導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇計算機系統結構，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內容能為您提供靈感和參考。

篇1

[4]王麗暉. 現代計算機系統結構發展趨勢分析，開發展望. 2005：4-5.

[5]歐中宏，袁由光，李海山等. 一種高性價比的容錯計算機結構，第十屆全國容錯計算學術會議.

[6]曾慶華，陳天麟. 可擴展并行計算機系統結構和發展現狀，計算機科學. 2003：第30卷，第9期. 158-161.

[7]龔明. 后PC時代計算機系統結構的發展，計算機工程. 2001年3月：第27卷，第3期. 1-2.

[8]范玲玲. 計算機硬件知識體系的結構框架研究，信息產業. 2013：178.

篇2

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

“計算機系統結構”課是“計算機科學與技術”專業本科生開設的一門專業必修課，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，從全局和系統的角度介紹計算機系統設計所必須了解和掌握的知識，把前續的“計算機組成原理”、“操作系統”、“編譯原理”、“數據結構”、“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的完整概念。學習本課程旨在使學生從總體結構、系統分析這一角度來研究計算機系統，對于培養系統地分析和解決問題的能力，培養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，以求交流同行經驗，促進課程建設更快發展。

一、課程內容和特點

我?！坝嬎銠C系統結構”本科生課程主要采用李學干教授等編著的《計算機系統結構》作為教材，內容主要包括計算機系統結構概論、數據表示、尋址方式與指令系統、存儲、中斷、總線與I/O系統、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”、“編譯原理”、“數據結構”、“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“優化設計編譯系統”，涉及到常規的優化技術和手段，如將公用的子表達式消除、將常量移到循環體外等編譯優化技術。在“計算機系統結構”課程中只能通過舉例的方式列舉某些優化技術，而詳細的優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”一節中，又涉及到大量的操作系統的知識，作為“計算機系統結構”課程需要重點從全局的角度講解中斷系統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”、“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”的內容劃分及協調。在同與“計算機系統結構”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、I/O系統、存儲系統等，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“計算機系統結構”課程主要講授高級語言、編譯、操作系統和硬件結構的關系及從量化的角度重點講解如何優化計算機性能。如兩門課程講授內容都包括了“指令系統”，“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“計算機系統結構”課程則從計算機系統優化的角度引出“變址尋址”和“基址尋址”技術。在“計算機系統結構”課程的“數據表示”章節中指出，為了提高計算機的運算速度，對向量、陣列數據結構的實現提供直接支持，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”章節中講解的，其主要解決在不準修改指令地址碼時如何實現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課程內容。所以，“計算機組成原理”和“計算機系統結構”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展，近年來我們逐步從以下幾個方面對“計算機系統結構”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“指令系統的發展和改進”章節時，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的更新，從現在比較“火”的嵌入式智能手機的微處理器設計說起，對比采用RISC指令系統的ARM處理器和采用CISC指令系統的Atom處理器的功耗和計算性能的優缺點，來解釋不同指令系統的優缺點。②加大課程內容的深度.“計算機系統結構”是將“計算機組成原理”、“操作系統”、“編譯原理”、“數據結構”、“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，首先啟發學生思考：大家在采用C語言編程聲明結構體數據類型時，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內容，又達到幫助學生學習從總體結構、系統分析這一角度來研究計算機系統，培養他們系統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，改變了原有的片上單核處理器的架構，分別出現了同構多核和異構多核架構，這要求計算機系統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程序的性能優化。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，又可以緊跟技術發展的新方向。

一門優秀的課程，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、總結經驗，甚至需要幾代人的努力。本文將“計算機系統結構”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，以求交流同行經驗，促進課程建設更快發展。在改革教學內容的實踐中，我們發現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、專業的進一步發展。

參考文獻：

篇3

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913 (2007) 24-0017-03

1計算機系統結構課程教學現狀分析

隨著計算機硬件、軟件技術的發展，如何合理分配計算機軟、硬件功能，最大限度地開發計算機的并行性，達到最佳性價比，是計算機系統設計人員最關心的問題。對計算機專業本科生而言，不僅要掌握計算機的軟、硬件系統組成及工作原理，具備開發與應用的技能，而且還需要進一步掌握計算機系統設計的基本原理和方法。計算機系統結構正是這樣一門面向計算機系統設計、性能評價與分析的課程。

計算機系統結構是為計算機專業本科生開設的一門系統分析與設計綜合的課程，也是計算機科學與技術專業的核心課程。通過本課程的學習，能夠使學生掌握計算機系統結構的基本概念，學會以高層建筑的觀點，以應用算法、硬件、軟件綜合考察和分析設計計算機系統結構；培養學生以性能價格比的觀點去分析、評估、設計一個計算機應用系統；使學生掌握當代迅速發展的RISC技術的主要設計思想和技巧；了解高等計算機系統結構的并行性、可擴展性及可編程性等先進技術思想，掌握最新的計算機流水技術和并行處理技術。

