◆冉全 陳艷

作者：冉全，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)軟硬件研究與開發(fā)；陳艷，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院（430073）。

1 引言

計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（也稱體系結(jié)構(gòu)）是大多數(shù)計(jì)算機(jī)類專業(yè)的基礎(chǔ)硬件類課程，對(duì)于很多學(xué)生來說，也是兩門比較懼怕的課程。除了課程內(nèi)容包含較多學(xué)生看來枯燥乏味的概念、電路、算法和原理之外，有些知識(shí)點(diǎn)相對(duì)陳舊，一些描述模糊不清，引起學(xué)習(xí)者概念混亂甚至不明所以，更加打擊了學(xué)習(xí)興趣和熱情。這導(dǎo)致一部分學(xué)生畏懼甚至厭煩這兩門課，連帶懼怕需要?jiǎng)邮趾蛯?shí)踐的其他硬件課程，“欺軟怕硬”成為較為普遍的現(xiàn)象。這對(duì)于計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)性地掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)，畢業(yè)后成為適應(yīng)社會(huì)多方面需要的有用人才無疑是不利的。

2 關(guān)于組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的課程安排

這兩門課程，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)講述的是概念性的體系和功能，站在軟硬件分界面的角度討論計(jì)算機(jī)硬件的結(jié)構(gòu)性框架如何搭建；計(jì)算機(jī)組成則從經(jīng)典的馮·諾依曼五大部件入手，分析計(jì)算機(jī)硬件組成的具體內(nèi)容，包括示例性的邏輯電路和二進(jìn)制算法，來講述計(jì)算機(jī)的基本工作原理。兩者站在不同的視角看待硬件問題，難免會(huì)有重疊。因此，有些學(xué)校兩門課分開上，有些學(xué)校合并成一門課；國(guó)內(nèi)的一些出版單位也順勢(shì)推出一些合并課本，或者干脆直接取名叫做“計(jì)算機(jī)組成原理與體系結(jié)構(gòu)”，兩門課程各選取了一些核心內(nèi)容組在一起，搞成一個(gè)混合版本。

筆者認(rèn)為這種課程合并適合一些高職高專類的院校，對(duì)于計(jì)算機(jī)類本科專業(yè)而言還是存在問題的，如學(xué)時(shí)安排方面的問題。組成原理是考研課程，要講述透徹則學(xué)時(shí)數(shù)必須得到保證，加上實(shí)驗(yàn)，總學(xué)時(shí)需要60 以上。體系結(jié)構(gòu)重點(diǎn)放到流水線、多級(jí)存儲(chǔ)層次、多處理機(jī)并行計(jì)算等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)廣泛采用的新技術(shù)，要想講解清楚一般也要40 學(xué)時(shí)左右。兩者合并，如果學(xué)時(shí)數(shù)不能得到保證，其結(jié)果是兩部分內(nèi)容都講不好；而如果一味擴(kuò)大學(xué)時(shí)數(shù)，如擴(kuò)充到80 學(xué)時(shí)以上，又會(huì)給學(xué)生造成相當(dāng)大的心理負(fù)擔(dān)。本來硬件課程就是攔路虎，這樣一個(gè)超大學(xué)時(shí)的硬件專業(yè)課不會(huì)有良好的教學(xué)效果。

多年前也曾經(jīng)合并做過，效果并不好，后來又改回到兩門課程分別開設(shè)，依據(jù)傳統(tǒng)，先講組成原理，緊接著一個(gè)學(xué)期開設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但現(xiàn)在面臨一個(gè)問題：內(nèi)容的取舍。很多經(jīng)典的組成原理課本不知從什么時(shí)候開始夾雜很多流水線和高速緩沖存儲(chǔ)器的內(nèi)容，部分課本甚至還有多處理機(jī)方面的。這些書的作者可能想適應(yīng)那些合并開課學(xué)校的用書想法，所以開始大幅增加原本屬于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中的內(nèi)容。

另一個(gè)方面，考研的組成原理大綱確實(shí)包括了流水線、多級(jí)存儲(chǔ)層次和多機(jī)系統(tǒng)，也就是說考研課程名雖是組成原理，實(shí)際卻包括了兩門課的知識(shí)點(diǎn)。從這個(gè)角度看，這些組成原理教材增加的篇幅包含這些內(nèi)容也是合理的。問題是，上組成原理課程時(shí)怎么應(yīng)對(duì)這些原本下學(xué)期才要講述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中的內(nèi)容？

