摘要：計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課，包含了很多復(fù)雜、抽象的概念。這些概念又需要組合成一個(gè)系統(tǒng)，相互輔助起來才好理解。這門課內(nèi)容的復(fù)雜性給講授教師提了很高的要求。該文結(jié)合本人教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出一種以數(shù)據(jù)為主線的計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)方法。該方法把理論教學(xué)和計(jì)算機(jī)模擬結(jié)合在一起，使學(xué)生學(xué)習(xí)更加直觀、易懂。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；教學(xué)手段；主存

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）16-3767-03

1 概述

發(fā)展計(jì)算機(jī)的技術(shù)，硬件設(shè)計(jì)的人才培養(yǎng)不可或缺。若要設(shè)計(jì)某個(gè)部件，首先得了解該部件存在的目的，然后掌握該部件的工作原理，才能設(shè)計(jì)出來，或改進(jìn)得更好。學(xué)生想要掌握這些知識(shí)，需要學(xué)習(xí)多門課程，計(jì)算機(jī)組成原理就是其中典型的一門。計(jì)算機(jī)組成原理需要給學(xué)生講述計(jì)算機(jī)的各種主要組成部件以及它們的工作原理。為計(jì)算機(jī)類專業(yè)的后繼課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，也是學(xué)生以后從事計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的必修知識(shí)。

計(jì)算機(jī)從誕生到現(xiàn)在，經(jīng)過了幾十年，根據(jù)不同的需要，產(chǎn)生的部件和理論都是多種多樣。而且計(jì)算機(jī)仍然在迅速發(fā)展中。這些導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)組成原理課程的內(nèi)容繁多。而且由于計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)更傾向于系統(tǒng)工程，課程的理論講解若不結(jié)合實(shí)踐設(shè)計(jì)，將使學(xué)生理解膚淺，很難應(yīng)用于實(shí)際。這些情況都給授課教師提出更高的要求。教師如何能夠通過課程教學(xué)，把原理講清楚，包括整體系統(tǒng)開發(fā)的概念，是一個(gè)值得探討的問題。

現(xiàn)在大多數(shù)計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)采用馮·諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的部件劃分方式[1]。不可否認(rèn)，運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五大部件仍然覆蓋了現(xiàn)在大多數(shù)的計(jì)算機(jī)部件。從模塊來看，如果能夠掌握各個(gè)模塊的工作原理及其相互作用關(guān)系，對(duì)課程掌握是達(dá)到目的的。但是對(duì)剛開始了解計(jì)算機(jī)內(nèi)部的學(xué)生來說，在聽講各個(gè)模塊孤立的內(nèi)部工作原理時(shí)，將會(huì)覺得枯燥、不知所措，“學(xué)這些內(nèi)容有什么用”會(huì)一直縈繞心中。

對(duì)五大部件的介紹，需要不斷地提及系統(tǒng)性，關(guān)注各部件之間的關(guān)系。這種講述方式可以以某個(gè)部件為中心或主線。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)是受限于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)發(fā)展的情況，以運(yùn)算器為中心。現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)已轉(zhuǎn)化為以存儲(chǔ)器為中心[2]。從沒有存儲(chǔ)器的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC到現(xiàn)在的以存儲(chǔ)器為中心的體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，得益于存儲(chǔ)器的不斷發(fā)展。而現(xiàn)在的學(xué)生，如果以后想設(shè)計(jì)出更加先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，從存儲(chǔ)器的理解開始，不失為一種可行途徑。唐朔飛老師著的教材[2]就把存儲(chǔ)器放在了中心的位置，但是從內(nèi)容分布來看，仍然是介紹完一個(gè)部件，再介紹另一個(gè)，而很少顯式地體現(xiàn)出它們之間的關(guān)系，需要教師在介紹的時(shí)候講述、強(qiáng)調(diào)。

本文提出一種以數(shù)據(jù)為主線的計(jì)算機(jī)組成原理課程講述方法，以供大家探討。該方法主要以主存的工作原理、讀寫操作、數(shù)據(jù)解析等數(shù)據(jù)操作為主線，以數(shù)據(jù)為中心的軟件模擬為輔助手段，模擬硬件設(shè)計(jì)流程，從而讓學(xué)生由熟知的硬件單元開始，不斷逐步擴(kuò)展，了解新的內(nèi)容，直至掌握計(jì)算機(jī)的各個(gè)主要組成部件的工作原理。

2 教學(xué)模式改革

在一個(gè)學(xué)期的一門課的課時(shí)里，需要講述計(jì)算機(jī)許多部件的組成、工作原理。由于時(shí)間的限制，不可能引入太多新穎的、時(shí)髦的具體器件介紹來吸引學(xué)生[3]，因此還是應(yīng)該由淺入深，講清楚各個(gè)部件的基本工作原理，并留下問題，拋磚引玉。讓學(xué)生有了一定基礎(chǔ)后，可以對(duì)自己感興趣的內(nèi)容繼續(xù)探索和研究。

基本工作原理是基礎(chǔ)，是學(xué)習(xí)與理解計(jì)算機(jī)組成與運(yùn)行機(jī)制的核心知識(shí)，其特點(diǎn)是穩(wěn)定性（不隨時(shí)間變遷而改變）和通用性（不隨具體機(jī)型而變化），是學(xué)生一定要掌握的重要部分[4]。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的基本功能就是保存數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和表現(xiàn)數(shù)據(jù)。這些功能都要依賴于數(shù)據(jù)。而學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理時(shí)，一般已經(jīng)掌握至少1門程序語言，對(duì)數(shù)據(jù)已經(jīng)有一定的了解。如果從數(shù)據(jù)入手，將可使學(xué)生由熟悉的內(nèi)容開始學(xué)習(xí)，更容易接受。