目前該課程的教學由于受到課時的限制，大多采用以教學為主，輔以適當的作業、定期答疑的形式進行課程的教與學。由于計算機系統結構課程與以往硬件課程相比，較為抽象，學生感到學習這門課程有一定的難度，“只說不練”限制了學生自主學習的動力，只能被動地接受知識，影響了學習效果。由于計算機系統結構在計算機專業課程鏈上排在計算機組成原理之后，要求學生對計算機的組成與設計有相當程度的了解。因此該課程所學的內容，不單是純粹的理論知識，還構建在一定的計算機硬件結構上，所以有必要對相關知識點輔以實踐教學，不能對所有內容太過“透明”，這樣才能有助于學生更深一層掌握這門課程。

在計算機系統結構課程實踐教學環節，通常采用的是虛擬化仿真軟件winDLX、DLXview、SimpleScalar等，這些仿真軟件都具有一定的典型性，對問題的考慮較細致，而且在軟件設計上便于觀測運行結果及進行性能分析。但這些軟件只針對課程某一部分知識進行實踐，而對于其他知識的實踐缺少支撐，因此需要去熟悉每一個環境，較為煩瑣。

為了提高計算機系統結構課程教學質量，結合目前在北京工業大學計算機專業本科生教學實踐中采用的部分措施，我們提出了基于EDA平臺的計算機系統結構實踐教學的方法，并針對存儲系統的課程實踐進行了研討。

2EDA平臺用于課程實踐

通過對國內外課程實驗現狀的調查分析研究后，我們對該課程實踐環節進行了相應的改革，摒棄了以往在面包板上插線所進行硬件設計的實驗方式，采用EDA平臺進行單項實驗以及最后的課程設計。通過這種實踐方式避免了以往實驗存在的過多“驗證性”的元素，以及實驗中存在的插線虛接、連線折斷及無法保存個人電路設計造成實驗不能間斷進行的問題，這對于培養學生良好的硬件設計思維，建立系統級的概念有非常重要的意義。

由于EDA平臺具有靈活性和可保存性，極大地方便了課程實踐的參與者。教師可以根據課時的要求，方便地調整課程實踐的方案；學生可以根據自己的時間安排課程實踐。在設計過程中，每個學生可以根據需要選擇課程實踐中所需要的器件及芯片，按自己設計出的邏輯電路進行芯片間的連線，線路一旦連接好，不必再擔心連線折斷、導線虛接等問題。在此基礎上，針對設計出的部件進行模似仿真，測試驗證計算機整機設計結果的正確性。在課程實踐測試完成后，利用存儲的測試結果，提交給教師查驗?？梢钥吹?，采用EDA平臺，能夠更好地進行計算機系統硬件的課設實驗，并提高課設實驗的水平及效率。

經過計算機組成原理課程實踐改革，我們認為采用EDA平臺方式來完成計算機系統硬件課程設計是可行的，其中硬件設計的可繼承性是以往其他手段所不具備的，學生所做的單項實驗可以在課程設計中繼續使用，不同的功能部件設計以及不同的模型機結構帶來了設計結果的多樣性，學生的創造性得到了發揮，這也給我們帶來了啟示，能否利用計算機組成原理課程實踐中的一些成果，將EDA平臺引入計算機系統結構中來，使得學生在前面課程中的硬件設計不會因為課程的結束而結束，這不僅有助于課程的延續性，也有助于提高學生學習的興趣。

為了驗證EDA平臺在計算機系統結構課程實踐中的可行性，我們針對計算機系統結構中的Cache存儲體系采用EDA平臺進行了有意的探索。此內容在系統結構課程中占據著很重要的一節，通過講述主存與Cache的地址映像方式等內容，使學生對存儲系統的優化設計有更深刻的認識，能夠從速度、容量、成本的角度理解不同的設計方法對提高計算機系統性能的影響。

我們依然采用計算機組成原理課程實踐中使用的Quartus II平臺。該平臺是完全集成化、易學易用的可編程邏輯設計環境，具有硬件描述語言、電路原理圖、時序圖等多種文件格式輸入方式，利用其提供的標準門電路、芯片等邏輯器件，完成數字電路從設計輸入、編輯、編譯、仿真、封裝到下載的全過程。該系統強大的圖形界面和完整的幫助文檔，使學生能夠輕松快速地掌握和使用該EDA平臺進行邏輯電路及相關系統的設計。