武漢工程大學(xué)是多校聯(lián)合的考試聯(lián)盟出題，為了和考研內(nèi)容一致，所以題目中有很多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。原本按照課程順序，這些知識(shí)點(diǎn)都是下一學(xué)期才應(yīng)該講述的，但是為了考試，又不得不囫圇吞棗提前講解，導(dǎo)致學(xué)生考試結(jié)果不理想。為了避免這種混亂，能否先講述體系結(jié)構(gòu)課程，然后講述組成原理呢？從內(nèi)在聯(lián)系來看，組成原理可以看作體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，因此先講“干”再講“枝”應(yīng)該也行得通，涉及器件組成、數(shù)據(jù)通路、指令、二進(jìn)制、中斷機(jī)制等組成原理中詳細(xì)講解的部分，可以講最基本的原理，能輔助課程理解就行。這樣改變傳統(tǒng)排課次序的做法能不能收到更好的效果？準(zhǔn)備進(jìn)行嘗試。

3 CPU 部分的討論

CPU 的內(nèi)容很多，兩門課都有大量涉及，以下討論不再和課程掛鉤，只說明哪些內(nèi)容值得商榷。

CPU 的發(fā)展和兼容 第一代電子管計(jì)算機(jī)，第二代晶體管計(jì)算機(jī)，這個(gè)沒什么疑問；第三代、第四代都是對(duì)應(yīng)集成電路，只是規(guī)模不同，量變引起質(zhì)變，劃到下一代也能接受；而關(guān)于第五代計(jì)算機(jī)就值得推敲了，到底第五代計(jì)算機(jī)是什么？一些教材把它劃歸到超大規(guī)模集成電路中去，筆者認(rèn)為不妥，其實(shí)學(xué)術(shù)界從20 世紀(jì)90年代就在呼喚第五代計(jì)算機(jī)，但是并沒有明確是什么，而是等待采用全新技術(shù)或者全新材料的計(jì)算機(jī)問世，普遍認(rèn)為光子、量子、超導(dǎo)、生物這幾個(gè)方面有可能誕生出第五代計(jì)算機(jī)出來，遺憾的是現(xiàn)在仍然都處于研究階段，所以關(guān)于計(jì)算機(jī)的劃代應(yīng)該到四代為止。要讓學(xué)生明白，科學(xué)的發(fā)展有高潮和低谷，過10 ～20年強(qiáng)行劃分新一代來說明計(jì)算機(jī)的進(jìn)步?jīng)]有意義，因?yàn)榧呻娐凡荒芤淮未斡闪孔円l(fā)質(zhì)變！

關(guān)于發(fā)展過程中的兼容，也很難明確，就拿向前和向后兼容來說，站在機(jī)器的角度來說，后面的機(jī)器能運(yùn)行前面機(jī)器的軟件，應(yīng)該叫向前兼容，但是站在軟件的角度來說，前面開發(fā)的軟件要能在后面出現(xiàn)的機(jī)器中運(yùn)行，則又成了向后兼容。兩者實(shí)質(zhì)上是一回事，卻可以有兩種說法，如果出題討論兼容性，學(xué)生該怎么給出答案？

運(yùn)算方法 各種碼制、定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)可以詳述，這些是基本的，對(duì)于以后實(shí)際使用和各種編程都有好處；加減法和溢出概念作為了解計(jì)算機(jī)內(nèi)部的運(yùn)算原理，也可以讓學(xué)生掌握；但是乘法和除法，特別是兩位乘以及除法的余數(shù)校正這些東西，學(xué)生要費(fèi)很大力才能弄明白，一個(gè)月后就一定會(huì)忘記得干干凈凈。這些屬于技巧類的算法還是不要占那么多篇幅介紹為好。一些課本不再講述各種進(jìn)位制的轉(zhuǎn)換，筆者認(rèn)為不恰當(dāng)，作為初接觸二進(jìn)制的學(xué)生而言，搞清各種進(jìn)位制及其轉(zhuǎn)換是很有必要的，至少比兩位乘法或者加減交替做除法重要得多。

尋址方式 很多學(xué)生一直到畢業(yè)也沒弄清尋址方式，這部分內(nèi)容應(yīng)該把那么多紛繁的名詞簡(jiǎn)化。舉例來說，基址、變址、索引、縮放、偏移、自增、自減，再加上直接、間接、相對(duì)尋址等，這些本來都是針對(duì)存儲(chǔ)器的尋址方式，弄出這么多名詞來學(xué)生不頭疼才怪。其實(shí)尋址完全可以簡(jiǎn)單明了做介紹，而不拘泥于這些奇怪的名詞上：數(shù)據(jù)可以在三個(gè)地方出現(xiàn)，分別是指令中、寄存器中、存儲(chǔ)器中；前兩種叫做立即數(shù)和寄存器尋址，第三種則區(qū)分為直接地址和間接地址，只有間接地址可以變化多端，其中基地址加上偏移量組合是最基本的形式。

