摘要:該文通過(guò)分析CC2005計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)單元和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究生入學(xué)考試全國(guó)統(tǒng)考大綱,研究了新編教材的指導(dǎo)思想,指出教材建設(shè)應(yīng)遵循知識(shí)結(jié)構(gòu)具有通用性、內(nèi)容組織具有合理性、教材內(nèi)容具有實(shí)用性的思想。新編教材具有基礎(chǔ)性強(qiáng)、內(nèi)容組織合理、取材先進(jìn)、注重實(shí)踐、便于自學(xué)等特色。實(shí)踐證明,新教材的使用加深了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成和工作原理的理解,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獨(dú)立思考的能力,收到了良好的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞:CC2005;計(jì)算機(jī)組成原理;教材建設(shè)

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

1引言

2007年6月,教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)計(jì)算機(jī)專業(yè)規(guī)范研究小組在對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、軟件工程和信息技術(shù)知識(shí)體和CC2005核心課程進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況,確定了我國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的15門核心課程、計(jì)算機(jī)工程專業(yè)的16門核心課程、軟件工程專業(yè)的24門核心課程和信息技術(shù)專業(yè)的15門核心課程,并給出了各專業(yè)包括的知識(shí)領(lǐng)域及知識(shí)單元。按照各個(gè)專業(yè)方向核心知識(shí)體系的要求,給出了“程序設(shè)計(jì)”、“離散結(jié)構(gòu)”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”、“操作系統(tǒng)”和“數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)”等7門課程作為這四個(gè)專業(yè)的公共核心基礎(chǔ)課程。

“計(jì)算機(jī)組成原理”作為計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、軟件工程和信息技術(shù)這四個(gè)專業(yè)的公共核心基礎(chǔ)課程之一,它以計(jì)算機(jī)單機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象,主要介紹計(jì)算機(jī)硬件各組成部分的基本組成、工作原理和邏輯設(shè)計(jì)。從課程地位來(lái)說(shuō),它在先導(dǎo)課程和后續(xù)課程之間起著承上啟下和繼往開(kāi)來(lái)的作用。2008年4月國(guó)家教育部公布,從2009年起,計(jì)算機(jī)專業(yè)考研中的專業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)行全國(guó)統(tǒng)一命題,專業(yè)基礎(chǔ)課由“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”(占45分)、“計(jì)算機(jī)組成原理”(占45分)、“操作系統(tǒng)”(占35分)、“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”(占25分)四個(gè)部分組成,并于2008年8月公布了統(tǒng)一的考試大綱,但并沒(méi)有給出統(tǒng)一的參考教材。因此,要建設(shè)一本既符合CC2005核心課程知識(shí)體系,又符合研究生入學(xué)考試全國(guó)統(tǒng)考大綱要求的《計(jì)算機(jī)組成原理》教材就顯得格外重要。

2教材編寫的指導(dǎo)思想

目前市場(chǎng)上已有較多的供本科生學(xué)習(xí)的《計(jì)算機(jī)組成原理》教材,但自從教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)2007年6月發(fā)布了“貫徹《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范(試行)》”,以及2008年8月正式發(fā)布計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究生入學(xué)考試專業(yè)基礎(chǔ)課全國(guó)統(tǒng)一命題考試大綱后,新編寫出版的教材較少,能完全涵蓋規(guī)范要求和考研大綱要求的知識(shí)點(diǎn)的教材就更少。我們的教材建設(shè)就是在上述背景下進(jìn)行的,在教材建設(shè)時(shí)遵循了以下三條指導(dǎo)思想。

(1) 知識(shí)結(jié)構(gòu)具有通用性

這里的通用性是指教材的知識(shí)結(jié)構(gòu)能適應(yīng)于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科下的各個(gè)專業(yè),按照CC2005核心課程“計(jì)算機(jī)組成原理”在計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、軟件工程和信息技術(shù)等四個(gè)專業(yè)中的知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)分布要求,以及計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)研究生入學(xué)考試全國(guó)統(tǒng)考大綱的要求,合理地組織教材內(nèi)容,使四個(gè)不同的專業(yè)能根據(jù)自己的專業(yè)特點(diǎn)和大綱要求有選擇地學(xué)習(xí)教材中的某些內(nèi)容,但必須包含考研大綱要求的全部基礎(chǔ)知識(shí)。

