gè)模4的計(jì)數(shù)器，本組有替換時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，計(jì)數(shù)器的值就是要被替換出去的塊號(hào)。

圖2 Cache部件數(shù)據(jù)通路

設(shè)計(jì)完成后編制調(diào)試程序，程序以二進(jìn)制或十六進(jìn)制數(shù)的形式存入主存儲(chǔ)器的初始化文件中，在時(shí)序信號(hào)的配合下，對(duì)主機(jī)系統(tǒng)的整體運(yùn)行進(jìn)行調(diào)試。在給定機(jī)器唯一的輸入信號(hào)――時(shí)鐘脈沖信號(hào)CLK后，使機(jī)器自動(dòng)地、連續(xù)地運(yùn)行存儲(chǔ)在主存中的調(diào)試程序。在遇到停機(jī)指令后，則停止機(jī)器運(yùn)行。機(jī)器運(yùn)行結(jié)束后，檢測(cè)機(jī)器運(yùn)行調(diào)試程序的時(shí)序模擬仿真輸出波形圖，以確認(rèn)各條機(jī)器指令運(yùn)行的正確性。

圖3為部分測(cè)試波形圖，圖中IN為Cache部件接收的內(nèi)存地址，IND為要寫(xiě)入的值，QB為Cache存儲(chǔ)器的輸出端，與數(shù)據(jù)暫存器和內(nèi)存的存儲(chǔ)器相連，QA為內(nèi)存的輸出端，與Cache的存儲(chǔ)器相連，RB為Cache內(nèi)部存儲(chǔ)器的地址，RA為內(nèi)存的地址。圖中可以看到在08H時(shí)，未命中，因此裝入08H~0FH的值11~18裝入到Cache的18H~1FH中，波形圖與設(shè)計(jì)相符。因此通過(guò)波形圖可以很好地驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

圖3 測(cè)試波形圖

在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，學(xué)生可以根據(jù)自己掌握理論知識(shí)的深度以及設(shè)計(jì)難度進(jìn)行開(kāi)發(fā)，教師可根據(jù)實(shí)現(xiàn)程度給出評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。Cache存儲(chǔ)體系知識(shí)點(diǎn)較多，比如地址映像方式有直接相聯(lián)、全相聯(lián)、組相聯(lián)等方式，替換算法有隨機(jī)法、FIFO、LFU算法等，當(dāng)Cache與主存不一致時(shí)有寫(xiě)直達(dá)法和寫(xiě)回法，以及對(duì)Cache性能分析時(shí)加速比的計(jì)算等。選擇采用哪種算法可以由學(xué)生來(lái)選擇，可以根據(jù)模型機(jī)結(jié)構(gòu)，采用8位或16位通用寄存器，控制部件的設(shè)計(jì)可以采用微程序控制部件或組合邏輯控制部件的設(shè)計(jì)方式。這樣通過(guò)EDA平臺(tái)，可以將學(xué)生各自的設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)出來(lái)，加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的生動(dòng)性。

3結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)現(xiàn)狀的分析和研究，結(jié)合目前在教學(xué)實(shí)踐中已采用的部分措施，提出了在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中采用EDA平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)課程實(shí)踐的方案。通過(guò)采用EDA平臺(tái)，可以將學(xué)生各自的設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)出來(lái)，加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的生動(dòng)性，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還能夠在一定程度上提高學(xué)生的實(shí)踐能力。采用EDA平臺(tái)對(duì)Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行課程實(shí)踐，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的其他知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐起到了一個(gè)先導(dǎo)的作用。

參考文獻(xiàn)

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[2] 易小琳等. 基于EDA平臺(tái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程虛擬化實(shí)踐的研究[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2005，(7).

[3] 易小琳等. 網(wǎng)上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2002，(11).

[4] 易小琳，朱文軍，魯鵬程. 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教程―基于EDA平臺(tái)[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介

魯鵬程(1976-)，男，講師，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組教師，博士，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)。

易小琳(1959-)，女，高級(jí)工程師、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組主講教授，碩導(dǎo)，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)。

朱文軍(1974-)，男，講師，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組教師，博士，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)。

方娟(1973-)，女，副教授，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研組教師，博士，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)。

毛國(guó)君(1966-)，男，教授，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系主任，博士，目前研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)挖掘。

聯(lián)系方式：北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京朝陽(yáng)區(qū)平樂(lè)園100號(hào)，100022，魯鵬程

篇4

課程代碼：02325

請(qǐng)考生按規(guī)定用筆將所有試題的答案涂、寫(xiě)在答題紙上。

選擇題部分

注意事項(xiàng)：

1.答題前，考生務(wù)必將自己的考試課程名稱、姓名、準(zhǔn)考證號(hào)用黑色字跡的簽字筆或鋼筆填寫(xiě)在答題紙規(guī)定的位置上。

2.每小題選出答案后，用2B鉛筆把答題紙上對(duì)應(yīng)題目的答案標(biāo)號(hào)涂黑。如需改動(dòng)，用橡皮擦干凈后，再選涂其他答案標(biāo)號(hào)。不能答在試題卷上。

一、單項(xiàng)選擇題（本大題共10小題，每小題1分，共10分）

在每小題列出的四個(gè)備選項(xiàng)中只有一個(gè)是符合題目要求的，請(qǐng)將其選出并將“答題紙”的相應(yīng)代碼涂黑。錯(cuò)涂、多涂或未涂均不得分。

1.以下能夠直接執(zhí)行微指令的是

A.匯編程序 B.編譯程序

C.硬件 D.固件

2.系列機(jī)軟件應(yīng)做到

A.向前兼容，并向上兼容 B.向后兼容，力爭(zhēng)向上兼容

C.向下兼容，并向前兼容 D.向后兼容，力爭(zhēng)向下兼容

3.在浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)下溢處理時(shí)，誤差，但下溢處理不需要時(shí)間，平均誤差又趨于0的方法是

A.截?cái)喾?B.舍入法

C.ROM查表法 D.恒置“l(fā)”法

4.在IBM370系統(tǒng)中，支持操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程公用區(qū)管理最有效的指令是

A.“測(cè)試與置定”指令 B.“比較與交換”指令

C.“執(zhí)行”指令 D.“程序調(diào)用”指令

5.采用組相聯(lián)映像、LRU替換算法的Cache存儲(chǔ)器，不影響Cache命中率的方法是

A.增加Cache中的塊數(shù) B.增大組的大小

C.增大主存容量 D.增大塊的大小

6.采用組相聯(lián)映像的Cache存儲(chǔ)器，可用于地址變換的方法是

A.目錄表法 B.比較對(duì)法

C.頁(yè)表法 D.堆棧法

7.ILLIAC-IV陣列處理機(jī)中，PE之間所用的互連函數(shù)是

A.PM2±0和PM2±3 B.Cube0和Cubel

C.Shuffle D.PM2±2

8.并行處理機(jī)有16個(gè)處理單元，編號(hào)為0～l5，采用shuffle單級(jí)網(wǎng)絡(luò)互連，與13號(hào)處理單元相連的處理單元的編號(hào)是

A.15 B.11

C.9 D.7

9.間接二進(jìn)制n方體網(wǎng)絡(luò)是一種

A.多級(jí)混洗交換網(wǎng)絡(luò) B.單級(jí)立方體網(wǎng)絡(luò)

C.多級(jí)全排列網(wǎng)絡(luò) D.多級(jí)立方體網(wǎng)絡(luò)

10.多處理機(jī)程序段的指令之間存在數(shù)據(jù)反相關(guān)時(shí)，下列說(shuō)法正確的是

A.不能并行 B.適當(dāng)同步控制，可以并行

C.可以交換串行 D.若指令滿換律，可以交換串行

非選擇題部分

注意事項(xiàng)：

用黑色字跡的簽字筆或鋼筆將答案寫(xiě)在答題紙上，不能答在試題卷上。

二、填空題（本大題共10小題，每小題2分，共20分）

11.從計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的角度看，并行性等級(jí)由低到高可分為_(kāi)_______、________、任務(wù)或進(jìn)程間和作業(yè)或程序間四級(jí)。

12.浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)基值增大，可使運(yùn)算中的精度損失________，可表示數(shù)的精度________。

13.中斷系統(tǒng)軟硬件功能分配實(shí)質(zhì)是中斷________軟件和中斷________硬件的功能分配。

14.數(shù)據(jù)寬度是指I/O設(shè)備取得________后所傳送數(shù)據(jù)的總量；數(shù)據(jù)通路寬度是________的物理寬度。