關(guān)于微程序控制器 當(dāng)今CPU 還有多少使用微程序控制器的？即使是CISC 也變臉為硬件解碼后送入內(nèi)部長(zhǎng)長(zhǎng)的類似RISC 的管線系統(tǒng)。作為訓(xùn)練和實(shí)踐控制器部分的手段可以講述，畢竟一個(gè)硬邏輯的控制器很難實(shí)現(xiàn)，但是關(guān)于水平的、垂直的微程序甚至毫微程序這些概念還是盡量簡(jiǎn)化吧。這里面有很多難題、怪題，各種字段的分解與組合作為考試的手段也應(yīng)該點(diǎn)到即止，畢竟誰都不會(huì)去真正設(shè)計(jì)一款復(fù)雜的微程序控制器。

4 存儲(chǔ)器部分的討論

主存典型芯片 還在用2114、4116 作為芯片實(shí)例？對(duì)這些舊貨市場(chǎng)都不一定買得到的東西進(jìn)行詳細(xì)分解，其古怪的時(shí)序、簡(jiǎn)陋的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)占據(jù)了大量篇幅，為什么不用現(xiàn)在市場(chǎng)上仍在普遍使用的簡(jiǎn)單8 位或者16 位存儲(chǔ)芯片舉例呢？如27 系列ROM、62 系列RAM。而高性能存儲(chǔ)芯片的介紹也停留在20年前的SDRAM、早已淘汰的RDRAM/CDRAM，要知道現(xiàn)在已經(jīng)是DDR4 的時(shí)代了。

輔存 還在大力介紹軟盤，甚至是8 英寸軟盤，而市場(chǎng)上3.5 寸的最后一代軟盤都找不到了，8 寸的軟盤估計(jì)博物館里面也難得一見。磁記錄的編碼方式似乎也沒有講解的必要，歸零制、不歸零制的編碼方式過時(shí)不說，實(shí)在和計(jì)算機(jī)的軟硬件組成都沒有太大的關(guān)系。關(guān)于硬盤方面的先進(jìn)技術(shù)介紹，停留在幾個(gè)G 的容量、幾十KB 的緩存，以及IBM 硬盤、昆騰硬盤等這些不知消失多久的產(chǎn)品上，感覺又回到了20 世紀(jì)90年代。

Cache 和虛存 作為兩個(gè)同等重要的存儲(chǔ)層次，討論卻都主要集中在前者，后者的重要性沒有得到體現(xiàn)。改進(jìn)Cache 失效率的措施花了大量篇幅，其中有些措施根本沒有任何實(shí)用價(jià)值。而編譯器優(yōu)化和軟件控制的預(yù)取等內(nèi)容本就不屬于體系結(jié)構(gòu)所要關(guān)心的，其算法和編程原理同樣占用很多寶貴的篇幅。關(guān)于Cache 技術(shù)所舉的實(shí)例采用的都是20年前的芯片技術(shù)，雖然相對(duì)簡(jiǎn)單易懂，卻也處于和8086 在微機(jī)原理課程中作為示例CPU 一樣的尷尬地位。

5 I/O 和總線部分的討論

總線結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn) 單總線、雙總線、三總線甚至四總線結(jié)構(gòu)的討論，繁瑣、過時(shí)且相互矛盾。就拿三總線來說，數(shù)據(jù)、地址、控制總線是三總線，局部、系統(tǒng)、擴(kuò)展總線也是三總線，還有主存、I/O、DMA 總線又是一種三總線。介紹過時(shí)的ISA、EISA、VESA 乃至AGP 總線有價(jià)值嗎？最關(guān)鍵的一點(diǎn)，很多教材花大篇幅介紹這些淘汰技術(shù)的同時(shí)，不去直面它們的落后和淘汰的現(xiàn)狀。不是說淘汰的技術(shù)不能介紹，作為人類曾經(jīng)的技術(shù)結(jié)晶和科技?xì)v史，有必要讓學(xué)生了解，但是應(yīng)該把握兩點(diǎn)：一是篇幅要??；二是明確告訴學(xué)生，這些東西都已經(jīng)成為歷史。

總線判優(yōu)與控制 集中式判優(yōu)中的鏈?zhǔn)讲樵兒陀?jì)數(shù)器定時(shí)查詢究竟在什么時(shí)候什么場(chǎng)合出現(xiàn)過總應(yīng)該提及一下。說獨(dú)立請(qǐng)求方式響應(yīng)最快也沒有說服力，和鏈?zhǔn)讲樵兿啾容^都是全硬件信號(hào)，快慢就看誰的邏輯復(fù)雜，獨(dú)立請(qǐng)求方式一定最快的根據(jù)并不充分。

