构建新的《计算机系统结构》课程体系初探

蔡启先　王智文　何海钊

摘要：结合应用型专业教育特点，明确教学目标，强化微机系统结构内容，引入DLX虚拟处理器实验，构建既有理论又有实践的新的计算机系统结构课程体系；并且利用信息技术，努力实现课程的立体化；从而促使《计算机系统结构》课程建设再上新台阶。

关键词：计算机系统结构；课程体系；DLX虚拟处理器；立体化课程

中图分类号：640文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)18-21ppp-0c

Research and Practice of the Computer Architecture Course System for Applied Type Undergraduate

CAI Qi-xian1, WANG Zhi-wen1，HE Hai-zhao2

(1.Department of Computer Engineering, Guangxi University of Technology, Liuzhou 545006, China; 2. Library, Guangxi University of Technology, Liuzhou 545006, China)

Abstract:According to the applied type the profession education characteristics and teaching goal, form the new Computer Architecture course system with increasing microcomputer architecture contents and introduce into the DLX virtual processor experiments. And make use of the information technique, work hard to carry out a stereo course, that enhance teaching quality of the course.

Key words: Computer Architecture; Course system; DLX virtual processor; Stereo course

1 引言

计算机系统结构历来为高校计算机科学与技术专业必修的主干专业基础课。计算机的发展历史说明，计算机性能的不断提高必须依靠器件的变革和系统结构的改进。今天，在器件潜力几乎达到极限的情况下，计算机系统结构的改进尤为重要。该门课程主要反映现代计算机在系统结构上的新思想新技术，如流水线处理、向量处理、并行处理、多处理机结构等等，要求学生从分析和评测的角度把握计算机系统的设计。这对培养学生掌握和应用现代计算机系统来处理复杂计算问题具有重要意义，也为学生今后从事计算机系统软硬件开发打下良好的基础。对这样一门核心课程，如何突出地方院校应用型人才培养特色，研究和提高本课程的教学质量，给我们提出了新的挑战。

国家教育部在《高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划》中明确指出要“面向21世纪社会、经济、科技、文化的发展，改革我国高等教育中与其不相适应的教学内容和课程体系。”，该计划把 “基础课程、核心课程的教学内容体系及教材；教学手段、教学方法的创新。” 列为改革的主要内容[1]。因此，在现代计算机技术日新月异、计算机应用迅猛扩展深入的今天，在高校教育逐步由精英教育向大众化教育转移的今天，在地方经济发展大量地普遍地需要工程应用型计算机人才的今天，必须重新审视这门课程的现状和特点，按照应用型人才的培养目标和定位，构建新的计算机系统结构课程体系，从而提高该课程的教学质量。

2 计算机系统结构课程的特点

计算机系统结构课程具有下述特点：

1) 综合性强。计算机系统结构一般安排为计算机专业高年级课程，它需要用到几乎所有计算机专业基础和相关的前继专业课程知识。主要有：计算机组成原理、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、数据结构、操作系统、编译原理等课程。教学中要求学生对各课程知识融会贯通，教学难度较大。

2) 理论性强。内容抽象繁杂，概念多，教学处理不好的话，容易让学生感到学习乏味，明显增加了教学难度。

3) 本课程教材内容多是针对大中型计算机系统描述，常以一般学生接触不到的机型作为系统结构举例，而结合微机应用实际，结合现代微机系统结构技术的发展的内容几乎没有，严重脱离学生实际。

4) 缺乏实验环境，学生无法获得对计算机系统结构性能改进的直观认识。如果真正要求学生对其理论与技术有直观的接触，则需要深入到现代大中型计算机内部进行实践，这对我国绝大多数高校来说是不可能做到的。因此，长期以来，我国高校在开设这门重要课程时，仅仅停留在理论讲授上，相应的实践教学尚是空白，学生面对枯燥理论，学习兴趣大减，这对提高教学质量带来极大障碍。

3 新课程体系的研究和建设

针对这门课程的原有特点和不足，我们从以下三方面更新了该课程体系的研究和建设：

1) 修改教学要求，明确教学目的。

我们把对现代微型计算机系统结构的分析和评测作为学生意义构建的主要目标。很难想象，一个生活工作在微机广泛应用的信息化时代的计算机高级技术人员，如果对微机的系统结构知之甚少，又怎么能够用好微机呢？因此，在认识和了解一般计算机系统结构新技术的基础上，加强对微机系统结构的教学是完全必要的。

2) 在总的教学目标要求下，大刀阔斧地对教学内容进行重组，构建符合教学目标，既有理论又有实践的新的课程体系。

我们积极开展本课程教学内容改革，注意吸收国内外同类教材教学思路，结合地方经济发展对计算机人才知识结构的要求，在教学内容上进行压缩和扩充，精简了有关大中型计算机的过多介绍，增加和突出微机上常用的新的系统结构，突出基本知识，注意和前继课程的内容贯通，形成具有自己特色的教学内容和教学大纲。