(2) 內(nèi)容組織具有合理性

《計(jì)算機(jī)組成原理》教材要系統(tǒng)地講述了計(jì)算機(jī)最基本的組成和工作原理、分析方法和設(shè)計(jì)技術(shù),以及有關(guān)的先進(jìn)技術(shù)和在計(jì)算機(jī)組成方面的最新進(jìn)展。在內(nèi)容組織上,要根據(jù)計(jì)算機(jī)各組成部件及相互聯(lián)系采用整體“自頂向下”,細(xì)節(jié)“自底向上”的方法。

(3) 教材內(nèi)容具有實(shí)用性

教材內(nèi)容主要是寫給學(xué)生看的,所以在編寫時(shí)需要經(jīng)常站在學(xué)生的角度來(lái)進(jìn)行考慮。要使學(xué)生愿意看,看得懂,越看越有興趣,看后感覺(jué)有收獲,能將自己所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐動(dòng)手結(jié)合起來(lái),讓學(xué)生感覺(jué)到所學(xué)的知識(shí)能運(yùn)用于將來(lái)的工作之中。另外,一本教材的篇幅不宜太長(zhǎng)和字?jǐn)?shù)太多,有些在相關(guān)課程如匯編語(yǔ)言、數(shù)字邏輯中學(xué)過(guò)的知識(shí)或?qū)⒁谟?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、微機(jī)接口技術(shù)中詳細(xì)學(xué)習(xí)的知識(shí)沒(méi)有必要再作詳細(xì)的論述,教材力求“少而精”的原則。

3教材的內(nèi)容組織

表1和表2分別給出了CC2005計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)和計(jì)算機(jī)工程專業(yè)中,“計(jì)算機(jī)組成原理”課程涵蓋的知識(shí)單元,表3給出了研究生入學(xué)考試計(jì)算機(jī)組成原理考試大綱涵蓋的知識(shí)單元和考核的知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)分析CC2005和考研大綱對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)點(diǎn)的要求,我們認(rèn)為教材在系統(tǒng)地講述計(jì)算機(jī)最基本的組成和工作原理、分析方法和設(shè)計(jì)技術(shù)的同時(shí),還應(yīng)該介紹有關(guān)的先進(jìn)技術(shù)和在計(jì)算機(jī)組成方面的最新進(jìn)展。

根據(jù)整體“自頂向下”,細(xì)節(jié)“自底向上”的教學(xué)組織方法,我們將《計(jì)算機(jī)組成原理》教材的內(nèi)容分為8章。第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論主要講述了計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成,計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程,計(jì)算機(jī)性能,以及計(jì)算機(jī)的典型分類方式和應(yīng)用領(lǐng)域。第2章運(yùn)算方法和運(yùn)算器講述了數(shù)值數(shù)據(jù)和非數(shù)值數(shù)據(jù)的

表示方法,定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算方法和運(yùn)算器,浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算方法和運(yùn)算器,數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼。第3章存儲(chǔ)系統(tǒng)講述了存儲(chǔ)器的基本概念,半導(dǎo)體隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器和半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器的組成及工作原理,半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的容量擴(kuò)展,雙端口RAM,多模塊交叉存儲(chǔ)器,相聯(lián)存儲(chǔ)器,Cache存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器。第4章指令系統(tǒng)講述了指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求,指令格式,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,指令格式的分析與設(shè)計(jì),典型指令系統(tǒng)舉例,CISC、RISC、退耦CISC/RISC和后RISC的基本概念。第5章中央處理器講述了CPU的功能和組成,指令周期,時(shí)序產(chǎn)生器,微程序控制器,硬連線控制器,流水線技術(shù),提高單機(jī)系統(tǒng)指令級(jí)并行性的措施,現(xiàn)代微處理器舉例。第6章總線結(jié)構(gòu)講述了總線的基本概念,總線標(biāo)準(zhǔn),總線仲裁和總線通信,總線舉例。第7章I/O設(shè)備簡(jiǎn)單介紹了典型I/O設(shè)備的工作原理和常見(jiàn)的性能指標(biāo)。第8章I/O系統(tǒng)講述了I/O系統(tǒng)的基本概念,I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu),I/O端口及其編址,以及I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式。