另外，現(xiàn)在在很多學(xué)校里，由于經(jīng)費(fèi)等原因，計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)缺乏一個(gè)能讓教師和學(xué)生運(yùn)用工程實(shí)踐理念進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[4]。從產(chǎn)業(yè)界來看，由于硬件設(shè)計(jì)的成本昂貴，很多硬件設(shè)計(jì)的前期都是要經(jīng)過軟件模擬的驗(yàn)證的，所以軟件模擬也是讓學(xué)生逐步熟悉設(shè)計(jì)的過程。硬件成本比較高，但簡單軟件模擬應(yīng)該是可以做到的。

對(duì)于計(jì)算機(jī)組成原理這樣系統(tǒng)性課程，軟件模擬又不能一蹴而就，所以需要形成一個(gè)可以把課程內(nèi)容逐步加進(jìn)去且方便軟件模擬實(shí)現(xiàn)的教學(xué)方式。從軟件模擬的角度，由數(shù)據(jù)入手，可以逐個(gè)講解以下幾個(gè)內(nèi)容：數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模擬、數(shù)據(jù)的讀寫、數(shù)據(jù)的數(shù)值解析、數(shù)據(jù)的指令解析等。

2.1 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模擬

2.2 主存數(shù)據(jù)讀出、寫入

圖 3給出了兩種主要的讀數(shù)據(jù)方式，其中“（H）”代表十六進(jìn)制數(shù)，“（B）”代表二進(jìn)制數(shù)。地址分配方式可以選擇大端或小端的方式。從該模擬中，學(xué)生可以了解的讀數(shù)據(jù)必須提供地址，而所讀得的數(shù)據(jù)就可以通過可視化的主存觀察到。特別是當(dāng)從同一地址讀出多字節(jié)字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，采用不同地址分配方式，將組成不同的字。通過可視化的主存，讓學(xué)生直接比對(duì)所讀得的數(shù)據(jù)和主存中保存的數(shù)據(jù)，將能夠讓他們更能掌握這方面知識(shí)。另外，還可以加入多個(gè)層次的存儲(chǔ)器，在讀取過程中，人為地為各存儲(chǔ)器構(gòu)造一些不同長度延時(shí)，從而講述存儲(chǔ)器速度、容量和位價(jià)，還有高速緩沖器的作用等。

2.3 主存數(shù)據(jù)解析

主存數(shù)據(jù)除了能夠被解析成數(shù)值，還能夠被解析成機(jī)器指令。這同樣需要從主存里讀出數(shù)據(jù)并解析，但是就不像數(shù)值那樣固定，因?yàn)樗唧w的指令系統(tǒng)有關(guān)。不同指令系統(tǒng)，對(duì)于相同的主存數(shù)據(jù)的解釋可能是不一樣的。而提供一個(gè)模擬，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)，從而解析從主存里讀出的數(shù)據(jù)，將可以使他們更能理解指令系統(tǒng)內(nèi)容。類似指令系統(tǒng)，可以定義指令周期、流水線、微指令、控制形成等內(nèi)容。

2.4 學(xué)生的自主模擬實(shí)現(xiàn)

學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理的時(shí)候，應(yīng)該已經(jīng)學(xué)習(xí)過編程語言，已經(jīng)可以根據(jù)一些邏輯要求編寫和運(yùn)行程序，并得到正確的結(jié)果。那么，教師可以給定《電子技術(shù)》、《數(shù)字邏輯》等在計(jì)算機(jī)組成原理模擬中會(huì)用到的基本模塊，比如存儲(chǔ)單元，然后鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的模擬。產(chǎn)業(yè)界的硬件設(shè)計(jì)也是從軟件模擬檢驗(yàn)開始。當(dāng)學(xué)生對(duì)模塊進(jìn)行模擬時(shí)，肯定是建立在掌握其工作原理的基礎(chǔ)之上。當(dāng)實(shí)現(xiàn)了模擬，對(duì)學(xué)生來說是完成了自己獨(dú)有的設(shè)計(jì)，會(huì)產(chǎn)生成就感，不斷推進(jìn)學(xué)習(xí)。那么再讓他們?cè)O(shè)計(jì)硬件模塊，將能夠更容易上手。

3 結(jié) 論

本文提出了一種以數(shù)據(jù)為主線的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)方法。該方法提出把理論講解和實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)踐除了硬件實(shí)驗(yàn)外，還包括教師提供的模擬平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)，通過不同值的輸入來了解工作原理，也可以讓學(xué)生進(jìn)行工作原理的自主模擬，加深理解。該方法從學(xué)生熟悉的數(shù)據(jù)開始，從存儲(chǔ)、讀寫到解析，通過主存可視化，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)更加直觀、易懂。

參考文獻(xiàn)：

[1] 岳珂娟. 馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中的重要性[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2012（24）：99-101.

[2] 唐朔飛. 計(jì)算機(jī)組成原理[M]. 第2版. 北京： 高等教育出版社， 2008.

[3] 趙艷麗. 《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)探討[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)， 2012，8（25）：6082-6083.

[4] 郭超峰. 計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)模式改革與創(chuàng)新[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2012（24）：45-48.