“计算机组成原理”的教材建设

摘要:该文通过分析CC2005计算机组成原理知识单元和计算机科学与技术专业研究生入学考试全国统考大纲,研究了新编教材的指导思想,指出教材建设应遵循知识结构具有通用性、内容组织具有合理性、教材内容具有实用性的思想。新编教材具有基础性强、内容组织合理、取材先进、注重实践、便于自学等特色。实践证明,新教材的使用加深了学生对计算机组成和工作原理的理解,提高了学生的学习兴趣和独立思考的能力,收到了良好的学习效果。

关键词:CC2005;计算机组成原理;教材建设

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

2007年6月,教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会计算机专业规范研究小组在对计算机科学、计算机工程、软件工程和信息技术知识体和CC2005核心课程进行研究的基础上,结合我国的实际情况,确定了我国计算机科学专业的15门核心课程、计算机工程专业的16门核心课程、软件工程专业的24门核心课程和信息技术专业的15门核心课程,并给出了各专业包括的知识领域及知识单元。按照各个专业方向核心知识体系的要求,给出了“程序设计”、“离散结构”、“数据结构”、“计算机组成原理”、“计算机网络”、“操作系统”和“数据库系统”等7门课程作为这四个专业的公共核心基础课程。

“计算机组成原理”作为计算机科学、计算机工程、软件工程和信息技术这四个专业的公共核心基础课程之一,它以计算机单机系统为研究对象,主要介绍计算机硬件各组成部分的基本组成、工作原理和逻辑设计。从课程地位来说,它在先导课程和后续课程之间起着承上启下和继往开来的作用。2008年4月国家教育部公布,从2009年起,计算机专业考研中的专业基础课实行全国统一命题,专业基础课由“数据结构”(占45分)、“计算机组成原理”(占45分)、“操作系统”(占35分)、“计算机网络”(占25分)四个部分组成,并于2008年8月公布了统一的考试大纲,但并没有给出统一的参考教材。因此,要建设一本既符合CC2005核心课程知识体系,又符合研究生入学考试全国统考大纲要求的《计算机组成原理》教材就显得格外重要。

2教材编写的指导思想

目前市场上已有较多的供本科生学习的《计算机组成原理》教材,但自从教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会2007年6月发布了“贯彻《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)》”,以及2008年8月正式发布计算机科学与技术专业研究生入学考试专业基础课全国统一命题考试大纲后,新编写出版的教材较少,能完全涵盖规范要求和考研大纲要求的知识点的教材就更少。我们的教材建设就是在上述背景下进行的,在教材建设时遵循了以下三条指导思想。

(1) 知识结构具有通用性

这里的通用性是指教材的知识结构能适应于计算机科学与技术一级学科下的各个专业,按照CC2005核心课程“计算机组成原理”在计算机科学、计算机工程、软件工程和信息技术等四个专业中的知识单元和知识点分布要求,以及计算机科学与技术专业研究生入学考试全国统考大纲的要求,合理地组织教材内容,使四个不同的专业能根据自己的专业特点和大纲要求有选择地学习教材中的某些内容,但必须包含考研大纲要求的全部基础知识。

(2) 内容组织具有合理性

《计算机组成原理》教材要系统地讲述了计算机最基本的组成和工作原理、分析方法和设计技术,以及有关的先进技术和在计算机组成方面的最新进展。在内容组织上,要根据计算机各组成部件及相互联系采用整体“自顶向下”,细节“自底向上”的方法。

(3) 教材内容具有实用性

教材内容主要是写给学生看的,所以在编写时需要经常站在学生的角度来进行考虑。要使学生愿意看,看得懂,越看越有兴趣,看后感觉有收获,能将自己所学的理论知识与实践动手结合起来,让学生感觉到所学的知识能运用于将来的工作之中。另外,一本教材的篇幅不宜太长和字数太多,有些在相关课程如汇编语言、数字逻辑中学过的知识或将要在计算机体系结构、微机接口技术中详细学习的知识没有必要再作详细的论述,教材力求“少而精”的原则。