15.虛擬存儲(chǔ)器主要是為解決主存________滿足不了要求發(fā)展出來(lái)的；Cache存儲(chǔ)器是為了解主存________滿足不了要求發(fā)展出來(lái)的。

16.虛擬存儲(chǔ)器對(duì)________程序員是透明的，對(duì)________程序員是不透明的。

17.解決重疊相關(guān)處理的兩種基本方法是推后________和設(shè)置________。

18.按多功能流水線的各段能否允許同時(shí)用于多種不同功能連接流水，可把流水線分為_(kāi)_______流水線和________流水線。

19.N個(gè)處理單元的混洗交換網(wǎng)絡(luò)中，最遠(yuǎn)的兩個(gè)人、出端的二進(jìn)制編號(hào)是________和________，其距離為2log2N—l。

20.松耦合多處理機(jī)可以有________型和________型兩種構(gòu)形。

三、簡(jiǎn)答題（本大題共5小題，每小題6分，共30分）

21.簡(jiǎn)述通道的3種類型各適合連接什么類型設(shè)備，說(shuō)明各種類型通道在滿負(fù)荷時(shí)的實(shí)際流量與所連接設(shè)備的關(guān)系。

22.簡(jiǎn)述并行性從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的角度劃分的四個(gè)等級(jí)，并各舉一例。

23.簡(jiǎn)述透明性概念，說(shuō)明下列哪些對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是透明的。

浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示；字符串運(yùn)算指令；陣列運(yùn)算部件；通道是采用結(jié)合型還是獨(dú)立型；訪問(wèn)方式保護(hù)；數(shù)據(jù)總線寬度；Cache存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)器的最小編址單位；存儲(chǔ)器的模M交叉存取，串行、重疊還是流水控制方式。

24.簡(jiǎn)述數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及引入高級(jí)數(shù)據(jù)表示的基本原則。

25.簡(jiǎn)述實(shí)現(xiàn)指令的重疊解釋必須在計(jì)算機(jī)組成上滿足的要求。

四、簡(jiǎn)單應(yīng)用題（本大題共2小題，每小題10分，共20分）

26.機(jī)器有5級(jí)中斷，中斷響應(yīng)次序?yàn)?2345，現(xiàn)要求實(shí)際中斷處理次序?yàn)?3154。

(1)設(shè)計(jì)各級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位的狀態(tài)，令“0”為開(kāi)放，“l(fā)”為屏蔽；

(2)若運(yùn)行用戶程序時(shí)，同時(shí)發(fā)生1、3級(jí)中斷請(qǐng)求，而在l級(jí)中斷服務(wù)未完成時(shí)，又發(fā)生2、3、4、5級(jí)中斷，請(qǐng)畫(huà)出處理機(jī)執(zhí)行程序全過(guò)程的示意圖（標(biāo)出交換PSW的時(shí)間）。

27.求A1、A2、…、A8的累加和，有如下程序。

Sl A1=A1+A2

S2 A3=A3+A4

S3 A5=A5+A6

S4 A7=A7+A8

S5 A1=A1+A3

S6 A5=A5+A7

S7 A1=A1+A5

寫(xiě)出用FORK、JOIN語(yǔ)句表示其并行任務(wù)的派生和匯合關(guān)系的程序，以假想使此程序能在多處理機(jī)上運(yùn)行。

五、綜合應(yīng)用題（本大題共2小題，每小題10分，共20分）

28.有一個(gè)4段的單功能非線性流水線，其預(yù)約表如題28表：

題28表

時(shí)鐘

時(shí)鐘 段號(hào)t1t2t3t4t5t6

S1√√

S2 √√

S3 √

S4 √

(1)分別寫(xiě)出延遲禁止表F，沖突向量C，并畫(huà)出沖突向量的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；

(2)寫(xiě)出其流水線的調(diào)度方案及此時(shí)的吞吐率。

篇5

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件和軟件的功能結(jié)構(gòu)及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，分析了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，討論了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論和相關(guān)技術(shù)。從原理、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)等方面，側(cè)重對(duì)RISC結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)、陣列處理機(jī)、多處理機(jī)系統(tǒng)、智能計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較深入的分析和探討，使計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生具有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和培養(yǎng)學(xué)生具有一定的體系結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用能力。為今后從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用的研究、開(kāi)發(fā)、工程實(shí)現(xiàn)有重要的指導(dǎo)意義。

但這樣的一門課程，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，與學(xué)生交流時(shí)，多數(shù)同學(xué)認(rèn)為理論性太強(qiáng)，難度大，更主要的原因是在學(xué)生的思想認(rèn)識(shí)上，認(rèn)為學(xué)了沒(méi)用。于是在課堂上不認(rèn)真聽(tīng)講，看一些自己認(rèn)為有用的書(shū)，甚至出現(xiàn)逃課現(xiàn)象。也許是處于各種原因，在一些高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課已經(jīng)從教學(xué)計(jì)劃中抹掉了，或者把它與計(jì)算機(jī)組成原理結(jié)合，可能只占很少的份額。在2010年5月9日，由教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)和高等教育出版社組織召開(kāi)福建省高校計(jì)算機(jī)專業(yè)課程建設(shè)研討會(huì)上，其他高校也同樣存在學(xué)生對(duì)這門課的學(xué)習(xí)積極性不高，對(duì)應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)難以開(kāi)展的問(wèn)題。

如何尋找這門課程的出路，提高教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣呢？其實(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論和相關(guān)技術(shù)與SOPC(可編程的片上系統(tǒng))有著緊密的聯(lián)系。SOPC是一個(gè)面向應(yīng)用、嶄新的、富有生機(jī)的嵌入式系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)中，將課

本的理論知識(shí)結(jié)合到SOPC的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合，增加應(yīng)用型實(shí)踐教學(xué)，必將能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1SOPC的系統(tǒng)概述

隨著IC設(shè)計(jì)和工藝水平不斷提高，在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上完成系統(tǒng)級(jí)的集成已成為可能，數(shù)字技術(shù)進(jìn)入片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)時(shí)代。SOPC是Altera公司提出來(lái)的一種靈活、高效的SoC解決方案，它將CPU、存儲(chǔ)器、I／O接口、DSP模塊、低電壓差分技術(shù)(LVDS)、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)(CDR)以及瑣相環(huán)(PLL)等系統(tǒng)設(shè)計(jì)所必須的模塊集成到一片F(xiàn)PGA上，構(gòu)成一個(gè)可編程片上系統(tǒng)。SOPC是PLD和ASIC技術(shù)的融合的結(jié)果。它具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的方向[1]。

實(shí)現(xiàn)SOPC的一種解決方案是應(yīng)用FPGA生產(chǎn)廠商Altera公司推出的NiosⅡ嵌入式處理器。NiosⅡ是一種面向用戶的可以靈活定制的通用RISC(精簡(jiǎn)指令集架構(gòu))的嵌入式CPU，NiosⅡ以軟核的方式提供給用戶，并專為在Altera的FPGA上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，用于SOPC集成并在FPGA上實(shí)現(xiàn)。用戶根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用QuartusⅡ和SOPC Builder對(duì)NiosⅡ及其系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，使嵌入式系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資源占用等全方面滿足用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。另外在基于NiosⅡ軟核嵌入式的SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以通過(guò)定制指令的方式，為嵌入式處理器配置專有硬件加速器，以便能更有效地處理含有算法模型的程序，從而可以利用FPGA的可重配置的特性向FPGA配置相應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)，從而使SOPC系統(tǒng)高效高速工作。

SOPC在應(yīng)用和理論知識(shí)構(gòu)成上達(dá)到了一種有機(jī)融合，由于同時(shí)涉及底層的硬件系統(tǒng)和相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，SOPC技術(shù)使開(kāi)發(fā)者能夠在軟硬件系統(tǒng)的綜合與構(gòu)建兩個(gè)方面發(fā)揮自己的創(chuàng)造力和想象力，從而多角度、多因素和多結(jié)構(gòu)層面對(duì)自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。SOPC從設(shè)計(jì)層次上講分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；從設(shè)計(jì)流程上講是典型的自頂向下的流程；從設(shè)計(jì)手段上講，它更廣泛和深入地利用計(jì)算機(jī)這一科研開(kāi)發(fā)的主流技術(shù)，在這一平臺(tái)上設(shè)計(jì)者可以最大限度地優(yōu)化系統(tǒng)的性能。SOPC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程如圖1所示[2]。