同步控制和異步控制以及串行和并行方式是總線控制的兩個(gè)主要內(nèi)容，應(yīng)該針對(duì)具體的總線實(shí)例加以分析。一些習(xí)題或者課本說同步比異步方式快，或者并行方式比串行方式快，筆者認(rèn)為這些都是欠妥的，當(dāng)今高速異步串行總線的帶寬有目共睹。總線的快慢，和是否串并行、是否同步異步?jīng)]有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

I/O 接口與設(shè)備 很多查詢、中斷、DMA 等接口電路的組成都給出實(shí)現(xiàn)的電路圖，這些圖在實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)采用，對(duì)學(xué)生而言復(fù)雜晦澀，他們還錯(cuò)覺地認(rèn)為這些電路才是標(biāo)準(zhǔn)的I/O 接口。其實(shí)實(shí)現(xiàn)接口的方式和原理有多種，詳細(xì)介紹接口具備的功能應(yīng)該比介紹這些電路圖有意義得多。

CRT 顯示器和CRT 控制器，隨機(jī)掃描和光柵掃描，偽彩色、CGA、EGA 等，講述的課本不在少數(shù)。筆者20年前的課堂上就講過這些，現(xiàn)在再講實(shí)在味同嚼蠟。關(guān)于多媒體電腦、多媒體專用芯片甚至多媒體操作系統(tǒng)這些概念，同樣顯得和時(shí)代格格不入，20年前這些說法可能代表新技術(shù)，而在全民手機(jī)都能處理多媒體的今天，這些說法本身似乎都失去了意義。

中斷向量 本來向量的含義就是借用物理中定向指向的概念，去說明中斷后自動(dòng)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置去實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)，一些教材卻在中斷向量、向量中斷、中斷入口、向量地址等環(huán)節(jié)上反復(fù)糾纏，用一些模棱兩可的用詞去“加深”學(xué)生的理解，實(shí)際的效果卻和“干擾”無異。類似的還有所謂存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)元、存儲(chǔ)字、存儲(chǔ)字長(zhǎng)、機(jī)器字長(zhǎng)、讀寫周期、存儲(chǔ)周期、總線周期、機(jī)器周期等，非要讓學(xué)生區(qū)分得清清楚楚，恐怕很難，況且這些概念本身就有相交之處。就拿中斷向量來說，究竟是硬件切換出來的向量地址，還是向量地址中存放的服務(wù)程序入口，誰能說得清？還有總線周期和存儲(chǔ)周期，當(dāng)總線上傳遞存儲(chǔ)單元信息時(shí)就是一回事。這些細(xì)微差別的概念即使要作為考題也要慎重，筆者多次碰到引起歧義的答案。

中斷屏蔽和優(yōu)先級(jí) 本來是兩個(gè)很清楚的概念，各自的用途也非常明確，一旦把所謂的低優(yōu)先級(jí)去中斷高優(yōu)先級(jí)的特例弄進(jìn)去（暫不說這種做法有什么實(shí)際意義），一切都變得復(fù)雜起來。畫中斷響應(yīng)軌跡圖是很多題目最喜歡的，實(shí)際應(yīng)用中若是出現(xiàn)像軌跡圖那樣亂七八糟的中斷嵌套，系統(tǒng)很容易徹底崩潰。這些低優(yōu)先級(jí)中斷去嵌套高優(yōu)先級(jí)中斷的非常規(guī)做法還是不要復(fù)雜化。

6 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與課程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)課一般以某種實(shí)驗(yàn)箱為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，把經(jīng)典的運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通路（總線）、控制器等幾個(gè)大的組成部分作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，去加深課堂相關(guān)內(nèi)容的理解。課程設(shè)計(jì)則是依托實(shí)驗(yàn)箱的硬件構(gòu)造，去設(shè)計(jì)一個(gè)具備更加復(fù)雜功能的部件或者組成一臺(tái)能運(yùn)行簡(jiǎn)單指令集的模擬整機(jī)。這種做法對(duì)于大多數(shù)普通院校的學(xué)生而言沒有什么問題，少數(shù)重點(diǎn)大學(xué)使用FPGA 設(shè)計(jì)CPU 軟核并在模擬機(jī)中移植某種操作系統(tǒng)作為課程設(shè)計(jì)則屬于高端要求，這里不加分析。