為了避免在單項實驗上花費大量的實驗學時，且從課程延續性角度考慮，可以選擇在計算機組成原理課程中設計的模型機上構建這個系統，在模型機總體結構上增加一個Cache模塊，如圖1所示。系統總體框圖與模型機結構類似，除了Cache部件外，只是在控制信號微命令上有所增加。為了體現Cache的功能，模塊內可以包括地址映像，地址轉換，替換算法等功能部件，基本上包含了課程中所講授的知識點。

圖1 系統總體結構框圖

以一個16位模型機為例，Cache采用了組相聯的地址映像方式，Cache部件數據通路如圖2所示。Cache的主要工作部件有Cache存儲單元、塊表單元、替換單元、比較單元、塊表修改單元。Cache設計為地址包括每四塊為一組，一共有四組，同時將內存地址設計為區號、組號、組內塊號和塊內地址，也是每四塊為一組，一共有四組，同時分為兩個區。塊表存儲器采用按地址訪問和按相聯訪問兩種方式工作。在塊內采用相聯方式訪問，在塊之間采用按地址方式訪問，塊表的容量與Cache的塊數相等。替換算法采用FIFO法，完全采用硬件實現地址的映象及替換算法，每組一個模4的計數器，本組有替換時，計數器加1，計數器的值就是要被替換出去的塊號。

圖2 Cache部件數據通路

設計完成后編制調試程序，程序以二進制或十六進制數的形式存入主存儲器的初始化文件中，在時序信號的配合下，對主機系統的整體運行進行調試。在給定機器唯一的輸入信號――時鐘脈沖信號CLK后，使機器自動地、連續地運行存儲在主存中的調試程序。在遇到停機指令后，則停止機器運行。機器運行結束后，檢測機器運行調試程序的時序模擬仿真輸出波形圖，以確認各條機器指令運行的正確性。

圖3為部分測試波形圖，圖中IN為Cache部件接收的內存地址，IND為要寫入的值，QB為Cache存儲器的輸出端，與數據暫存器和內存的存儲器相連，QA為內存的輸出端，與Cache的存儲器相連，RB為Cache內部存儲器的地址，RA為內存的地址。圖中可以看到在08H時，未命中，因此裝入08H~0FH的值11~18裝入到Cache的18H~1FH中，波形圖與設計相符。因此通過波形圖可以很好地驗證設計的正確性。

圖3 測試波形圖

在設計實現過程中，學生可以根據自己掌握理論知識的深度以及設計難度進行開發，教師可根據實現程度給出評分標準。Cache存儲體系知識點較多，比如地址映像方式有直接相聯、全相聯、組相聯等方式，替換算法有隨機法、FIFO、LFU算法等，當Cache與主存不一致時有寫直達法和寫回法，以及對Cache性能分析時加速比的計算等。選擇采用哪種算法可以由學生來選擇，可以根據模型機結構，采用8位或16位通用寄存器，控制部件的設計可以采用微程序控制部件或組合邏輯控制部件的設計方式。這樣通過EDA平臺，可以將學生各自的設計思想體現出來，加強了計算機系統結構課程的生動性。

3結論

本文通過對計算機系統結構課程教學現狀的分析和研究，結合目前在教學實踐中已采用的部分措施，提出了在計算機系統結構課程中采用EDA平臺進行相關課程實踐的方案。通過采用EDA平臺，可以將學生各自的設計思想體現出來，加強了計算機系統結構課程的生動性，有助于提高學生學習的興趣，還能夠在一定程度上提高學生的實踐能力。采用EDA平臺對Cache存儲系統進行課程實踐，對計算機系統結構課程的其他知識點的實踐起到了一個先導的作用。

參考文獻

[1] 鄭緯民，湯志忠. 計算機系統結構[M]. 北京：清華大學出版社，1998.

[2] 易小琳等. 基于EDA平臺的計算機系統硬件課程虛擬化實踐的研究[J]. 中國大學教學，2005，(7).

[3] 易小琳等. 網上計算機系統虛擬實驗室的研究[J]. 計算機工程，2002，(11).

[4] 易小琳，朱文軍，魯鵬程. 計算機組成原理實踐教程―基于EDA平臺[M]. 北京航空航天大學出版社，2006.