圖1SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2應(yīng)用型硬件平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)室原有的設(shè)備只能用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，各種實(shí)驗(yàn)集中在一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱上，線路繁雜，出錯(cuò)率高，且設(shè)備陳舊，實(shí)驗(yàn)的成功率很低，不能達(dá)到預(yù)期的目的和效果。在這種條件下，要讓學(xué)生完成某種模型機(jī)的設(shè)計(jì)難度較大，沒(méi)有多大的實(shí)用價(jià)值，不能激發(fā)學(xué)生的興趣。搭建一個(gè)基于FPGA的SOPC嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)，在這樣一個(gè)具有設(shè)計(jì)靈活，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)并具備軟硬件系統(tǒng)可編程的功能系統(tǒng)上，學(xué)生可以更自由發(fā)揮。利用現(xiàn)有的IP核進(jìn)行裁剪，設(shè)計(jì)自己需要的CPU，根據(jù)需要增設(shè)特殊的功能指令，實(shí)用性強(qiáng)，難度不大，有利于激發(fā)學(xué)生的興趣。

硬件平臺(tái)以滿足實(shí)驗(yàn)最基本需要為主，提供一個(gè)簡(jiǎn)單、清晰和接線方便的FPGA最小系統(tǒng)，降低硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性，最小系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。系統(tǒng)的核心芯片采用Altera公司的FPGA芯片Cyclone EP1C6,它具有9 800個(gè)邏輯單元，用戶I/O有185個(gè)，使用最新型的AS配置方式，配置芯片EPCS4。一個(gè)JTAG接口和一個(gè)AS接口用于系統(tǒng)的調(diào)試和下載，F(xiàn)lash閃存用于存儲(chǔ)嵌入式操作系統(tǒng)uCLINUX和用戶數(shù)據(jù)程序。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以創(chuàng)建一款不管在外設(shè)、存儲(chǔ)器接口、性能特性等方面，以及在成本上都較為完美的處理器；可在一片F(xiàn)PGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)多個(gè)處理器內(nèi)核的設(shè)計(jì)；流水線的應(yīng)用設(shè)計(jì)；uCLINUX嵌入式操作系統(tǒng)的移植等應(yīng)用型操作。

圖2最小SOPC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

若需要有RS232、以太網(wǎng)、VGA、音頻接口和USB2.0接口等，可以擴(kuò)展一塊副板，主板與副板間通過(guò)擴(kuò)展I/O連接。

3應(yīng)用型課程實(shí)踐項(xiàng)目

從原理、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)等方面，將RISC結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)、多處理機(jī)系統(tǒng)和存儲(chǔ)器的理論知識(shí)和相關(guān)技術(shù)結(jié)合到一個(gè)面向應(yīng)用、嶄新的、富有生機(jī)的SOPC嵌入式系統(tǒng)上，可從以下幾個(gè)方面將課本的理論知識(shí)與SOPC系統(tǒng)結(jié)合。

1)Nios II處理器設(shè)計(jì)。

NiosⅡ嵌入式處理器是一種面向用戶的可以靈活定制的通用RISC(精簡(jiǎn)指令集架構(gòu))的嵌入式CPU，Nios II以軟核的方式提供給用戶，并專為在Altera的FPGA上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，用于SOPC集成并在FPGA上實(shí)現(xiàn)。學(xué)生通過(guò)使用Altera的QuartusII軟件、SOPC Builder工具及NiosⅡ集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，將Nios II處理器嵌入到SOPC系統(tǒng)中。從系統(tǒng)的性能要求、從軟硬件取舍的基本原則、從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的定量設(shè)計(jì)原理等方面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理論知識(shí)，來(lái)確定是否要為嵌入式處理器配置專有硬件加速器；如為嵌入式處理器配置專有硬件乘法加速器，以便能更有效地處理含有算法模型的程序，從而使SOPC系統(tǒng)高效高速工作。另外，根據(jù)需要為Nios II系統(tǒng)添加片內(nèi)存儲(chǔ)器、PIO、UART和片外存儲(chǔ)器接口等。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生加深對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，同時(shí)也加深了對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理解。

2)μClinux操作系統(tǒng)的移植。

此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)主要用嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證自己定制的NiosⅡ嵌入式處理器是否可行，操作系統(tǒng)的移植是SOPC的一個(gè)組成部分。時(shí)也可與ARM等硬核嵌入式處理器做個(gè)比較。

3)流水線的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

利用流水處理機(jī)的工作原理，加快單位時(shí)間串行的任務(wù)數(shù)。這是也開(kāi)發(fā)并行性的途徑之一時(shí)間重疊，時(shí)間重疊(Time Interleaving)是在并行性概念中引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，加快硬件周轉(zhuǎn)來(lái)贏得速度。在這個(gè)應(yīng)用設(shè)計(jì)中，可以讓學(xué)生完成流水線加法器的設(shè)計(jì)、流水線乘法器的設(shè)計(jì)、流水線技術(shù)的FIR濾波器等應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)[3]。從而提高學(xué)生對(duì)流水處理機(jī)相關(guān)知識(shí)的理解。流水線加法器和流水線乘法器屬于流水線分類中的部件級(jí)流水，流水線分類的概念在這也得以體現(xiàn)。

4) 多核系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

所謂多核是指在一個(gè)處理器中集成兩個(gè)或多個(gè)完整的計(jì)算引擎(內(nèi)核從而提高運(yùn)行速率和降低能

耗，實(shí)現(xiàn)橫向擴(kuò)展提高性能)多核架構(gòu)能夠使目前的軟件更出色地運(yùn)行。并創(chuàng)建一個(gè)促進(jìn)未來(lái)軟件編寫(xiě)更趨完善的架構(gòu)[4]。SOPC Builder允許用戶輕松添加多個(gè)處理器到系統(tǒng)中。因此建立多處理器系統(tǒng)的難點(diǎn)已不再是硬件的排列和連接。而在于多個(gè)處理器的軟件設(shè)計(jì)，使它們正常操作，相互之間不產(chǎn)生沖突。

在課程中講授多處理機(jī)的知識(shí)。多處理機(jī)是指有兩臺(tái)以上的處理機(jī)，共享I/O子系統(tǒng)，機(jī)間經(jīng)共享主存或高速通信絡(luò)通信，在操作系統(tǒng)控制下，協(xié)同求解大而復(fù)雜問(wèn)題的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。使用多處理機(jī)有兩個(gè)目的，一個(gè)目的是想通過(guò)多臺(tái)處理機(jī)對(duì)多個(gè)作業(yè)、任務(wù)進(jìn)行并行執(zhí)行來(lái)提高求解大而復(fù)雜問(wèn)題的速度，從而提高系統(tǒng)的整體性能。另一個(gè)目的則是使用冗余的多個(gè)處理機(jī)，通過(guò)重新組織來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性、適應(yīng)性和可用性。多核和多處理機(jī)系統(tǒng)有很多相同的地方，可讓學(xué)生應(yīng)用多處理機(jī)的知識(shí)解決多核協(xié)調(diào)處理的問(wèn)題。

4結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的理論和相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于SOPC系統(tǒng)遠(yuǎn)不止這些。隨著SOPC系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)將會(huì)被更多人所重視。開(kāi)展應(yīng)用型實(shí)踐教學(xué)，適當(dāng)減少理論教學(xué)，或通過(guò)實(shí)踐教學(xué)使學(xué)生自覺(jué)學(xué)習(xí)理論知識(shí)，而不是被動(dòng)學(xué)習(xí)。學(xué)生能夠?qū)W以致用，對(duì)激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，提高畢業(yè)設(shè)計(jì)水平、工作就業(yè)質(zhì)量等，都將起到積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 華清遠(yuǎn)見(jiàn)嵌入式培訓(xùn)中心．FPGA應(yīng)用開(kāi)發(fā)入門與典型實(shí)例[M]．北京:人民郵電出版社,2008:269-273．

[2] 任愛(ài)鋒,初秀琴,常存,等．基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004:197-198.

[3] 崔秀敏．基于FPGA的流水線技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．科技信息,2010(7):76-77.

[4] 李歡,王莉莎,董麗麗．基于FPGA的多核嵌入式系統(tǒng)研究[J]．現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2010(4):33-36.