4教材的編寫特色

遵循教材編寫的指導(dǎo)思想和教材內(nèi)容的組織思路,筆者將在本校使用過(guò)多年的《計(jì)算機(jī)組成原理》講義整理成教材,已由西安電子科技大學(xué)出版社出版,教材的編寫具有如下五個(gè)特色:

(1) 基礎(chǔ)性強(qiáng),知識(shí)結(jié)構(gòu)合理

教材內(nèi)容的知識(shí)結(jié)構(gòu)包含了CC2005的主要知識(shí)點(diǎn),符合《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨專業(yè)規(guī)范(試行)》中對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)公共核心基礎(chǔ)課程“計(jì)算機(jī)組成原理”的要求和研究生入學(xué)考試全國(guó)統(tǒng)考大綱的要求。

(2) 教材內(nèi)容組織合理

在教材內(nèi)容組織上,采用了整體“自頂向下”,細(xì)節(jié)“自底向上”的方法;教材各章節(jié)內(nèi)容之間采用了整體“自頂向下”的內(nèi)容組織方法。第1章中先講述了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成,然后分章節(jié)講述了運(yùn)算器、內(nèi)存儲(chǔ)器、指令系統(tǒng)、控制器、系統(tǒng)總線、I/O設(shè)備和I/O系統(tǒng),由于控制器的功能主要是對(duì)指令系統(tǒng)中的指令進(jìn)行解釋,因此在內(nèi)容組織上,將指令系統(tǒng)安排在控制器內(nèi)容之前講述。CPU(包括運(yùn)算器、控制器和片內(nèi)Cache)和內(nèi)存儲(chǔ)器合稱為主機(jī),由于主機(jī)與I/O設(shè)備的連接采用系統(tǒng)總線,因此在講述完主機(jī)各組成部件之后,接下來(lái)講述了系統(tǒng)總線,最后才是講述I/O設(shè)備,以及實(shí)現(xiàn)主機(jī)通過(guò)總線與I/O設(shè)備進(jìn)行連接的外設(shè)接口及交換信息的常用控制方式,即I/O系統(tǒng)。這樣可以讓學(xué)生有一個(gè)非常直接、整體的把握,為接下去內(nèi)容的展開(kāi)和學(xué)習(xí)每一個(gè)部分的組成和工作原理奠定基礎(chǔ),把握總體方向。在涉及到各組成部分具體細(xì)節(jié)的知識(shí)點(diǎn)時(shí),我們采用了“自底向上”的內(nèi)容組織方法。因?yàn)樵谏婕暗骄唧w原理的時(shí)候,必須遵循由淺入深、循序漸進(jìn)的方法,即在講清基本概念和基本原理的基礎(chǔ)上,再進(jìn)行分析和設(shè)計(jì),不然沒(méi)有足夠的基礎(chǔ)知識(shí),學(xué)生將無(wú)法正確理解和掌握各部件的組成及工作原理。例如教材第4章中的指令系統(tǒng),我們先介紹了指令的格式、操作碼和地址碼的表示、指令字長(zhǎng)與機(jī)器字長(zhǎng)的關(guān)系、指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,再針對(duì)某一具體的指令格式舉例分析指令格式特點(diǎn)、操作數(shù)采用的尋址方式、有效地址的表示及尋址范圍,以及操作數(shù)的計(jì)算等,最后再舉例說(shuō)明如何根據(jù)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求來(lái)設(shè)計(jì)指令格式。再例如教材第5章中的微程序控制器,我們先介紹了微命令和微操作、微指令和微程序的概念,以及微指令格式,然后講述了微程序控制器的組成和工作原理,再以某一典型指令在某一特定時(shí)序控制方式和某一具體的模型機(jī)下的指令周期流程圖為例,介紹了微指令格式和微程序的設(shè)計(jì)方法,最后再討論微程序控制器的具體設(shè)計(jì)方法。

(3) 取材先進(jìn)