作者簡介

魯鵬程(1976-)，男，講師，計算機系統結構教研組教師，博士，目前研究方向為計算機系統結構及嵌入式系統。

易小琳(1959-)，女，高級工程師、計算機系統結構教研組主講教授，碩導，目前研究方向為計算機系統結構及嵌入式系統。

朱文軍(1974-)，男，講師，計算機系統結構教研組教師，博士，目前研究方向為計算機系統結構及嵌入式系統。

方娟(1973-)，女，副教授，計算機系統結構教研組教師，博士，目前研究方向為計算機系統結構及網絡。

毛國君(1966-)，男，教授，計算機系統結構系主任，博士，目前研究方向為計算機系統結構及數據挖掘。

聯系方式：北京工業大學計算機學院，北京朝陽區平樂園100號，100022，魯鵬程

篇4

課程代碼：02325

請考生按規定用筆將所有試題的答案涂、寫在答題紙上。

選擇題部分

注意事項：

1.答題前，考生務必將自己的考試課程名稱、姓名、準考證號用黑色字跡的簽字筆或鋼筆填寫在答題紙規定的位置上。

2.每小題選出答案后，用2B鉛筆把答題紙上對應題目的答案標號涂黑。如需改動，用橡皮擦干凈后，再選涂其他答案標號。不能答在試題卷上。

一、單項選擇題（本大題共10小題，每小題1分，共10分）

在每小題列出的四個備選項中只有一個是符合題目要求的，請將其選出并將“答題紙”的相應代碼涂黑。錯涂、多涂或未涂均不得分。

1.以下能夠直接執行微指令的是

A.匯編程序 B.編譯程序

C.硬件 D.固件

2.系列機軟件應做到

A.向前兼容，并向上兼容 B.向后兼容，力爭向上兼容

C.向下兼容，并向前兼容 D.向后兼容，力爭向下兼容

3.在浮點數尾數下溢處理時，誤差，但下溢處理不需要時間，平均誤差又趨于0的方法是

A.截斷法 B.舍入法

C.ROM查表法 D.恒置“l”法

4.在IBM370系統中，支持操作系統實現多進程公用區管理最有效的指令是

A.“測試與置定”指令 B.“比較與交換”指令

C.“執行”指令 D.“程序調用”指令

5.采用組相聯映像、LRU替換算法的Cache存儲器，不影響Cache命中率的方法是

A.增加Cache中的塊數 B.增大組的大小

C.增大主存容量 D.增大塊的大小

6.采用組相聯映像的Cache存儲器，可用于地址變換的方法是

A.目錄表法 B.比較對法

C.頁表法 D.堆棧法

7.ILLIAC-IV陣列處理機中，PE之間所用的互連函數是

A.PM2±0和PM2±3 B.Cube0和Cubel

C.Shuffle D.PM2±2

8.并行處理機有16個處理單元，編號為0～l5，采用shuffle單級網絡互連，與13號處理單元相連的處理單元的編號是

A.15 B.11

C.9 D.7

9.間接二進制n方體網絡是一種

A.多級混洗交換網絡 B.單級立方體網絡

C.多級全排列網絡 D.多級立方體網絡

10.多處理機程序段的指令之間存在數據反相關時，下列說法正確的是

A.不能并行 B.適當同步控制，可以并行

C.可以交換串行 D.若指令滿換律，可以交換串行

非選擇題部分

注意事項：

用黑色字跡的簽字筆或鋼筆將答案寫在答題紙上，不能答在試題卷上。

二、填空題（本大題共10小題，每小題2分，共20分）

11.從計算機執行程序的角度看，并行性等級由低到高可分為________、________、任務或進程間和作業或程序間四級。

12.浮點數尾數基值增大，可使運算中的精度損失________，可表示數的精度________。

13.中斷系統軟硬件功能分配實質是中斷________軟件和中斷________硬件的功能分配。

14.數據寬度是指I/O設備取得________后所傳送數據的總量；數據通路寬度是________的物理寬度。

15.虛擬存儲器主要是為解決主存________滿足不了要求發展出來的；Cache存儲器是為了解主存________滿足不了要求發展出來的。

16.虛擬存儲器對________程序員是透明的，對________程序員是不透明的。

17.解決重疊相關處理的兩種基本方法是推后________和設置________。

18.按多功能流水線的各段能否允許同時用于多種不同功能連接流水，可把流水線分為________流水線和________流水線。

19.N個處理單元的混洗交換網絡中，最遠的兩個人、出端的二進制編號是________和________，其距離為2log2N—l。

20.松耦合多處理機可以有________型和________型兩種構形。

三、簡答題（本大題共5小題，每小題6分，共30分）

21.簡述通道的3種類型各適合連接什么類型設備，說明各種類型通道在滿負荷時的實際流量與所連接設備的關系。

22.簡述并行性從計算機系統處理數據的角度劃分的四個等級，并各舉一例。

23.簡述透明性概念，說明下列哪些對于計算機系統結構是透明的。

浮點數據表示；字符串運算指令；陣列運算部件；通道是采用結合型還是獨立型；訪問方式保護；數據總線寬度；Cache存儲器；存儲器的最小編址單位；存儲器的模M交叉存取，串行、重疊還是流水控制方式。