Based on SOPC the Computer Architecture Application Teaching Discussion

ZHU Shilang

(College of Computer and Information, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

篇6

一、引言

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》是計(jì)算機(jī)學(xué)科體系的一門重要課程，它是以算法為核心，語(yǔ)言為描述，硬件和軟件作為實(shí)現(xiàn)工具的互為聯(lián)系又互為制約的結(jié)構(gòu)技術(shù)。課程以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中硬中有軟、軟中有硬、相互轉(zhuǎn)換、彼此滲透的觀點(diǎn)，從原理、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)等方面系統(tǒng)地對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的并行處理進(jìn)行深入的分析和探討，使學(xué)生建立起“整機(jī)”概念，培養(yǎng)其具有一定體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用能力?！坝?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”涉及到多門其他專業(yè)課如《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《操作系統(tǒng)》的知識(shí)，是一門綜合性很強(qiáng)的課程，非常典型地體現(xiàn)出計(jì)算機(jī)學(xué)科互相融合的特點(diǎn)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)能夠提高學(xué)生系統(tǒng)思維和綜合分析的能力，努力提高這門課程的教學(xué)質(zhì)量有著重要的意義。

由于“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”內(nèi)容抽象，不易理解，且目前各高校在該課程的教學(xué)中實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都比較薄弱，有的院校甚至沒(méi)有安排實(shí)驗(yàn)，因此難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)難度比較大。因此，需要在目前的教學(xué)條件下，綜合應(yīng)用多種教學(xué)方式和手段，引導(dǎo)學(xué)生積極思考和自主學(xué)習(xí)。

二、課程教學(xué)改革總結(jié)

（一）課程教學(xué)改革的基本思路

教學(xué)過(guò)程中教師不單要教會(huì)學(xué)生課程的知識(shí)，更重要的是教會(huì)學(xué)生如何思考，如何進(jìn)行創(chuàng)造性思維。具備了創(chuàng)造性思維能力，學(xué)生不僅可以學(xué)會(huì)教師傳授的知識(shí)，而且能夠觸類旁通，舉一返三，在自身的思維實(shí)踐中獲取更多的知識(shí)。教師為學(xué)生服務(wù)，以培養(yǎng)學(xué)生的能力為目標(biāo)。在師生角色上，教師是主導(dǎo)，學(xué)生是主體，主要采用“引導(dǎo)”的方式進(jìn)行教學(xué)，把學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生。

（二）課程教學(xué)內(nèi)容的安排

以教學(xué)大綱為根據(jù)安排本課程內(nèi)容，著眼于有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)和基本分析方法，同時(shí)適當(dāng)介紹近幾年來(lái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要進(jìn)展和今后的發(fā)展方向。課程選擇西安電子科技大學(xué)出版社出版的《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》（第四版，李學(xué)干編著）作為教材，該書(shū)曾獲得國(guó)家級(jí)優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)和優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)，內(nèi)容豐富，配有學(xué)習(xí)指導(dǎo)和大量習(xí)題。

本課程的主要內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論、數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、存儲(chǔ)體系、重疊與流水和并行處理機(jī)等。以前面五個(gè)部分為重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，講解時(shí)注意與先修課《計(jì)算機(jī)組成原理與數(shù)字邏輯》的銜接，特別要體現(xiàn)出“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”側(cè)重于設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思想的描述這個(gè)不同點(diǎn)。

（三）課程教學(xué)手段的運(yùn)用

（1）樹(shù)立明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)

在課程正式開(kāi)始之前先對(duì)“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的主要內(nèi)容、學(xué)習(xí)重點(diǎn)和基本學(xué)習(xí)方法作一個(gè)總體性介紹，使學(xué)生對(duì)該課程有一個(gè)大致的認(rèn)識(shí)；在課程的每一章開(kāi)始講解之前，首先也要明確指出這一章的學(xué)習(xí)目標(biāo)，讓學(xué)生把這個(gè)目標(biāo)貫穿在學(xué)習(xí)過(guò)程中。例如，第一章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論就是要抓住系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)的關(guān)系以及軟硬取舍的基本原則、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路；第四章存儲(chǔ)體系的學(xué)習(xí)目標(biāo)就是要理解虛擬存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器的管理方式與原理。如此，學(xué)生學(xué)習(xí)的目的更加明確，更容易抓住學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。

（2）多種教學(xué)方式相結(jié)合

課堂教學(xué)宜采用多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)相結(jié)合的方式。多媒體教學(xué)無(wú)疑是目前高等院校普遍采用的優(yōu)秀教學(xué)手段，以其形象的圖文與特效演示對(duì)于加深學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)很有幫助；而傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)也有其適用的場(chǎng)合，比如在介紹指令系統(tǒng)操作碼的哈弗曼編碼、發(fā)生中斷時(shí)程序的運(yùn)行過(guò)程以及流水線時(shí)-空?qǐng)D畫(huà)法時(shí)就應(yīng)該采用板書(shū)來(lái)演示，這樣不僅能與學(xué)生有良好的互動(dòng)，還能夠更清晰地講解知識(shí)要點(diǎn)。

另外，課外時(shí)間可以充分利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)強(qiáng)化教學(xué)效果，比如，利用論壇教學(xué)課件、提供閱讀資料，利用電子郵件進(jìn)行答疑輔導(dǎo)，這些對(duì)拓展學(xué)生的知識(shí)面、提高教學(xué)效率很有好處。

（3）啟發(fā)式教學(xué)，注重能力的培養(yǎng)

“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是一門理論居多的課程，單向灌輸算法思想必然不利于知識(shí)的掌握。授課時(shí)應(yīng)多采用設(shè)計(jì)提問(wèn)，啟發(fā)思維的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。

在教學(xué)工作中，還要注意培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)方法和自學(xué)能力。引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷總結(jié)自己的學(xué)習(xí)方法，學(xué)會(huì)運(yùn)用各種手段來(lái)獲取知識(shí)，例如，可以布置學(xué)生課外通過(guò)查找資料完成有關(guān)“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”最新發(fā)展的小論文。

三、課程教學(xué)改革實(shí)踐案例

（1）堆棧型替換算法原理的教學(xué)案例

在存儲(chǔ)體系這一章中，虛擬存儲(chǔ)器替換算法的實(shí)現(xiàn)是教學(xué)的重點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)。如果按照教材內(nèi)容編排的順序，直接給出抽象的邏輯表達(dá)式介紹堆棧型替換算法的定義，勢(shì)必不利于學(xué)生對(duì)算法的理解。取而代之，先舉出實(shí)例，比如使用LRU法對(duì)頁(yè)地址流進(jìn)行一次堆棧處理，從處理結(jié)果總結(jié)出主存頁(yè)數(shù)與命中率的關(guān)系，由此來(lái)說(shuō)明命中率隨主存頁(yè)數(shù)的增加而單調(diào)上升，至少不會(huì)下降[1]，具有這種特性的算法就稱為堆棧型替換算法。此時(shí)再引出邏輯表達(dá)式，將表達(dá)式的各個(gè)部分與實(shí)例相對(duì)應(yīng)，進(jìn)行歸納，給出堆棧型替換算法的定義，這樣，學(xué)生就順理成章地理解了算法的內(nèi)涵。從教學(xué)效果來(lái)看，絕大部分學(xué)生能夠準(zhǔn)確地掌握該替換算法的涵義和替換過(guò)程。

（2）改進(jìn)指令系統(tǒng)的教學(xué)案例

在數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)這一章中，介紹指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改進(jìn)的兩個(gè)主要方向時(shí)，CISC和RISC是一對(duì)需要學(xué)生重點(diǎn)理解的概念。前者是按增強(qiáng)指令功能的方向發(fā)展指令系統(tǒng)，而后者是按簡(jiǎn)化指令功能的方向改進(jìn)指令系統(tǒng)。學(xué)生應(yīng)該了解兩者設(shè)計(jì)思想有哪些不同點(diǎn)，CISC和RISC分別采用哪些基本技術(shù)，有哪些典型的應(yīng)用，它們分別存在哪些不足和問(wèn)題，為什么說(shuō)今后的發(fā)展應(yīng)是CISC和RISC的結(jié)合。為了說(shuō)明這些問(wèn)題，可以讓學(xué)生自己去查找實(shí)例資料，了解IBM 370、Intel i486、IBM6150、Intel i860這幾個(gè)處理機(jī)采用的技術(shù)，讓他們自己去分析查找答案。通過(guò)這種教學(xué)方式，不僅加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，而且提高了他們查閱資料的能力。

另外，其他章節(jié)也有可以擴(kuò)展的問(wèn)題，比如，第7章多處理機(jī)的講解可以結(jié)合目前熱門的多核處理器，這兩者的主要問(wèn)題是一致的；更進(jìn)一步地，可以讓學(xué)生去了解單芯片多處理器(CMP)與同時(shí)多線程處理器(SimultaneousMultithreading，SMT)，這兩種體系結(jié)構(gòu)可以充分利用指令級(jí)并行性和線程級(jí)并行性，從而顯著提高性能。