3教材的内容组织

表1和表2分别给出了CC2005计算机科学专业和计算机工程专业中,“计算机组成原理”课程涵盖的知识单元,表3给出了研究生入学考试计算机组成原理考试大纲涵盖的知识单元和考核的知识点。通过分析CC2005和考研大纲对计算机组成原理知识点的要求,我们认为教材在系统地讲述计算机最基本的组成和工作原理、分析方法和设计技术的同时,还应该介绍有关的先进技术和在计算机组成方面的最新进展。

根据整体“自顶向下”,细节“自底向上”的教学组织方法,我们将《计算机组成原理》教材的内容分为8章。第1章计算机系统概论主要讲述了计算机的发展历程,计算机系统层次结构,计算机系统的组成,计算机的工作过程,计算机性能,以及计算机的典型分类方式和应用领域。第2章运算方法和运算器讲述了数值数据和非数值数据的

表示方法,定点数的运算方法和运算器,浮点数的运算方法和运算器,数据校验码。第3章存储系统讲述了存储器的基本概念,半导体随机读写存储器和半导体只读存储器的组成及工作原理,半导体存储器的容量扩展,双端口RAM,多模块交叉存储器,相联存储器,Cache存储器和虚拟存储器。第4章指令系统讲述了指令系统的发展与性能要求,指令格式,指令和数据的寻址方式,指令格式的分析与设计,典型指令系统举例,CISC、RISC、退耦CISC/RISC和后RISC的基本概念。第5章中央处理器讲述了CPU的功能和组成,指令周期,时序产生器,微程序控制器,硬连线控制器,流水线技术,提高单机系统指令级并行性的措施,现代微处理器举例。第6章总线结构讲述了总线的基本概念,总线标准,总线仲裁和总线通信,总线举例。第7章I/O设备简单介绍了典型I/O设备的工作原理和常见的性能指标。第8章I/O系统讲述了I/O系统的基本概念,I/O接口的功能和基本结构,I/O端口及其编址,以及I/O设备数据传送控制方式。

4教材的编写特色

遵循教材编写的指导思想和教材内容的组织思路,笔者将在本校使用过多年的《计算机组成原理》讲义整理成教材,已由西安电子科技大学出版社出版,教材的编写具有如下五个特色:

(1) 基础性强,知识结构合理

教材内容的知识结构包含了CC2005的主要知识点,符合《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)》中对计算机科学与技术相关专业公共核心基础课程“计算机组成原理”的要求和研究生入学考试全国统考大纲的要求。

(2) 教材内容组织合理

在教材内容组织上,采用了整体“自顶向下”,细节“自底向上”的方法;教材各章节内容之间采用了整体“自顶向下”的内容组织方法。第1章中先讲述了计算机硬件系统的组成,然后分章节讲述了运算器、内存储器、指令系统、控制器、系统总线、I/O设备和I/O系统,由于控制器的功能主要是对指令系统中的指令进行解释,因此在内容组织上,将指令系统安排在控制器内容之前讲述。CPU(包括运算器、控制器和片内Cache)和内存储器合称为主机,由于主机与I/O设备的连接采用系统总线,因此在讲述完主机各组成部件之后,接下来讲述了系统总线,最后才是讲述I/O设备,以及实现主机通过总线与I/O设备进行连接的外设接口及交换信息的常用控制方式,即I/O系统。这样可以让学生有一个非常直接、整体的把握,为接下去内容的展开和学习每一个部分的组成和工作原理奠定基础,把握总体方向。在涉及到各组成部分具体细节的知识点时,我们采用了“自底向上”的内容组织方法。因为在涉及到具体原理的时候,必须遵循由浅入深、循序渐进的方法,即在讲清基本概念和基本原理的基础上,再进行分析和设计,不然没有足够的基础知识,学生将无法正确理解和掌握各部件的组成及工作原理。例如教材第4章中的指令系统,我们先介绍了指令的格式、操作码和地址码的表示、指令字长与机器字长的关系、指令和数据的寻址方式,再针对某一具体的指令格式举例分析指令格式特点、操作数采用的寻址方式、有效地址的表示及寻址范围,以及操作数的计算等,最后再举例说明如何根据指令系统的设计要求来设计指令格式。再例如教材第5章中的微程序控制器,我们先介绍了微命令和微操作、微指令和微程序的概念,以及微指令格式,然后讲述了微程序控制器的组成和工作原理,再以某一典型指令在某一特定时序控制方式和某一具体的模型机下的指令周期流程图为例,介绍了微指令格式和微程序的设计方法,最后再讨论微程序控制器的具体设计方法。