要討論的是這種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱做經(jīng)典組成實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，通過對(duì)幾個(gè)廠家的組成原理實(shí)驗(yàn)箱的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)它們都有如下特點(diǎn)。

1）采用開放式的面板，把所有部件以及連接線的插孔都安排在這個(gè)面積很大的面板上，所有元件和芯片裸露。

2）運(yùn)算器使用74181 或者在可編程邏輯器件中使用該芯片邏輯，以配合教材內(nèi)容。

3）存儲(chǔ)器使用普通SRAM 或者雙端口SRAM。

4）控制器以微程序控制方式為主，使用非易失性存儲(chǔ)器構(gòu)成控存單元。少部分也提供硬邏輯控制器，用可編程邏輯器件構(gòu)成。

5）大量使用開關(guān)和LED 作為輸入輸出部件，信號(hào)連接使用針孔配合的導(dǎo)線。

6）說明書和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書普遍不嚴(yán)謹(jǐn)，文字和圖表錯(cuò)誤很多，印制粗糙，且基本上都不提供電子版。

以上特點(diǎn)的組成原理實(shí)驗(yàn)箱往往還兼顧微機(jī)原理或者體系結(jié)構(gòu)，甚至還有數(shù)字邏輯的課程實(shí)驗(yàn)?？傮w來說，它們會(huì)導(dǎo)致以下一些問題。

1）很大面積的電路板且裸露，即使上面有分割各個(gè)模塊的線條，仍然覺得龐雜凌亂，想找一個(gè)信號(hào)會(huì)非常不便，令學(xué)生望而生畏。因?yàn)橐疹櫟蕉嚅T課程，所以一些電路單元在某門課程中就會(huì)用不上，還要增加切換電路的模式開關(guān)。這些都使操作復(fù)雜化，容易造成儀器損壞。一般來說，三年左右損壞率可以達(dá)到50%以上。

2）連線普遍采用插頭和插孔的配合形式，差別在于有的型號(hào)粗、有的型號(hào)細(xì)，有的深、有的淺。這種連接方式太緊了插拔不方便容易斷線，太松了接觸不良；而且隨著實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜，面板上的線像一團(tuán)亂麻，什么都看不清楚，即使采用了長(zhǎng)短不一和不同顏色的導(dǎo)線加以區(qū)分，仍然不能解決問題，非常不便于調(diào)試和觀察。

3）輸入和輸出方式操作復(fù)雜，更不直觀。用二進(jìn)制表示的撥動(dòng)開關(guān)和LED 管，輸入的每個(gè)數(shù)據(jù)都要撥8 次開關(guān)才能完成，輸出的數(shù)據(jù)因?yàn)槭荓ED 表示的二進(jìn)制信息，不易于識(shí)別。這兩種形式的I/O 還存在占用面積大，故障率高的缺點(diǎn)。

7 總結(jié)

計(jì)算機(jī)是發(fā)展很快的一門實(shí)踐和工程類學(xué)科，不管是軟件還是硬件皆是如此。軟件類的書籍更新很快，當(dāng)下的的開發(fā)工具和語言可能幾年后就沒有了用武之地，除了某些描述算法和原理的理論書籍，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編譯原理之類，更新周期可能較長(zhǎng)。

相比軟件類課程而言，硬件課程一個(gè)版本可能堅(jiān)持更長(zhǎng)時(shí)間，有些教材甚至有十年以上的生命周期，如傳統(tǒng)的電路原理、數(shù)字邏輯類的課程。那么，計(jì)算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為硬件基礎(chǔ)課程，是不是也能多少年不用更新呢？即使一些內(nèi)容已經(jīng)時(shí)過境遷，仍然堂而皇之地出現(xiàn)在教材里面，導(dǎo)致一部分了解這些內(nèi)容的學(xué)生產(chǎn)生抵觸情緒。不能追蹤新技術(shù)的硬件課程對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果都是有消極影響的。

本文希望能起到拋磚引玉的作用，引起教材作者和實(shí)驗(yàn)設(shè)備開發(fā)人員的重視，對(duì)相關(guān)內(nèi)容及時(shí)更新或者刪除，對(duì)設(shè)備中的不足加以改進(jìn)，更好地促進(jìn)計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩門課程的發(fā)展。

[1]張晨曦,等.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M].北京:高等教育出版社,2008.

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

[3]唐朔飛.計(jì)算機(jī)組成原理:學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答[M].北京:高等教育出版社,2012.

[4]白中英.計(jì)算機(jī)組成原理[M].北京:中國(guó)科學(xué)出版社,2009.

[5]蔣宗禮.高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程教學(xué)實(shí)施方案[M].北京:高等教育出版社,2009.