四、結(jié)束語(yǔ)

篇7

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

精品課程建設(shè)是教育部啟動(dòng)的“高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,是提高教學(xué)質(zhì)量進(jìn)而提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的奠基性工作。我校2008年開(kāi)始啟動(dòng)“校級(jí)精品課程建設(shè)計(jì)劃”,我院的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程被評(píng)為首屆校級(jí)精品課程。下面就課程定位、教學(xué)體系建設(shè)、知識(shí)模塊、教學(xué)模式、相關(guān)教學(xué)研究等方面介紹對(duì)該課程建設(shè)的探索與實(shí)踐。

1課程的基本定位和教學(xué)目標(biāo)

在計(jì)算機(jī)專業(yè)人才需求越來(lái)越多的情況下,北京市對(duì)計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)的技術(shù)人員也加大了需求量,在這樣的形勢(shì)下,我們建立了新的計(jì)算機(jī)硬件課程體系,對(duì)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的定位也越來(lái)越明確。我校的計(jì)算機(jī)專業(yè)主要為北京市培養(yǎng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才,學(xué)生的就業(yè)取向大多數(shù)是北京市的高新技術(shù)企業(yè)。因此,我們從教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)大綱、教學(xué)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)和工具等方面均做了改革和調(diào)整,以適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展的需要。具體措施為:

(1) 通過(guò)“數(shù)字邏輯”解決數(shù)字邏輯電路的基本概念和原理;

(2) 通過(guò)“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等課程讓學(xué)生掌握現(xiàn)代的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)和工具(EDA、FPGA等),以及簡(jiǎn)單電子部件的設(shè)計(jì)技術(shù);

(3) 通過(guò)“計(jì)算機(jī)組成原理”解決計(jì)算機(jī)的基本組成原理與技術(shù)問(wèn)題;

(4) 通過(guò)“計(jì)算機(jī)接口技術(shù)”、“高檔微機(jī)系統(tǒng)”課程使學(xué)生掌握微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試基本概念和方法,提高學(xué)生工程素質(zhì)和設(shè)計(jì)、技術(shù)創(chuàng)新等方面的基本知識(shí)。

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和分析設(shè)計(jì)中,理解軟硬界面分配及如何最佳、最合理地分配硬件功能,即提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比方面的知識(shí);“嵌入式系統(tǒng)”等系列課程,讓學(xué)生在“嵌入式系統(tǒng)”、“微機(jī)系統(tǒng)及接口”等面向應(yīng)用的專業(yè)方向上進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

在“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的教學(xué)中,以提高計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比為重點(diǎn),輔以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展中的新技術(shù),如流水線技術(shù)、并行技術(shù)等,最終的目標(biāo)是提高學(xué)生從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析這一層次來(lái)研究和分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力,幫助學(xué)生建立整機(jī)系統(tǒng)的概念;使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)、基本設(shè)計(jì)方法,掌握基本的性能分析方法,特別是量化方法;并對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀有所了解。本課程強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和自頂向下、系統(tǒng)地分析和解決問(wèn)題的能力,強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

2知識(shí)模塊順序

本課程在建設(shè)中注重知識(shí)更新、創(chuàng)新教育,在2008年5月我校正式獲得批準(zhǔn)成為《英特爾“多核技術(shù)課程”大學(xué)計(jì)劃》合作伙伴,成立了“北京工業(yè)大學(xué)――Intel多核技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”,并得到Intel公司的多核服務(wù)器及相關(guān)軟件的捐贈(zèng),在此基礎(chǔ)上,本課程在授課過(guò)程中增加了多核技術(shù)的內(nèi)容,使學(xué)生在課堂上能接觸到更多的新知識(shí)。具體知識(shí)模塊順序如下:

(1) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí):計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)以及與計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系,并對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)未來(lái)的發(fā)展做相應(yīng)的介紹。

(2) 指令系統(tǒng):計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度介紹指令系統(tǒng)及與之相關(guān)的數(shù)據(jù)表示和尋址技術(shù)等。

(3) 存儲(chǔ)系統(tǒng):計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一是如何以合理的價(jià)格、設(shè)計(jì)容量和速度滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。本模塊從存儲(chǔ)層次出發(fā),介紹多級(jí)存儲(chǔ)體系及各級(jí)存儲(chǔ)器。

(4) 流水線處理技術(shù):本章主要介紹流水線技術(shù)的基本概念、工作方式、流水線的分類和流水線在向量處理機(jī)中的應(yīng)用。

(5) 并行處理技術(shù):并行處理技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用,互連網(wǎng)絡(luò)的基本概念、幾種典型的互連網(wǎng)結(jié)構(gòu)和消息傳遞機(jī)制。

(6) 多處理機(jī)及新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu):多處理機(jī)模型和基本結(jié)構(gòu),多處理機(jī)結(jié)構(gòu)、性能和實(shí)例,介紹數(shù)據(jù)流機(jī)、歸約機(jī)和智能計(jì)算機(jī)等的工作原理、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)等。

(7) 多核技術(shù):多核處理器的基本概念、分類和工作原理。

3建立理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)體系

本課程在近幾年的建設(shè)中,針對(duì)原課程計(jì)劃中沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的缺陷,通過(guò)加強(qiáng)對(duì)國(guó)內(nèi)外大學(xué)該課程進(jìn)行調(diào)查和研究,建立了本課程的實(shí)驗(yàn)體系。通過(guò)兩部分的實(shí)驗(yàn)來(lái)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)流水線技術(shù)的理解。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是:

(1) 在掌握基本原理的基礎(chǔ)上,通過(guò)使用WinDLX模擬器對(duì)流水線處理和指令調(diào)度進(jìn)行測(cè)試,加深對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)、資源相關(guān)的理解,了解這兩類相關(guān)對(duì)CPU性能的影響以及如何用定向技術(shù)來(lái)解決。

(2) 設(shè)計(jì)四個(gè)流水線功能段的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn),包括取指、譯碼、執(zhí)行、寫(xiě)回階段,分析并設(shè)計(jì)流水線CPU各功能段的基本硬件結(jié)構(gòu),并用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言加以實(shí)現(xiàn),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,最后提交規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。隨著實(shí)驗(yàn)的不斷完善,未來(lái)將增加多核方面的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)體系的改革使本課程的教學(xué)過(guò)程更加完整,學(xué)生能夠從實(shí)驗(yàn)中加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的技術(shù)的理解,使抽象的內(nèi)容變得具體化。

本課程的實(shí)驗(yàn)為8學(xué)時(shí),具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示:

由于學(xué)時(shí)的限制,上述實(shí)驗(yàn)中1、2為必選題目,3～6可以任選一個(gè)。

4啟發(fā)式教學(xué)模式的建立

新教學(xué)模式的建立打破了以往純粹課堂講授的方式,采用創(chuàng)新型的教學(xué)模式:啟發(fā)式課堂講授、主題討論、自主學(xué)習(xí)三種方式的結(jié)合。啟發(fā)式教育的核心就是要培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新思維。在課堂中,每章節(jié)均設(shè)置相關(guān)的思考題和與前沿技術(shù)有關(guān)的研究性專題,鼓勵(lì)學(xué)生自主查閱資料,提出問(wèn)題,增強(qiáng)師生互動(dòng)。在此過(guò)程中,突出自主學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí),全面提高學(xué)生的思維能力、解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新能力。教學(xué)過(guò)程模型如圖1所示:

在上述基礎(chǔ)上,還采用了課堂授課與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式,將多種現(xiàn)代教學(xué)媒體與自主開(kāi)發(fā)的多媒體課件、課程教學(xué)網(wǎng)站優(yōu)化組合,構(gòu)建課堂授課與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境?！坝?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學(xué)網(wǎng)站為學(xué)生提供了豐富的教學(xué)資源和良好的交流平臺(tái),如提供教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)團(tuán)隊(duì)、教學(xué)錄像、教學(xué)課件、參考教材、習(xí)題與作業(yè)、自測(cè)題等資源;網(wǎng)站除了為課程提供基本的信息外,強(qiáng)調(diào)教師與學(xué)生的互動(dòng)交流,教師可以針對(duì)核心問(wèn)題設(shè)置分組,論壇帖子置頂,推薦精華帖,公告,設(shè)置論壇風(fēng)格等;學(xué)生可以針對(duì)某個(gè)問(wèn)題發(fā)帖討論,站內(nèi)搜索,收藏帖子等;論壇的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行定期自動(dòng)備份(如一天一備份),同時(shí)可以以一周或幾天為單位,自動(dòng)刪除前一周或幾天的數(shù)據(jù)庫(kù)備份文件,達(dá)到既維護(hù)數(shù)據(jù)又不使備份數(shù)據(jù)過(guò)大的目的,滿足論壇的持續(xù)性和擴(kuò)展性的要求。