教材在計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)、指令系統(tǒng)的發(fā)展、提高單機(jī)系統(tǒng)指令級(jí)并行性的措施、總線標(biāo)準(zhǔn)等章節(jié)中引入了近幾年來(lái)較新的計(jì)算機(jī)技術(shù)。例如教材第5章在“提高單機(jī)系統(tǒng)指令級(jí)并行性的措施”這一節(jié)中,我們分別介紹了在單機(jī)系統(tǒng)中目前使用較廣的五種技術(shù),即超標(biāo)量、VLIW、超流水、超標(biāo)量超流水、EPIC技術(shù),并以現(xiàn)代微處理器Pentium 4和UltraSPARC Ⅲ為例介紹了微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及這些新技術(shù)的具體應(yīng)用。

(4) 符合計(jì)算學(xué)科的認(rèn)知理論,注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)

教材在內(nèi)容的設(shè)置上注重了人們?cè)谟?jì)算學(xué)科領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)規(guī)律,即從感性認(rèn)識(shí)(抽象)到理性認(rèn)識(shí)(理論),再由理性認(rèn)識(shí)(理論)回到實(shí)踐(設(shè)計(jì))的過(guò)程。以第5章為例,內(nèi)容安排上先讓讀者了解中央處理器的功能和組成,并以一個(gè)帶有內(nèi)部指令Cache和數(shù)據(jù)Cache的模型機(jī)為例介紹了典型指令的指令周期,即執(zhí)行過(guò)程,這些只是讓讀者對(duì)指令在計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。然后再講述如何用操作控制器根據(jù)不同的操作碼和時(shí)序信號(hào)來(lái)產(chǎn)生各種具有時(shí)間標(biāo)志的操作控制信號(hào),以便建立正確的數(shù)據(jù)通路,從而完成在感性認(rèn)識(shí)上所看到的指令的解釋過(guò)程。最后再回去實(shí)踐,即如何利用理論知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)操作控制器,以及設(shè)計(jì)的具體步驟。

根據(jù)筆者多年從事“計(jì)算機(jī)組成原理”課程理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn),教材中有關(guān)CPU的組成已通過(guò)EDA軟件設(shè)計(jì)驗(yàn)證。在保持CPU整體結(jié)構(gòu)不變的前提下,通過(guò)擴(kuò)展指令系統(tǒng)、設(shè)計(jì)新的指令格式和尋址方式、增加通用寄存器的個(gè)數(shù)、更新操作控制器的設(shè)計(jì)等,可設(shè)計(jì)各類功能強(qiáng)弱不同的CPU,并可通過(guò)運(yùn)行機(jī)器語(yǔ)言源程序來(lái)驗(yàn)證CPU設(shè)計(jì)的正確性。此部分可作為該課程的綜合實(shí)踐性環(huán)節(jié),以增強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力。

(5) 有助于讀者自學(xué)

每章針對(duì)各主要知識(shí)點(diǎn)給出了大量的例題,解題過(guò)程詳細(xì),思路清晰,有助于對(duì)基本理論、基本方法的理解。各章節(jié)后的習(xí)題均附有參考答案,但只有難度較高的習(xí)題附有較具體的解題過(guò)程,對(duì)于與教材中例題相似的習(xí)題則只給出了答案,而概念性的習(xí)題則直接省略,這樣做將有助于讀者自學(xué),而不是不加思考的死記硬背,也避免了學(xué)生做作業(yè)時(shí)的簡(jiǎn)單抄襲。

5結(jié)束語(yǔ)

《計(jì)算機(jī)組成原理》教材的知識(shí)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容組織既符合CC2005核心課程知識(shí)體系,又符合研究生入學(xué)考試全國(guó)統(tǒng)考大綱的要求。該教材的使用,加深了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成和工作原理的理解,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獨(dú)立思考的能力,為該課程的實(shí)踐教學(xué)和后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),收到了良好的學(xué)習(xí)效果。

參考文獻(xiàn):

[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] 教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì). 高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)公共核心知識(shí)體系與課程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[3] 中華人民共和國(guó)教育部. 2009年考研計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試大綱[Z/OL]. [2008-08-30]. http://www.cnedu.cn/news/ 2008/8/qi4401344353158800213376.html.

[4] 陳智勇. 計(jì)算機(jī)組成原理[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.