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計算機系統(tǒng)結構課程論文(2)

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計算機系統(tǒng)結構課程論文

  計算機系統(tǒng)結構課程論文篇二

  《“計算機系統(tǒng)結構”教學內容研究與實踐》

  摘要:“計算機系統(tǒng)結構”課程是一門專業(yè)綜合課程,針對其中教學內容陳舊、抽象難懂的教學實際問題,本文在分析“計算機系統(tǒng)結構”課程特點的基礎上,結合我校“計算機系統(tǒng)結構”課程教學實踐經(jīng)驗,闡述了相應的教學改革內容。經(jīng)過教學實踐驗證,該項改革取得了良好效果,提高了學生對計算機硬件課程的學習興趣,增強了學生的綜合能力。

  關鍵詞:精品課建設;教學內容改革;計算機系統(tǒng)結構

  中圖分類號:G642.4 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2012)09-0048-02

  “計算機系統(tǒng)結構”課是“計算機科學與技術”專業(yè)本科生開設的一門專業(yè)必修課,開設時間為本科第六學期,48學時(理論課42學時;實驗課6學時)。它是一門綜合課程,從全局和系統(tǒng)的角度介紹計算機系統(tǒng)設計所必須了解和掌握的知識,把前續(xù)的“計算機組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“編譯原理”、“數(shù)據(jù)結構”、“匯編語言程序設計”等課程中所學的軟硬件知識有機的結合起來,從而建立起計算機系統(tǒng)的完整概念。學習本課程旨在使學生從總體結構、系統(tǒng)分析這一角度來研究計算機系統(tǒng),對于培養(yǎng)系統(tǒng)地分析和解決問題的能力,培養(yǎng)抽象思維能力有非常重要的作用。由哈爾濱工程大學計算機科學與技術學院硬件教學團隊承擔的“計算機系統(tǒng)結構”課程在2003年評為省級精品課程基礎上,于2008年又被評為“教育部—Intel”精品課。精品課程建設是教育部組織開展的旨在提高高等院校教學水平而推出的“高等學校教學質量和教學改革工程”中的具有戰(zhàn)略意義的舉措之一,是高等學校教學改革與建設的一項具有標志性的工作[1-2]。本文以本科生課程教學為核心,根據(jù)本課程教學內容特點,詳細介紹課程教學內容建設及改革思考,以求交流同行經(jīng)驗,促進課程建設更快發(fā)展。

  一、課程內容和特點

  我校“計算機系統(tǒng)結構”本科生課程主要采用李學干教授等編著的《計算機系統(tǒng)結構》作為教材,內容主要包括計算機系統(tǒng)結構概論、數(shù)據(jù)表示、尋址方式與指令系統(tǒng)、存儲、中斷、總線與I/O系統(tǒng)、存儲體系及流水和指令級高度并行的超級機等內容[3]。想要順利學習這門課程的內容,需要學生很好地掌握“計算機組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“編譯原理”、“數(shù)據(jù)結構”、“匯編語言程序設計”等課程的知識點。如在講解“RISC結構采用的基本技術”時,其中一項基本技術是“優(yōu)化設計編譯系統(tǒng)”,涉及到常規(guī)的優(yōu)化技術和手段,如將公用的子表達式消除、將常量移到循環(huán)體外等編譯優(yōu)化技術。在“計算機系統(tǒng)結構”課程中只能通過舉例的方式列舉某些優(yōu)化技術,而詳細的優(yōu)化技術的原理需要學生在編譯技術課程中詳細學習。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,作為“計算機系統(tǒng)結構”課程需要重點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。學生要清晰地掌握這個知識點,就需要在之前開設的“操作系統(tǒng)”、“計算機組成原理”課程中掌握其中涉及到的基本原理。因此,在講授計算機系統(tǒng)結構課程時,一個很重要的問題就是如何劃分同其他課程有“交叉”的授課內容。實質上這個“交叉”僅是知識覆蓋面上的交叉,并不是實質的知識點的交叉。

  二、教學內容改革探討

  1.與“計算機組成原理”的內容劃分及協(xié)調。在同與“計算機系統(tǒng)結構”課程內容有“交叉”的課程中,最容易造成授課內容劃分不清楚的是“計算機組成原理”課程。如何合理劃分這兩門課內容是課程教學組織過程中需要關注的重要問題之一。表1詳細描述了“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結構”在教學內容和教學目標上的不同,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)、存儲系統(tǒng)等,但是課程的授課目標和具體的知識點并不相同。“計算機組成原理”課程重點講解基本概念和基本運行原理,而“計算機系統(tǒng)結構”課程主要講授高級語言、編譯、操作系統(tǒng)和硬件結構的關系及從量化的角度重點講解如何優(yōu)化計算機性能。如兩門課程講授內容都包括了“指令系統(tǒng)”,“計算機組成原理”課程重點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“計算機系統(tǒng)結構”課程則從計算機系統(tǒng)優(yōu)化的角度引出“變址尋址”和“基址尋址”技術。在“計算機系統(tǒng)結構”課程的“數(shù)據(jù)表示”章節(jié)中指出,為了提高計算機的運算速度,對向量、陣列數(shù)據(jù)結構的實現(xiàn)提供直接支持,才增設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”技術是在“程序在主存中的定位技術”章節(jié)中講解的,其主要解決在不準修改指令地址碼時如何實現(xiàn)邏輯地址空間到物理地址空間變換的問題,這又涉及到操作系統(tǒng)課程內容。所以,“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結構”課程在講授內容的面上有重疊,但是講授的目的和重點是不同的。