5結(jié)語(yǔ)

隨著精品課程建設(shè)的不斷推進(jìn),課程組的教師在教材建設(shè)、教學(xué)研究方面都取得了優(yōu)秀的成果,目前由課程組合著的《計(jì)算機(jī)組成原理與匯編語(yǔ)言》、《高檔微機(jī)原理與技術(shù)》等教材均已在清華大學(xué)出版社出版,并列入國(guó)家“十一五”規(guī)劃教材;《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》一書(shū)也于2009年在清華大學(xué)出版社出版。由課程組的老師主持的三項(xiàng)教育教學(xué)項(xiàng)目現(xiàn)已通過(guò)學(xué)校中期驗(yàn)收,相關(guān)老師也在該課程的教學(xué)改革中不斷提出新的思路,力爭(zhēng)在不斷的建設(shè)中使該課程達(dá)到北京市精品課程的標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn):

篇8

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)存在如下問(wèn)題:(1)教學(xué)內(nèi)容涉及數(shù)字邏輯、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(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等專業(yè)課,綜合性強(qiáng),概念多而抽象;(2)教材內(nèi)容無(wú)法與新技術(shù)發(fā)展同步;(3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏。上述三個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致了教師授課難和學(xué)生學(xué)習(xí)難的兩難局面。為此,本文將基于理論講授、專題討論和開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)的“三位一體”教學(xué)法引入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的授課過(guò)程中。利用精心組織的課堂講授解決授課內(nèi)容綜合性強(qiáng),概念抽象的問(wèn)題;在授課過(guò)程中穿插專題討論,讓學(xué)生立足于經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法,探討新技術(shù)的發(fā)展;合理安排開(kāi)放性實(shí)驗(yàn),理論與實(shí)踐相結(jié)合,進(jìn)一步提高教學(xué)效果。

1授課內(nèi)容安排和授課方法探討

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)組成原理在課程內(nèi)容上有一定的重疊,明確兩門課程的授課內(nèi)容,既避免內(nèi)容上的重復(fù),又保證課程之間的無(wú)縫銜接,是提高授課質(zhì)量的前提。計(jì)算機(jī)組成原理主要研究計(jì)算機(jī)各功能部件的組成和工作原理,以及各部件之間的協(xié)同工作。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)著重介紹如何最佳、最合理的實(shí)現(xiàn)軟硬件的功能分配。計(jì)算機(jī)組成原理強(qiáng)調(diào)部件細(xì)節(jié),而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)全局,重點(diǎn)闡述高級(jí)語(yǔ)言、編譯、操作系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系,及性能分析中各方面的影響,避免對(duì)軟件層面的忽視[4]。

合理安排系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的授課過(guò)程是提高授課質(zhì)量的重點(diǎn)。根據(jù)授課經(jīng)驗(yàn),各知識(shí)模塊的安排順序如下:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)、指令系統(tǒng)、流水線處理技術(shù)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、多處理機(jī)技術(shù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中主要介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念,包括經(jīng)典定義和廣義定義;計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的量化方法,包括Amdahl定律、常見(jiàn)事件優(yōu)先原則、程序的局部性原理等。指令系統(tǒng)中主要明確指令集在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的位置;指令集設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則,重點(diǎn)介紹RISC和CISC設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和特點(diǎn)。流水線處理技術(shù)中重點(diǎn)介紹流水線性能指標(biāo)及計(jì)算方法;流水線設(shè)計(jì)時(shí)遇到的一些相關(guān)和沖突問(wèn)題,闡述這些問(wèn)題產(chǎn)生的原因、造成的性能損失和相應(yīng)的解決方法。存儲(chǔ)系統(tǒng)中主要介紹存儲(chǔ)層次存在的原因;衡量存儲(chǔ)層次的性能指標(biāo);Cache優(yōu)化技術(shù),包括從失效率、失效開(kāi)銷、命中時(shí)間等三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化的,并在實(shí)際中廣泛采用的技術(shù);采用一個(gè)實(shí)例如Alpha 21064或者Opteron介紹經(jīng)典的存儲(chǔ)層次,對(duì)前面所闡述的各種存儲(chǔ)技術(shù)和思想進(jìn)行總結(jié),加深同學(xué)們的理解。輸入輸出系統(tǒng)中重點(diǎn)介紹輸入輸出系統(tǒng)的重要性以及RAID。多處理機(jī)系統(tǒng)重點(diǎn)介紹Cache一致性問(wèn)題。

采用適當(dāng)?shù)氖谡n方法,運(yùn)用合理的教學(xué)手段是提高授課質(zhì)量的靈魂。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程綜合性較強(qiáng),概念抽象,難以理解。采用傳統(tǒng)教學(xué)方式,學(xué)生會(huì)感到枯燥無(wú)味,無(wú)法維持學(xué)習(xí)興趣。因此在教學(xué)過(guò)程中采用了各種方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如對(duì)于在講解存儲(chǔ)系統(tǒng)中Cache的映像規(guī)則時(shí),同學(xué)們對(duì)于“直接映像”、“組相聯(lián)”、“全相聯(lián)”這幾種映像規(guī)則相聯(lián)度越高,利用率越高,但是查找越復(fù)雜的特點(diǎn)不好理解。此時(shí),可以用同學(xué)們進(jìn)入教室時(shí)是按照學(xué)號(hào)入座還是隨便坐的例子來(lái)很方便的理解這些特點(diǎn)。

2穿插專題討論

本課程中引入專題討論主要基于一下兩方面原因。

一方面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展很快,方向很多。但是不可能在原有授課體系中加入過(guò)多新技術(shù),也沒(méi)有更多的課時(shí)來(lái)系統(tǒng)講授新技術(shù)。另外,教學(xué)內(nèi)容中對(duì)新技術(shù)的補(bǔ)充有時(shí)是把“雙刃劍”,教學(xué)內(nèi)容既要跟上技術(shù)的發(fā)展,是知識(shí)不致落伍,又有保證教給學(xué)生的是立足于經(jīng)典知識(shí)的思維方法,而不是熟練某些技術(shù)細(xì)節(jié)[4]。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們可以采用專題討論的形式。每當(dāng)完成某一章或者某一部分的講解之后提出相關(guān)知識(shí)的討論題目,同學(xué)們基于已經(jīng)學(xué)習(xí)的基本技術(shù)、基本思想,查閱參考資料,對(duì)新知識(shí)、新技術(shù)進(jìn)行探究,思考,乃至預(yù)測(cè)其發(fā)展方向,并以文獻(xiàn)綜述、調(diào)研報(bào)告的形式總結(jié)自己的觀點(diǎn),然后在課堂上交流討論。題目的選擇要適當(dāng),既新穎又要注意知識(shí)的銜接,比如在微處理器結(jié)構(gòu)方面的“指令融合”、“間接轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)”;存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)方面的“混合寫(xiě)回策略”;多處理機(jī)結(jié)構(gòu)方面“高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展”等。

另一方面,這也是大學(xué)教育中以學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo)思想的具體體現(xiàn)。并且計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程開(kāi)設(shè)在大三下學(xué)期或者大四上學(xué)期,具有了一定的專業(yè)基礎(chǔ)。通過(guò)引入專題討論,可以啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考,發(fā)展學(xué)生的邏輯思維能力和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。而當(dāng)學(xué)生經(jīng)過(guò)認(rèn)真的思考,對(duì)討論題目深入理解后,他樂(lè)于將自己的成果與同學(xué)們分享,從而感染其他學(xué)生進(jìn)一步提出自己感興趣的問(wèn)題參與討論。這樣就可以加深學(xué)生對(duì)于知識(shí)的掌握程度,提高學(xué)習(xí)興趣[6]。

3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程理論性較強(qiáng),課程中的流水線技術(shù)及相關(guān)問(wèn)題、指令動(dòng)態(tài)調(diào)度、存儲(chǔ)層次等內(nèi)容比較抽象,使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中難以理解,影響學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化分析,從而更好理解相關(guān)內(nèi)容,是國(guó)際上流行的一種方法。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外存在多種實(shí)驗(yàn)方法和手段。有的使用硬件,有的使用軟件;有的側(cè)重I/O部分,有的側(cè)重流水部分;有的側(cè)重實(shí)際設(shè)計(jì),有的側(cè)重理論理解。通過(guò)多年的教學(xué)研究,本課程組傾向于實(shí)驗(yàn)中主要使用模擬器進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),幫助學(xué)生理解抽象的理論內(nèi)容,對(duì)于流水線、Cache設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解后由學(xué)生課下完成。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,以幫助理解理論內(nèi)容為目的,根據(jù)本文第二部分中闡述的課程內(nèi)容進(jìn)行安排,主要包括流水線沖突、指令調(diào)度、分支延遲、Cache性能分析、Cache一致性協(xié)議等。對(duì)于具體實(shí)驗(yàn)步驟,本文不再展開(kāi)。