理论上，既讲清一般原理，又紧密结合微机系统结构。比如，结合80X86指令系统，阐述从CISC到RISC的发展；在介绍各项新技术时，尽量例举微机上应用相关技术的实例。如Pentium的4级整数流水线、8级浮点流水线，Pentium的分支预测策略等。我们还以“奔4：奔腾不已的‘芯”为题，专门介绍Pentium 4的NetBurst微结构，从Willamette核心、Northwood核心到Prescott核心的不断发展，所面临的问题及Core微架构的面世，同时还涉及到同时代CPU产品的竞争情况。应该说，结合系统结构的原理比较全面地介绍了与学生密切相关的微机的系统结构。

如何在常规的条件下例如利用普通的微型计算机，让学生直接用到有关计算机系统结构的新思想和新技术，得到实践学习的机会，从而大大提高学生对现代计算机系统的认识，大大提高这门重要课程的教学效果，值得我们花大气力进行研究。为此，我们引进了DLX虚拟处理器实验。

DLX处理器是1995年美国斯坦福大学的John L.Hennessy和加利福尼亚大学伯克利分校的David A.Patterson在其“Computer Architecture-A quantitative approach”一书中首次提出的一个虚拟的32位处理器。该处理器不仅体现了当今多种机器（如AMD 29K，DEC station 3100，HP 850，IBM 801，Intel i860，MIPS M/120A，MIPS M/1000，Motorola 88K, RISC I,SGI 4D/60, SPARCstation-1, Sun-4/110, Sun-4/260等）系统结构的共同特点，还将体现未来一些机器的设计思想[2]。特别是，DLX虚拟微处理机提供了一个基于PC机的研究平台，研究者可以在PC机上模拟新的处理机技术。清华大学著名教授郑纬民在其著作中专门介绍了DLX虚拟微处理机，并指出：“通过了解DLX处理机的结构和工作原理，并利用DLX模拟器进行实验，可以帮助读者综合地了解和运用有关处理器指令系统的设计、流水线的设计与实现等方面的知识，有助于对本书前面章节所述内容的理解。”[3]

我们在全面了解DLX虚拟处理器的结构和工作原理的基础上，探讨从“软”的角度，利用DLX虚拟处理器进行处理器指令系统的设计、流水线的设计与实现、并行处理的设计与实现等带有新一代处理器思想和技术的实践教学体系，总结出有典型教学意义的实验[4~6]；并编写相关的实验教材，注重设计性和综合性实验的训练。比如，让学生通过实验软件，模拟采用旁路技术消除数据相关，采用增加运算单元的方法消除控制相关，采用优化程序的方法来提高流水线的性能等。此外，我们开辟了一些有关Cache、CPU性能测试的实验，形成一套计算机系统结构实践教学体系。这是一项难度较大的具有开创意义的教学研究工作。

3) 革新教学方法手段，利用信息化技术，努力构建立体化的课程体系。

我们自行制作CAI课件，以多媒体的形式精心展现课程内容，形象地讲解理论，化解难点，融汇前继课程知识，虽然为此付出了很大的心血，但是保证了全部理论课在多媒体电教室上课，取得了很好的教学效果。同时研制实践教学软件，以多媒体形式介绍实验内容和操作过程，并以网络课件形式提供给本校学生，以便学生实验前自学。

我们充分利用校园网环境，建立一个以本门课程为主的基于校园网的教学网页，不仅有覆盖全部教学内容的CAI课件，还有与网络电子教案配套的课程介绍、信息发布、教师答疑、名词解释词典、教学论坛、实验探索、习题与题解、相关链接等辅助网络资源。

在课堂教学上除了用多媒体教学外，还积极探索开展课堂讨论，通过“协作”、“会话”等方式引导学生主动学习，在此基础上，撰写高质量的小论文，很多小论文体现了学生课堂讨论的成果。

本门课程的改革成效已初见端倪，学生们普遍反映，这门课程好学实用，学了后眼界开阔，有助于全面把握专业知识。在学生评教活动中，本门课程得到了较高的评价。

总之，一门课程体系的构建，必须与所属专业办学定位和学生实际相适应，必须与社会需求相适应，必须与学科领域技术发展相适应。目前，我们仍在对该课程的立体化和信息化方面进行研究、探索，力求完善课程的理论体系、实践体系和网络学习环境，进一步提高该课程的教学质量。

参考文献：

[1] 国家教育部. 高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划.

[2] John L.Hennessy, David A.Patterson. 郑纬民, 汤志忠, 汪东升, 等译. 计算机系统结构：一种定量的方法（第二版）[M]. 北京：清华大学出版社,2002.

[3] 郑纬民, 汤志忠. 计算机系统结构（第2版）[M]. 北京：清华大学出版社,1998.

[4] 蔡启先，李日初. DLX处理器整数流水线性能的研究[J]. 计算机应用, 2005,25(12B):374-376.

[5] 蔡启先，李日初. DLX处理器浮点数流水线性能的研究[J]. 计算机工程,2006, 32(9):222-224.

[6] 蔡启先, 李日初，王智文. DLX虚拟处理器流水线向量运算的性能研究[J]. 广西工学院学报, 2007,18(1):43-47.

收稿日期：2008-03-22

基金项目：新世纪广西高等教育教学改革工程“十一五”第一批立项项目（168）

作者简介：蔡启先（1948-），男，广西工学院计算机工程系教授，主要研究方向：计算机系统结构。