(3) 取材先进

教材在计算机的发展趋势、指令系统的发展、提高单机系统指令级并行性的措施、总线标准等章节中引入了近几年来较新的计算机技术。例如教材第5章在“提高单机系统指令级并行性的措施”这一节中,我们分别介绍了在单机系统中目前使用较广的五种技术,即超标量、VLIW、超流水、超标量超流水、EPIC技术,并以现代微处理器Pentium 4和UltraSPARC Ⅲ为例介绍了微处理器的内部结构及这些新技术的具体应用。

(4) 符合计算学科的认知理论,注重实践能力的培养

教材在内容的设置上注重了人们在计算学科领域的认识规律,即从感性认识(抽象)到理性认识(理论),再由理性认识(理论)回到实践(设计)的过程。以第5章为例,内容安排上先让读者了解中央处理器的功能和组成,并以一个带有内部指令Cache和数据Cache的模型机为例介绍了典型指令的指令周期,即执行过程,这些只是让读者对指令在计算机上的执行有一个感性认识。然后再讲述如何用操作控制器根据不同的操作码和时序信号来产生各种具有时间标志的操作控制信号,以便建立正确的数据通路,从而完成在感性认识上所看到的指令的解释过程。最后再回去实践,即如何利用理论知识来设计一个操作控制器,以及设计的具体步骤。

根据笔者多年从事“计算机组成原理”课程理论教学和实践教学的经验,教材中有关CPU的组成已通过EDA软件设计验证。在保持CPU整体结构不变的前提下,通过扩展指令系统、设计新的指令格式和寻址方式、增加通用寄存器的个数、更新操作控制器的设计等,可设计各类功能强弱不同的CPU,并可通过运行机器语言源程序来验证CPU设计的正确性。此部分可作为该课程的综合实践性环节,以增强实践动手能力。

(5) 有助于读者自学

每章针对各主要知识点给出了大量的例题,解题过程详细,思路清晰,有助于对基本理论、基本方法的理解。各章节后的习题均附有参考答案,但只有难度较高的习题附有较具体的解题过程,对于与教材中例题相似的习题则只给出了答案,而概念性的习题则直接省略,这样做将有助于读者自学,而不是不加思考的死记硬背,也避免了学生做作业时的简单抄袭。

5结束语

《计算机组成原理》教材的知识结构和内容组织既符合CC2005核心课程知识体系,又符合研究生入学考试全国统考大纲的要求。该教材的使用,加深了学生对计算机组成和工作原理的理解,提高了学生的学习兴趣和独立思考的能力,为该课程的实践教学和后续课程的学习打下了坚实的基础,收到了良好的学习效果。

参考文献:

[1]ACM and IEEE Computer Society. Computing Curricula 2005: The Overview Report[Z/OL]. [2005-09-30]. http://www. acm.org/education/curric_vols/CC2005-March06Final.pdf.

[2] 教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会. 高等学校计算机科学与技术专业公共核心知识体系与课程[M].北京:清华大学出版社,2007.

[3] 中华人民共和国教育部. 2009年考研计算机学科专业基础综合考试大纲[Z/OL]. [2008-08-30]. http://www.cnedu.cn/news/ 2008/8/qi4401344353158800213376.html.

[4] 陈智勇. 计算机组成原理[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2009.