4結(jié)語(yǔ)

綜上,通過(guò)引入三位一體教學(xué)方法,在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐相統(tǒng)一,以教師為主導(dǎo)和以學(xué)生為主體相統(tǒng)一,新知識(shí)新技術(shù)與經(jīng)典思想相統(tǒng)一,較好的解決了該課程教學(xué)中存在的部分問(wèn)題,提高了該課程的教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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篇9

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1使用應(yīng)用程序完成特定任務(wù)的計(jì)算機(jī)用戶成為最終用戶

在最終用戶眼中，早期的計(jì)算機(jī)非常昂貴，只能由少數(shù)專業(yè)化人員使用。但是到了20世紀(jì)80年代個(gè)人計(jì)算機(jī)迅速普及，以及20世紀(jì)90年代初多媒體計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾ぞ摺Ｓ?jì)算機(jī)最終用戶使用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等外設(shè)與計(jì)算機(jī)交互，通過(guò)操作系統(tǒng)提供的用戶界面，啟動(dòng)執(zhí)行應(yīng)用程序或系統(tǒng)命令，從而完成用戶任務(wù)。因此，最終用戶能夠感知到的只是系統(tǒng)提供的簡(jiǎn)單人機(jī)交互界面和安裝在計(jì)算機(jī)中的相關(guān)應(yīng)用程序。

2計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)管理員眼中的存在

系統(tǒng)管理員作為管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的專業(yè)人員，相比于普通的計(jì)算機(jī)最終用戶而言，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的了解要深入得多。必須能非常熟悉操作系統(tǒng)提供的有關(guān)系統(tǒng)配置和管理方面的功能、系統(tǒng)管理員必須能夠解決，很多普通用戶解決不了的問(wèn)題，還要必須能安裝配置、維護(hù)系統(tǒng)的硬件和軟件，能建立和管理用戶賬戶，需要時(shí)能夠升級(jí)硬件和軟件，備份和恢復(fù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)等，軟件配置和系統(tǒng)管理層面以及相關(guān)的使用程序，系統(tǒng)管理員能感知到的是系統(tǒng)中部分硬件層面，以及相關(guān)實(shí)用程序和人機(jī)交互界面。在開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)，編譯器和實(shí)用程序等系統(tǒng)軟件時(shí)、需要能夠熟悉計(jì)算機(jī)底層和相關(guān)硬件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，甚至還需要直接與指令系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件打交道。比如：“對(duì)各種控制計(jì)算器I/O接個(gè)口、用戶可見(jiàn)集成器直接進(jìn)行編程和控制、所以系統(tǒng)程序員有時(shí)還要直接用匯編語(yǔ)言等低級(jí)程序，設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼，必須熟悉指令系統(tǒng)、及其結(jié)構(gòu)和相關(guān)幾期功能特性”。

3計(jì)算機(jī)在應(yīng)用程序員眼中的存在

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)除了計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)提供的編程接口（API）、相應(yīng)的程序語(yǔ)言處理系統(tǒng)和人機(jī)交互界面、還包括實(shí)用程序，這是應(yīng)用程序員所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（High level programming language）是指面向算法設(shè)計(jì)得較接近于日常所用的英語(yǔ)書(shū)面語(yǔ)言的設(shè)計(jì)語(yǔ)言，例如BASC、C、FORTRAN、java等，所以大多應(yīng)用程序員使用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫(xiě)程序。

4系統(tǒng)程序員的程序開(kāi)發(fā)與執(zhí)行過(guò)程

程序的開(kāi)發(fā)和執(zhí)行設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)不同層面，因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)層析話結(jié)構(gòu)的思想體現(xiàn)在程序開(kāi)發(fā)和執(zhí)行過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)中。程序開(kāi)發(fā)通過(guò)程序編輯軟件得到hello.C文件。Hello.c在計(jì)算機(jī)中以ASCII字符方式存放。然后再將hello.c進(jìn)行預(yù)處理、編譯、匯編和連接，最終生成顆執(zhí)行代碼文件。

計(jì)算機(jī)的控制器自動(dòng)執(zhí)行的是指令，每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成，操作碼是指出操作類型，地址碼之處操作數(shù)的地址。執(zhí)行程序世紀(jì)上是執(zhí)行一個(gè)指令序列。也就是說(shuō)不管用什么高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序都能夠轉(zhuǎn)換為一個(gè)指令序列才能在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。任何高級(jí)語(yǔ)言源程序和匯編語(yǔ)言源程序都必須轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言程序才能被計(jì)算機(jī)執(zhí)行，通常這種進(jìn)行轉(zhuǎn)換的軟件被稱之為“程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言處理系統(tǒng)”。應(yīng)用程序員和系統(tǒng)程序員都是借助“程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言處理系統(tǒng)”來(lái)開(kāi)發(fā)軟件。任何一個(gè)語(yǔ)言處理系統(tǒng)，都包含一個(gè)翻譯系統(tǒng)，它能夠把一種編程語(yǔ)言表示的程序轉(zhuǎn)換為等價(jià)的另一種編程語(yǔ)言程序。翻譯程序有以下三類。

（1）匯編程序：也稱匯編器，涌來(lái)將匯編語(yǔ)言源程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序。

（2）解釋程序、也稱計(jì)時(shí)器，涌來(lái)將源程序中的語(yǔ)句按其執(zhí)行順序逐條翻譯成機(jī)器指令必過(guò)立即執(zhí)行。例如，BASIC解釋程序直接氣功BASIC源程序執(zhí)行，不生成目標(biāo)程序。

篇10

0引言

我校在創(chuàng)建世界一流農(nóng)業(yè)大學(xué)的進(jìn)程中，積極營(yíng)造交流、開(kāi)放式、國(guó)際化辦學(xué)的教學(xué)氛圍，開(kāi)展深度科研協(xié)作，努力實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的世界一流農(nóng)業(yè)大學(xué)”。我校自20世紀(jì)70年代末開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程以來(lái)，曾先后多次調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)時(shí)展的需要。正是在此背景下，在當(dāng)前信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，如何開(kāi)展高等農(nóng)林院?！坝?jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)，如何改革課程的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課程授課令人深思。

1課程現(xiàn)狀

“計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”（簡(jiǎn)稱計(jì)算機(jī)組原）是我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息管理與信息系統(tǒng)、電子商務(wù)和軟件工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課。該門課程呈現(xiàn)出學(xué)生難學(xué)、教師難教的現(xiàn)象，其原因在于該課程理論性強(qiáng)，概念和知識(shí)點(diǎn)繁、雜、抽象。為使學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)理論和良好的動(dòng)手實(shí)踐能力，作者自2006年春開(kāi)始講授本門課程，結(jié)合多年的教學(xué)、教改實(shí)踐，從以下幾方面對(duì)該課程的教學(xué)進(jìn)行了一些嘗試性探索。