24.簡述數據表示和數據結構之間的關系及引入高級數據表示的基本原則。

25.簡述實現指令的重疊解釋必須在計算機組成上滿足的要求。

四、簡單應用題（本大題共2小題，每小題10分，共20分）

26.機器有5級中斷，中斷響應次序為12345，現要求實際中斷處理次序為23154。

(1)設計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位的狀態，令“0”為開放，“l”為屏蔽；

(2)若運行用戶程序時，同時發生1、3級中斷請求，而在l級中斷服務未完成時，又發生2、3、4、5級中斷，請畫出處理機執行程序全過程的示意圖（標出交換PSW的時間）。

27.求A1、A2、…、A8的累加和，有如下程序。

Sl A1=A1+A2

S2 A3=A3+A4

S3 A5=A5+A6

S4 A7=A7+A8

S5 A1=A1+A3

S6 A5=A5+A7

S7 A1=A1+A5

寫出用FORK、JOIN語句表示其并行任務的派生和匯合關系的程序，以假想使此程序能在多處理機上運行。

五、綜合應用題（本大題共2小題，每小題10分，共20分）

28.有一個4段的單功能非線性流水線，其預約表如題28表：

題28表

時鐘

時鐘 段號t1t2t3t4t5t6

S1√√

S2 √√

S3 √

S4 √

(1)分別寫出延遲禁止表F，沖突向量C，并畫出沖突向量的狀態轉移圖；

(2)寫出其流水線的調度方案及此時的吞吐率。

篇5

計算機系統結構是計算機科學與技術本科專業的一門專業基礎課，該課程介紹計算機系統中硬件和軟件的功能結構及相互轉換關系，分析了現代計算機的體系結構，討論了計算機系統結構的理論和相關技術。從原理、結構和實現技術等方面，側重對RISC結構、流水線結構、陣列處理機、多處理機系統、智能計算機結構等現代計算機的系統結構進行了較深入的分析和探討，使計算機專業的學生具有計算機系統結構的基礎理論知識和培養學生具有一定的體系結構技術應用能力。為今后從事計算機系統及其應用的研究、開發、工程實現有重要的指導意義。

但這樣的一門課程，學生的學習積極性不高，與學生交流時，多數同學認為理論性太強，難度大，更主要的原因是在學生的思想認識上，認為學了沒用。于是在課堂上不認真聽講，看一些自己認為有用的書，甚至出現逃課現象。也許是處于各種原因，在一些高校計算機系統結構這門課已經從教學計劃中抹掉了，或者把它與計算機組成原理結合，可能只占很少的份額。在2010年5月9日，由教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導分委員會和高等教育出版社組織召開福建省高校計算機專業課程建設研討會上，其他高校也同樣存在學生對這門課的學習積極性不高，對應的實踐教學難以開展的問題。

如何尋找這門課程的出路，提高教學質量、教學效果，激發學生的學習興趣呢？其實計算機系統結構的理論和相關技術與SOPC(可編程的片上系統)有著緊密的聯系。SOPC是一個面向應用、嶄新的、富有生機的嵌入式系統。在計算機系統結構教學中，將課

本的理論知識結合到SOPC的應用開發，加強理論與實踐相結合，增加應用型實踐教學，必將能激發學生的學習興趣。

1SOPC的系統概述

隨著IC設計和工藝水平不斷提高，在一個半導體芯片上完成系統級的集成已成為可能，數字技術進入片上系統SoC(System on Chip)時代。SOPC是Altera公司提出來的一種靈活、高效的SoC解決方案，它將CPU、存儲器、I／O接口、DSP模塊、低電壓差分技術(LVDS)、時鐘數據恢復技術(CDR)以及瑣相環(PLL)等系統設計所必須的模塊集成到一片FPGA上，構成一個可編程片上系統。SOPC是PLD和ASIC技術的融合的結果。它具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能，是半導體產業未來發展的方向[1]。

實現SOPC的一種解決方案是應用FPGA生產廠商Altera公司推出的NiosⅡ嵌入式處理器。NiosⅡ是一種面向用戶的可以靈活定制的通用RISC(精簡指令集架構)的嵌入式CPU，NiosⅡ以軟核的方式提供給用戶，并專為在Altera的FPGA上實現優化，用于SOPC集成并在FPGA上實現。用戶根據設計要求，利用QuartusⅡ和SOPC Builder對NiosⅡ及其系統進行構建，使嵌入式系統在硬件結構、功能特點、資源占用等全方面滿足用戶系統設計要求。另外在基于NiosⅡ軟核嵌入式的SOPC系統設計中可以通過定制指令的方式，為嵌入式處理器配置專有硬件加速器，以便能更有效地處理含有算法模型的程序，從而可以利用FPGA的可重配置的特性向FPGA配置相應的嵌入式系統，從而使SOPC系統高效高速工作。