  2.教學內容的更新.隨著計算機技術的發(fā)展,近年來我們逐步從以下幾個方面對“計算機系統(tǒng)結構”課程內容進行更新:①不斷更新課程中的實例內容.我校的“計算機系統(tǒng)結構”課程的教學內容立足于基礎性、前沿性和時代性,重視結合實際案例,與時俱進,及時吸收和反映本學科的最新研究成果,合理地維持“更新與保留”的適當比例。如講授“指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進”章節(jié)時,教材中詳細描述了RISC和CISC指令集的特征,但是書中舉得例子卻是60、70年代在IBM 360、IBM370機器上采用的技術,學生聽起來枯燥、乏味。我們對課程內容進行了適當?shù)母?,從現(xiàn)在比較“火”的嵌入式智能手機的微處理器設計說起,對比采用RISC指令系統(tǒng)的ARM處理器和采用CISC指令系統(tǒng)的Atom處理器的功耗和計算性能的優(yōu)缺點,來解釋不同指令系統(tǒng)的優(yōu)缺點。②加大課程內容的深度.“計算機系統(tǒng)結構”是將“計算機組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“編譯原理”、“數(shù)據(jù)結構”、“匯編語言程序設計”等課程中所需的軟硬件知識有機結合起來的課程,所以在講授課程內容時需要以問題為切入點,從高層次應用入手,逐漸深入引出本門課需要講授的知識點。如在講解“物理主存中信息的存儲分布”知識點時,首先啟發(fā)學生思考:大家在采用C語言編程聲明結構體數(shù)據(jù)類型時,是否考慮了其中各種成員變量的聲明順序。也就是說當結構體中成員變量的聲明順序不同時,對計算機的存儲資源會產(chǎn)生什么樣的影響?此時就要考慮編譯器為每個結構體成員變量分配內存時,做了什么事情?其中為什么要求編譯器需要滿足“信息在存儲器中按整數(shù)邊界對齊”?這樣以編程語言為示例,逐層深入,最終落實到“計算機系統(tǒng)結構”課程需要掌握的知識點上,在這個過程中既幫助學生梳理了之前學習的專業(yè)內容,又達到幫助學生學習從總體結構、系統(tǒng)分析這一角度來研究計算機系統(tǒng),培養(yǎng)他們系統(tǒng)地分析和解決問題的能力的目的。③引入部分多核技術知識點.由于Intel、IBM及AMD等公司的多核技術的出現(xiàn),改變了原有的片上單核處理器的架構,分別出現(xiàn)了同構多核和異構多核架構,這要求計算機系統(tǒng)結構的設計者和學習者需要充分研究多核架構技術,這樣才能有助于實現(xiàn)程序的性能優(yōu)化。為了使本科學生更多的了解多核處理器結構,針對課程的特點及難點,以單核處理器體系結構為教學基礎,適當擴充片上多核處理器架構的介紹,這樣保證學生扎實的掌握基礎知識的同時,又可以緊跟技術發(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,其教學內容的錘煉優(yōu)化、不斷更新,教學方法與手段的不斷探索,教材的編寫和完善等無不需要長時間的不斷探索、認真思考、總結經(jīng)驗,甚至需要幾代人的努力。本文將“計算機系統(tǒng)結構”課程中的教學實踐進行歸納總結,闡述了其中關于教學內容改革的做法,以求交流同行經(jīng)驗,促進課程建設更快發(fā)展。在改革教學內容的實踐中,我們發(fā)現(xiàn)精品課的建設需要以學科建設為立足點,同樣也可以建設精品課為契機,促進學科、專業(yè)的進一步發(fā)展。

  參考文獻:

  [1]陳國定,吳立言,李建華,等.精品課程建設的思考與啟迪(機械類課程報告論壇文集)[G].北京:高等教育出版社,2006.

  [2]周廣林,劉春生,徐文娟.精品課建設的實踐與思考[J].黑龍江教育學院學報,2011,(1):66-68.

  [3]李學干.計算機系統(tǒng)結構[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006:1-4.

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