“计算机组成原理”课程实践与理论教学体系关联性研究

蒋本珊 王 娟 马忠梅

摘要:本文通过分析“计算机组成原理”课程的特点,阐明理论与实践环节必须有机结合,不能完全脱节的观点。结合本校“计算机组成原理”课程教学的体会,总结注意实践教学体系和理论教学体系的关联性,推动实践教学体系改革的经验。

关键词:计算机组成原理;理论教学体系;实践教学体系;硬件实验

中图分类号:G642 文献标识码:B

“计算机组成原理”课程是计算机科学与技术、软件工程等相关专业本科生的主干核心课程,是必修的专业基础课,同时又是硕士研究生入学专业基础课全国统一考试的科目之一,在计算机及相关专业本科生的教学计划中起着承上启下的重要作用。

随着计算机技术的飞速发展,“计算机组成原理”课程的内容也不能一成不变,只有保证课程教学内容及实验手段的先进性,才能确保课程教学效果的优秀性。目前,“计算机组成原理”课程的理论教学体系比较成熟和完善,但实践教学体系建设相对滞后,实验内容和实验手段比较落后。造成这一现象的原因除实验条件等客观因素以外,也与国内高校中实际存在着的“重理论,轻实践”、“重软件、轻硬件”的倾向是分不开的。

1理论教学和实践教学必须有机结合

“计算机组成原理”课程首先强调基本概念和基本原理的学习,对计算机的各大基本部件的组成原理、设计方法及相互关系都进行了较详细的介绍,使学生了解计算机系统的层次化结构概念,熟悉一些典型的有代表性的计算机结构,弄清硬件与软件之间的接口界面,建立起一个完整的计算机系统的整机概念,为后续课程的学习准备必要的硬件方面的基础知识。同时本课程又具有很强的实践性,必须注重理论与实际应用相结合,以避免理论和实际脱节。在计算机技术飞速发展的今天,硬件的许多理论知识只有通过实验环节才能加深理解,实验将使学生掌握计算机硬件设计、制造、调试和运行维护等多方面的技能。培养和训练学生的动手能力、创新能力以及认真、严谨的科研作风。

我校的“计算机组成原理”课程共分理论和实践两门独立的课程,其中理论课程56学时(3.5学分),实践课程32学时(2学分)。两门课程均有独立的教学大纲,均为必修环节,分别单独在不同的学期设置,单独计算学分,单独考核。理论和实践课程的比例为1.75∶1。

在理论教学中,我们在参考CC2005课程体系和CCC2002对“计算机组成原理”课程所列知识点的基础上,不断完善课程的教学大纲和教学内容。在讲授基本原理的过程中,注意融入计算机发展的新技术和新动向,注重基础理论与先进技术的融合。使得本课程内容既符合计算机技术的发展潮流,又具有专业基础课的相对稳定性。56学时的理论课程全部采用课堂教学方式,以多媒体课件为主,适当使用一些板书。教学中注意与学生的交流和互动,经常会向学生提出一些小问题,请学生思考并回答。讲课中注意多举例,多比喻,将深奥、难以理解的问题与日常生活中的实际例子相对应。

实践课程安排在短学期,暑假前三周,以学生动手为主,在硬件实验室中进行,这样做的目的是为了使学生有一段相对集中的时间,学生以自然班为单位在指定的时间轮流到实验室。根据学生的实验结果以及提交的预习报告、实验报告并结合学生个人在实验中的表现评定成绩。

多年来,我们坚持由理论课的主讲教师同时担任实验课的主讲教师,并亲自设计实验方案、亲自参与实验辅导,理论课和实验课的教师来自于同一教学团队,避免了实验环节与课堂教学完全脱节,将实验任务简单地交给实验员了事的现象。

我校的“计算机组成原理”课程具备独立的理论教学体系和实践教学体系,这两个体系既独立又紧密结合。计算机组成原理理论课程是实践课程的基础,同时实践课程又为了配合理论课程。如果将实践教学体系和理论教学体系完全割裂开来,学生只知道理论,不知道理论怎么结合实际,起什么作用,或者学生不知道为什么要做这些实验,这些实验涉及到的理论知识点又有哪些,这样理论知识就变成空中楼阁,抽象程度高,不好理解,同时实践课程的效果也会大打折扣。