SOPC在應用和理論知識構成上達到了一種有機融合，由于同時涉及底層的硬件系統和相應的軟件設計，SOPC技術使開發者能夠在軟硬件系統的綜合與構建兩個方面發揮自己的創造力和想象力，從而多角度、多因素和多結構層面對自己的設計進行優化。SOPC從設計層次上講分為硬件設計和軟件設計；從設計流程上講是典型的自頂向下的流程；從設計手段上講，它更廣泛和深入地利用計算機這一科研開發的主流技術，在這一平臺上設計者可以最大限度地優化系統的性能。SOPC系統的開發流程如圖1所示[2]。

圖1SOPC系統開發流程

2應用型硬件平臺搭建

實驗室原有的設備只能用實驗箱進行驗證性的實驗，各種實驗集中在一個實驗箱上，線路繁雜，出錯率高，且設備陳舊，實驗的成功率很低，不能達到預期的目的和效果。在這種條件下，要讓學生完成某種模型機的設計難度較大，沒有多大的實用價值，不能激發學生的興趣。搭建一個基于FPGA的SOPC嵌入式系統硬件平臺，在這樣一個具有設計靈活，可裁減、可擴充、可升級并具備軟硬件系統可編程的功能系統上，學生可以更自由發揮。利用現有的IP核進行裁剪，設計自己需要的CPU，根據需要增設特殊的功能指令，實用性強，難度不大，有利于激發學生的興趣。

硬件平臺以滿足實驗最基本需要為主，提供一個簡單、清晰和接線方便的FPGA最小系統，降低硬件系統的復雜性，最小系統實驗平臺如圖2所示。系統的核心芯片采用Altera公司的FPGA芯片Cyclone EP1C6,它具有9 800個邏輯單元，用戶I/O有185個，使用最新型的AS配置方式，配置芯片EPCS4。一個JTAG接口和一個AS接口用于系統的調試和下載，Flash閃存用于存儲嵌入式操作系統uCLINUX和用戶數據程序。該實驗平臺，學生可以創建一款不管在外設、存儲器接口、性能特性等方面，以及在成本上都較為完美的處理器；可在一片FPGA內部實現多個處理器內核的設計；流水線的應用設計；uCLINUX嵌入式操作系統的移植等應用型操作。

圖2最小SOPC系統實驗平臺

若需要有RS232、以太網、VGA、音頻接口和USB2.0接口等，可以擴展一塊副板，主板與副板間通過擴展I/O連接。

3應用型課程實踐項目

從原理、結構和實現技術等方面，將RISC結構、流水線結構、多處理機系統和存儲器的理論知識和相關技術結合到一個面向應用、嶄新的、富有生機的SOPC嵌入式系統上，可從以下幾個方面將課本的理論知識與SOPC系統結合。

1)Nios II處理器設計。

NiosⅡ嵌入式處理器是一種面向用戶的可以靈活定制的通用RISC(精簡指令集架構)的嵌入式CPU，Nios II以軟核的方式提供給用戶，并專為在Altera的FPGA上實現優化，用于SOPC集成并在FPGA上實現。學生通過使用Altera的QuartusII軟件、SOPC Builder工具及NiosⅡ集成開發環境(IDE)，將Nios II處理器嵌入到SOPC系統中。從系統的性能要求、從軟硬件取舍的基本原則、從計算機系統的定量設計原理等方面的計算機系統結構的理論知識，來確定是否要為嵌入式處理器配置專有硬件加速器；如為嵌入式處理器配置專有硬件乘法加速器，以便能更有效地處理含有算法模型的程序，從而使SOPC系統高效高速工作。另外，根據需要為Nios II系統添加片內存儲器、PIO、UART和片外存儲器接口等。通過這個實驗可以讓學生加深對所學的理論知識的理解和應用，同時也加深了對計算機系統的理解。

2)μClinux操作系統的移植。

此項實驗主要用嵌入式操作系統來驗證自己定制的NiosⅡ嵌入式處理器是否可行，操作系統的移植是SOPC的一個組成部分。時也可與ARM等硬核嵌入式處理器做個比較。

3)流水線的應用設計。

利用流水處理機的工作原理，加快單位時間串行的任務數。這是也開發并行性的途徑之一時間重疊，時間重疊(Time Interleaving)是在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設備的各個部分，加快硬件周轉來贏得速度。在這個應用設計中，可以讓學生完成流水線加法器的設計、流水線乘法器的設計、流水線技術的FIR濾波器等應用型實驗[3]。從而提高學生對流水處理機相關知識的理解。流水線加法器和流水線乘法器屬于流水線分類中的部件級流水，流水線分類的概念在這也得以體現。

4) 多核系統的設計。

所謂多核是指在一個處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎(內核從而提高運行速率和降低能

耗，實現橫向擴展提高性能)多核架構能夠使目前的軟件更出色地運行。并創建一個促進未來軟件編寫更趨完善的架構[4]。SOPC Builder允許用戶輕松添加多個處理器到系統中。因此建立多處理器系統的難點已不再是硬件的排列和連接。而在于多個處理器的軟件設計，使它們正常操作，相互之間不產生沖突。