2教學(xué)優(yōu)化過(guò)程及實(shí)踐

2．1優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出重點(diǎn)、難點(diǎn)，補(bǔ)充科技前沿知識(shí)由于該課程具有概念繁雜和內(nèi)容抽象的特點(diǎn)，且每節(jié)內(nèi)容都可擴(kuò)展開(kāi)獨(dú)自形成完整的知識(shí)體系，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)不可能對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的五大部件和實(shí)現(xiàn)技術(shù)都進(jìn)行詳細(xì)講解，為此學(xué)院及系部每年組織各類教研活動(dòng)，如集體備課，集體討論教學(xué)大綱，研討教材重點(diǎn)、難點(diǎn)和疑點(diǎn)，確定實(shí)踐環(huán)節(jié)；組織教師之間互相聽(tīng)課，取長(zhǎng)補(bǔ)短；新任教師試講等。2．2強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，提高動(dòng)手實(shí)踐能力實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，是抽象理論的科學(xué)驗(yàn)證，有助于提升學(xué)生對(duì)理論的認(rèn)知，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。我校采用清華大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)TEC－XP，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中增加附加的設(shè)計(jì)型教學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在授課過(guò)程中講解實(shí)驗(yàn)機(jī)中的設(shè)計(jì)思想，讓學(xué)生清楚了解硬件的連接及程序的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容逐級(jí)深入的方法，使教學(xué)試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)思想逐漸滲透，最終實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。2．3因材施教，運(yùn)用靈活多變的教學(xué)方法及手段為使課堂授課豐富愉悅、內(nèi)容飽滿活潑，為使學(xué)生能盡快融會(huì)貫通，這就必須對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，多種教學(xué)方法相結(jié)合并貫穿授課始終。作者結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，極大地提升了教學(xué)質(zhì)量。2．3．1培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的互動(dòng)式板書(shū)與PPT教學(xué)手段結(jié)合教材內(nèi)容，充分運(yùn)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻等多媒體素材設(shè)計(jì)PPT，幫助學(xué)生理解枯燥的計(jì)算機(jī)組成原理概念，提高學(xué)習(xí)效果。如第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論中講授計(jì)算機(jī)執(zhí)行ax2＋bx＋c，以學(xué)生熟悉的C語(yǔ)言知識(shí)，板書(shū)介紹非常重要的地址概念，引導(dǎo)學(xué)生熟悉用戶程序存放的內(nèi)存單元地址、自定義變量地址，PPT動(dòng)畫(huà)展示運(yùn)算器的加、乘運(yùn)算的基本過(guò)程。2．3．2客觀真實(shí)的案例教學(xué)法對(duì)感性認(rèn)識(shí)不強(qiáng)的計(jì)算機(jī)組成概念，使用案例教學(xué)法可幫助學(xué)生消除對(duì)計(jì)算機(jī)的神秘感。如在講解多體（存儲(chǔ)器）交叉存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)下述案例，以科技文獻(xiàn)及圖片素材讓學(xué)生逐漸了解并掌握大型機(jī)（或巨型機(jī)）中多體交叉的知識(shí)點(diǎn)，有助于后續(xù)Cache命令率的學(xué)習(xí)。2．3．3科學(xué)地利用教師的主導(dǎo)作用，運(yùn)用生活化、形象化的類比教學(xué)法作為專職專業(yè)課教師，任何時(shí)候都可通過(guò)課堂中的點(diǎn)滴小事與學(xué)生交流，詢問(wèn)他們是否已理解了授課內(nèi)容和難點(diǎn)、重點(diǎn)知識(shí)。作為授課中“人類靈魂的工程師”，真誠(chéng)關(guān)注、鼓勵(lì)、教育學(xué)生注重專業(yè)修養(yǎng)，提高綜合素質(zhì)。為避免學(xué)生“知其然，不知其所以然”，避免死記硬背，結(jié)合日常生活中的實(shí)例，采用類比教學(xué)法，形象生動(dòng)、由淺入深地讓學(xué)生理解計(jì)算機(jī)中艱澀的概念，最后達(dá)到深入淺出的教學(xué)效果。如存儲(chǔ)器，猶如倉(cāng)庫(kù)，計(jì)算機(jī)中用于存放指令和數(shù)據(jù)；“按地址尋訪”，是指計(jì)算機(jī)根據(jù)地址尋找內(nèi)存單元和IO部件，地址的概念正如現(xiàn)實(shí)生活中區(qū)別某人的身份證號(hào)碼，或現(xiàn)實(shí)中的座機(jī)號(hào)碼，或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的IP地址?？偩€中的異步串行通信猶如食堂排隊(duì)買飯、火車站排隊(duì)買票等，逐比特的傳輸；應(yīng)答信號(hào)如通信雙方握手一樣，成對(duì)出現(xiàn)。Cache與主存地址映射過(guò)程是本課程的難點(diǎn)和重點(diǎn)，將Cache與主存的地址映射比作火車座位的對(duì)應(yīng)機(jī)制，有助于學(xué)生對(duì)Cache地址映射的理解。講解尋址方式時(shí)，以去宿舍找學(xué)生作類比，若已知學(xué)生的具體宿舍號(hào)，則為直接尋址；若詢問(wèn)宿管辦阿姨，則為寄存器間接尋址。介紹運(yùn)算器的功能時(shí)，指出運(yùn)算器只做一件事，即算術(shù)邏輯運(yùn)算，其余均不參與；控制器的功能就是大總管，控制并管理計(jì)算機(jī)所有的行為和操作等等。2．3．4強(qiáng)化重點(diǎn)，當(dāng)堂消化難點(diǎn)，采用專項(xiàng)典型習(xí)題講解法我校采用的教材是由唐朔飛老師主編的國(guó)家“十一五”規(guī)劃教材《計(jì)算機(jī)組成原理》（第2版）。由于該課程具有很強(qiáng)的理論性以及學(xué)生考研的需求，通過(guò)對(duì)大綱的重點(diǎn)難點(diǎn)知識(shí)第四章CPU與存儲(chǔ)器的連接、高速緩沖存儲(chǔ)器，第六章計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法及第十章CU的設(shè)計(jì)的典型例題、習(xí)題進(jìn)行講解，能有效鞏固、加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。同時(shí)，預(yù)留少且精的課后題，以再次加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

3鼓勵(lì)個(gè)性化發(fā)展，完善考核方式

課程考核是教學(xué)過(guò)程的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)和檢測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的一種手段，貫穿授課及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的始終。本門課程考核的主要內(nèi)容是學(xué)生對(duì)整機(jī)的基本組成及工作原理的理解程度，以及對(duì)基本概念、基本知識(shí)的掌握程度。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，課程考核基本由以下三部分組成。（1）隨堂測(cè)驗(yàn)（占總成績(jī)的10％）。為了督促和鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)，在重點(diǎn)章節(jié)后進(jìn)行隨堂測(cè)試，主要考核學(xué)生對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容的理解及掌握情況，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的各類問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方向。（2）驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)（占總成績(jī)的20％）。規(guī)范實(shí)驗(yàn)教學(xué)，嚴(yán)格考勤制度，采用單人單機(jī)的形式，主要看重實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，輕實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)。對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證報(bào)告、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的完成狀態(tài)以實(shí)驗(yàn)截圖的形式提交，實(shí)驗(yàn)完成后當(dāng)場(chǎng)驗(yàn)收并給出驗(yàn)收成績(jī)。在所有實(shí)驗(yàn)完成后，提交相關(guān)代碼及實(shí)驗(yàn)文檔，并給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)。實(shí)驗(yàn)成績(jī)由三部分構(gòu)成：驗(yàn)收成績(jī)占50％，報(bào)告成績(jī)占30％，實(shí)驗(yàn)考勤占20％。（3）期末考試（占總成績(jī)的70％）。該課程一直沿用閉卷理論考試；課程全部結(jié)束后，進(jìn)行期末考試，全面考核學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論、基本原理的掌握程度與分析水平。

4總結(jié)

鑒于我校地處西北及正處于“創(chuàng)建世界一流農(nóng)業(yè)大學(xué)”戰(zhàn)略時(shí)期，以及計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的特殊性、重要性，這就決定了該課程的教學(xué)改革與實(shí)踐是一項(xiàng)大工程，需要從理論授課、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、課程考核等多方面同時(shí)進(jìn)行教學(xué)優(yōu)化，以上整個(gè)教學(xué)過(guò)程優(yōu)化的思考與實(shí)踐，已取得了較好的效果。作為高等農(nóng)業(yè)院校，我院的本科畢業(yè)生受到了國(guó)內(nèi)知名IT公司的好評(píng)和青睞，在華為、阿里巴巴、百度、迅雷、網(wǎng)易、美團(tuán)網(wǎng)、去哪網(wǎng)等公司就業(yè)，不少已是部門負(fù)責(zé)人，連續(xù)四年一次性就業(yè)率達(dá)98％，年薪10萬(wàn)元以上的畢業(yè)生每年在12人次以上。雖然取得了一些成績(jī)，但距離世界一流農(nóng)業(yè)大學(xué)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)還有一些距離?！坝?jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的課程教學(xué)優(yōu)化需要做的工作還有很多，各種教學(xué)方法、教學(xué)手段也并不是一成不變的。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的不斷發(fā)展，專業(yè)教師只有不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)、更新、優(yōu)化、探索、總結(jié)，才能持續(xù)有效地提高教學(xué)效果、教學(xué)質(zhì)量，持續(xù)有效地滿足新時(shí)代下學(xué)生不斷增長(zhǎng)的求知需求。

作者:黃鋁文 陳 勇 李書(shū)琴 張志勇 單位:西北農(nóng)林科技大學(xué)

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