2实践教学体系的不断创新改革

目前,社会上对加强实践环节的呼声越来越高,教育行政部门对实践教学的重视程度也越来越高,各专业教学计划中实践环节的比重也有所提升。为了加强实践环节,有不少课程中都增加了一些单独设课、单独计算学分的实践环节。但在实施过程中,确实有些课程的实验环节和理论环节完全脱节,甚至是由两个教学团队来完成,互相之间不通气,完全根据各自的教学体系开课,根据实验设备条件开设实验,这种将实践环节与理论环节完全割裂开的方式是不可取的。

课堂教学是老师向学生传授知识的重要途径,但不是唯一的途径。对于“计算机组成原理”课程来说,仅仅靠课堂教学显然是不够的。近年来,我们既注意实践教学体系和理论教学体系的关联性,使我们精心设置的每个实验均有相应的理论支撑,每个实验的实验目的明确,实验任务、实验要求清晰;同时又对实验内容进行过多次更新和改进,不断减少原理验证性实验的比重,增加学生自主设计实验的比重,推动了实践教学体系的改革。

计算机组成原理实验归属于硬件实验,目前,我们开设的计算机组成原理实验中既有验证性的实验、也有综合性、设计性的实验,既有计算机的部件实验,也有整机实验,下面简要的介绍3种不同的类型的实验。

2.1传统的计算机部件实验

本实验属于验证性的实验,要求学生按照要求利用中规模集成电路芯片构成一个简单的硬件模块,自己动手连线和调试。例如,总线传输实验就要求学生利用常见的三态输出器件建立一个简单的8位数据总线传输电路,通过总线并利用RAM实现存放在两个寄存器中的不同数据的交换。实验目的在于了解和掌握总线的分时与共享特性、传输控制技术、静态RAM的读写原理和使用方法以及三态输出器件的性能和使用方法。

这类实验由于需要大量的连线,可能会因为接触不良等原因使实验工作量加大。但我们认为这类实验对于培养学生寄存器级硬件故障的检错和排错能力还是有积极作用的,这就是我们至今仍保留一个简单的传统的硬件实验的原因。为避免花费过多的时间用于连线,我们将这类实验的任务尽可能简化,将实验的主要考核点放在电路的设计和调试的过程中。这类实验的不足之处是比较简单,难以进行有创意的或综合性较强的设计性实验。

2.2基于FPGA的计算机模块设计实验

本实验属于设计性实验,要求学生采用硬件描述语言进行逻辑设计,首先在计算机上进行功能仿真,最后下载到可编程逻辑器件中测试的方法。例如,在基于FPGA的运算器设计实验中,我们要求学生用硬件描述语言设计并实现一个16位运算器,支持基本的算术运算和逻辑运算,设计完成后下载到DE2开发板上测试。

这类实验对设计方案没有任何限制,对于所连接的输入、输出设备允许有多种选择,可以使用DE2开发板上的资源(如开关、按键、LED灯、数码管和LCD),也可以使用外接的小键盘、大键盘和VGA显示器,学生可以根据自己的情况自行选择设备,最终根据使用设备的难易程度和设计实现的功能计分。对于这类实验,学生的积极性很高,有不少学生提出了独特的设计方案,对学生创新能力的培养具有积极作用。

通过对国内外相关情况的调查、分析、研究,借鉴国内外高校的经验,我们从2005年开始提出了将硬件描述语言和可编程逻辑器件引入计算机组成原理实验的设想,首先在计算机组成实验中加入了VHDL实现的实验内容,以取代部分传统的硬连线实验,接着又在教学计划中增设了“VHDL与计算机硬件模块设计”选修课程,让学生掌握一种硬件描述语言,会使用先进的EDA工具软件进行硬件设计。开始时由于设备的限制,学生还只能完成在软件环境下的功能设计和模拟仿真,这使得很多学生感觉不尽兴。目前,我校配置了DE2开发套件,所有的实验都能下载到DE2开发板上测试,与国外著名高校使用的软硬件环境基本一致。