在課程中講授多處理機的知識。多處理機是指有兩臺以上的處理機，共享I/O子系統，機間經共享主存或高速通信絡通信，在操作系統控制下，協同求解大而復雜問題的計算機系統。使用多處理機有兩個目的，一個目的是想通過多臺處理機對多個作業、任務進行并行執行來提高求解大而復雜問題的速度，從而提高系統的整體性能。另一個目的則是使用冗余的多個處理機，通過重新組織來提高系統的可靠性、適應性和可用性。多核和多處理機系統有很多相同的地方，可讓學生應用多處理機的知識解決多核協調處理的問題。

4結語

計算機系統結構課程的理論和相關技術應用于SOPC系統遠不止這些。隨著SOPC系統的應用發展，計算機系統結構課程教學將會被更多人所重視。開展應用型實踐教學，適當減少理論教學，或通過實踐教學使學生自覺學習理論知識，而不是被動學習。學生能夠學以致用，對激發其學習興趣，提高畢業設計水平、工作就業質量等，都將起到積極的作用。

參考文獻：

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[4] 李歡,王莉莎,董麗麗．基于FPGA的多核嵌入式系統研究[J]．現代計算機,2010(4):33-36.

Based on SOPC the Computer Architecture Application Teaching Discussion

ZHU Shilang

(College of Computer and Information, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

篇6

一、引言

《計算機系統結構》是計算機學科體系的一門重要課程，它是以算法為核心，語言為描述，硬件和軟件作為實現工具的互為聯系又互為制約的結構技術。課程以計算機系統結構中硬中有軟、軟中有硬、相互轉換、彼此滲透的觀點，從原理、結構和實現技術等方面系統地對現代計算機的并行處理進行深入的分析和探討，使學生建立起“整機”概念，培養其具有一定體系結構技術的應用能力。“計算機系統結構”涉及到多門其他專業課如《數據結構》、《計算機組成原理》、《操作系統》的知識，是一門綜合性很強的課程，非常典型地體現出計算機學科互相融合的特點。通過該課程的學習能夠提高學生系統思維和綜合分析的能力，努力提高這門課程的教學質量有著重要的意義。

由于“系統結構”內容抽象，不易理解，且目前各高校在該課程的教學中實踐環節的設計都比較薄弱，有的院校甚至沒有安排實驗，因此難以激發學生的學習興趣，教學難度比較大。因此，需要在目前的教學條件下，綜合應用多種教學方式和手段，引導學生積極思考和自主學習。

二、課程教學改革總結

（一）課程教學改革的基本思路

教學過程中教師不單要教會學生課程的知識，更重要的是教會學生如何思考，如何進行創造性思維。具備了創造性思維能力，學生不僅可以學會教師傳授的知識，而且能夠觸類旁通，舉一返三，在自身的思維實踐中獲取更多的知識。教師為學生服務，以培養學生的能力為目標。在師生角色上，教師是主導，學生是主體，主要采用“引導”的方式進行教學，把學習的主動權交給學生。

（二）課程教學內容的安排

以教學大綱為根據安排本課程內容，著眼于有關計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構和基本分析方法，同時適當介紹近幾年來系統結構的重要進展和今后的發展方向。課程選擇西安電子科技大學出版社出版的《計算機系統結構》（第四版，李學干編著）作為教材，該書曾獲得國家級優秀教材一等獎和優秀教學成果二等獎，內容豐富，配有學習指導和大量習題。

本課程的主要內容包括：計算機系統結構的基礎理論、數據表示與指令系統、輸入輸出系統、存儲體系、重疊與流水和并行處理機等。以前面五個部分為重點教學內容，講解時注意與先修課《計算機組成原理與數字邏輯》的銜接，特別要體現出“系統結構”側重于設計方法和設計思想的描述這個不同點。

（三）課程教學手段的運用

（1）樹立明確的學習目標

在課程正式開始之前先對“系統結構”的主要內容、學習重點和基本學習方法作一個總體性介紹，使學生對該課程有一個大致的認識；在課程的每一章開始講解之前，首先也要明確指出這一章的學習目標，讓學生把這個目標貫穿在學習過程中。例如，第一章系統結構的基礎理論就是要抓住系統結構的基本概念、系統結構、組成與實現的關系以及軟硬取舍的基本原則、計算機系統的設計思路；第四章存儲體系的學習目標就是要理解虛擬存儲器和高速緩沖存儲器的管理方式與原理。如此，學生學習的目的更加明確，更容易抓住學習的重點。