我们认为将硬件实验完全软化,实验仅局限于在软件环境下的功能设计和模拟仿真是不够的,如果一味软化,可能会使一部分学生只将注意力和兴趣集中在各种编程环境、开发工具的使用上,对于硬件技术的学习和应用研究望而生畏。这种现象的后果是造成学生的知识结构偏软,硬件基础比较薄弱,不能完全满足社会对软硬件相结合人才的需求。

2.3整机设计实验

这是一个大的综合性、设计性实验,要求学生利用实验设备所提供的硬件资源(基本功能模块、控制台及外设等),设计一台具有16条指令的微程序控制的实验计算机。其目的在于使学生掌握微程序控制计算机的设计方法,加深了解微程序的特点;通过设计和调试,了解计算机如何执行指令,如何控制I/O设备工作;掌握在具体实验计算机的整机逻辑框图下,指令流和数据流的流动过程,建立整机概念。

微程序设计技术是计算机组成原理理论课程教学中的一个难点,由于微程序控制单元看不见,摸不着,涉及微程序控制的许多概念难以理解。整机设计实验将使学生了解微程序执行的整个过程,让学生通过亲手解剖一个小小的“麻雀”来了解微程序控制单元的设计方法。

我们给每组学生分配一张指令表,指令表中包含十余条不同的机器指令,要求学生根据实验计算机整机逻辑图来设计指令系统中每条指令的执行流程,设计微操作控制信号和微指令格式,确定初始微地址和后继微地址的形成,然后根据指令流程和微指令格式编写出每条机器指令所对应的微程序,同时还要针对每条机器指令编写相应的测试程序,以测试微程序的正确性。我们还要求学生自主设计给定指令表上没有的指令,以培养学生的举一反三的能力。

从实验的开展情况来看,由于实验工作量比较大,独立完成有一定难度,确有少数同学表现比较消极,希望通过借鉴、拷贝等方式来完成任务。针对这种情况,我们在实验的验收阶段增加了提问环节,以此来甄别实验是否独立完成。

3未来设想

我们将继续坚持实践教学体系与理论教学体系有机结合,鼓励青年教师投身实践教学改革,使实验为理论教学服务,实验为创新设计服务,全面提升“计算机组成原理”课程的教学质量。

希望通过几年的努力,不断完善“计算机组成原理”课程实践教学体系,建设一个与国际接轨的,能够体现研究型大学特点的,综合性、研究性的硬件实验基地,突破传统的以验证性为主的实验模式,增加大量设计性和综合性实验,让学生通过自主学习,合作学习以及研究型学习,完成创新型实验项目的完整设计和调试过程,提高学生的动手能力和创新能力。

下面是我们正在设计实现并且日趋完善的教改思路:

(1) 根据因材施教的思想,我们将未来的计算机组成原理实验分成不同的层次,面向不同的对象。保证必做实验的水平和质量;提高选做实验的数量和种类,给学生更多的选择和发展空间。

(2) 设置大型的综合性实验,突出计算机学科特色,满足有兴趣学生的需要,如让学生自行设计计算机,包括CPU、存储器、输入输出接口设计,甚至包括操作系统和软件的设计,所有的设计最终都下载到开发板上实现,让学生深入理解计算机系统的概念。

(3) 鼓励学生以两至三个人为一小组的形式搞创新活动,自主命题和设计方案,开发新的实验内容,为参加学科知识竞赛锻炼队伍和积累素材。

参考文献:

[1] 蒋本珊,王娟,马忠梅. 课堂教学-实验-课外科技活动三位一体提升硬件类课程质量[J]. 计算机教育,2008(4):32-33.

[2] 蒋本珊,王娟,洪杰. 计算机组成原理实验改革初探[J]. 实验室研究与探索,2007(12):270-273.

[3] 蒋本珊,王娟. 将硬件描述语言引入计算机硬件类课程的探索[J]. 计算机教育,2006(8):49-50.

[4] 潘松,潘明 . 现代计算机组成原理[M]. 北京:清华大学出版社,2007.

[5] 中国计算机科学与技术教程2002研究组. 中国计算机科学与技术学科教程2002[M]. 北京:清华大学出版社,2002.