（2）多種教學方式相結合

課堂教學宜采用多媒體教學與傳統板書教學相結合的方式。多媒體教學無疑是目前高等院校普遍采用的優秀教學手段，以其形象的圖文與特效演示對于加深學生理解知識點很有幫助；而傳統板書教學也有其適用的場合，比如在介紹指令系統操作碼的哈弗曼編碼、發生中斷時程序的運行過程以及流水線時-空圖畫法時就應該采用板書來演示，這樣不僅能與學生有良好的互動，還能夠更清晰地講解知識要點。

另外，課外時間可以充分利用網絡來強化教學效果，比如，利用論壇教學課件、提供閱讀資料，利用電子郵件進行答疑輔導，這些對拓展學生的知識面、提高教學效率很有好處。

（3）啟發式教學，注重能力的培養

“系統結構”是一門理論居多的課程，單向灌輸算法思想必然不利于知識的掌握。授課時應多采用設計提問，啟發思維的教學方法，引導學生自己去發現問題、分析問題和解決問題。

在教學工作中，還要注意培養學生良好的學習方法和自學能力。引導學生在學習過程中不斷總結自己的學習方法，學會運用各種手段來獲取知識，例如，可以布置學生課外通過查找資料完成有關“系統結構”最新發展的小論文。

三、課程教學改革實踐案例

（1）堆棧型替換算法原理的教學案例

在存儲體系這一章中，虛擬存儲器替換算法的實現是教學的重點，同時也是難點。如果按照教材內容編排的順序，直接給出抽象的邏輯表達式介紹堆棧型替換算法的定義，勢必不利于學生對算法的理解。取而代之，先舉出實例，比如使用LRU法對頁地址流進行一次堆棧處理，從處理結果總結出主存頁數與命中率的關系，由此來說明命中率隨主存頁數的增加而單調上升，至少不會下降[1]，具有這種特性的算法就稱為堆棧型替換算法。此時再引出邏輯表達式，將表達式的各個部分與實例相對應，進行歸納，給出堆棧型替換算法的定義，這樣，學生就順理成章地理解了算法的內涵。從教學效果來看，絕大部分學生能夠準確地掌握該替換算法的涵義和替換過程。

（2）改進指令系統的教學案例

在數據表示與指令系統這一章中，介紹指令系統設計和改進的兩個主要方向時，CISC和RISC是一對需要學生重點理解的概念。前者是按增強指令功能的方向發展指令系統，而后者是按簡化指令功能的方向改進指令系統。學生應該了解兩者設計思想有哪些不同點，CISC和RISC分別采用哪些基本技術，有哪些典型的應用，它們分別存在哪些不足和問題，為什么說今后的發展應是CISC和RISC的結合。為了說明這些問題，可以讓學生自己去查找實例資料，了解IBM 370、Intel i486、IBM6150、Intel i860這幾個處理機采用的技術，讓他們自己去分析查找答案。通過這種教學方式，不僅加深了學生對知識的理解，而且提高了他們查閱資料的能力。

另外，其他章節也有可以擴展的問題，比如，第7章多處理機的講解可以結合目前熱門的多核處理器，這兩者的主要問題是一致的；更進一步地，可以讓學生去了解單芯片多處理器(CMP)與同時多線程處理器(SimultaneousMultithreading，SMT)，這兩種體系結構可以充分利用指令級并行性和線程級并行性，從而顯著提高性能。

四、結束語

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中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

精品課程建設是教育部啟動的“高等學校教學質量與教學改革工程”中的一項重要內容,是提高教學質量進而提高人才培養質量的奠基性工作。我校2008年開始啟動“校級精品課程建設計劃”,我院的“計算機系統結構”課程被評為首屆校級精品課程。下面就課程定位、教學體系建設、知識模塊、教學模式、相關教學研究等方面介紹對該課程建設的探索與實踐。

1課程的基本定位和教學目標

在計算機專業人才需求越來越多的情況下,北京市對計算機硬件相關的技術人員也加大了需求量,在這樣的形勢下,我們建立了新的計算機硬件課程體系,對“計算機系統結構”課程的定位也越來越明確。我校的計算機專業主要為北京市培養計算機應用型人才,學生的就業取向大多數是北京市的高新技術企業。因此,我們從教學計劃、教學大綱、教學平臺、實驗設計平臺和工具等方面均做了改革和調整,以適應形勢發展的需要。具體措施為:

(1) 通過“數字邏輯”解決數字邏輯電路的基本概念和原理;

(2) 通過“數字系統設計”等課程讓學生掌握現代的數字系統設計平臺和工具(EDA、FPGA等),以及簡單電子部件的設計技術;

(3) 通過“計算機組成原理”解決計算機的基本組成原理與技術問題;

(4) 通過“計算機接口技術”、“高檔微機系統”課程使學生掌握微機應用系統設計和調試基本概念和方法,提高學生工程素質和設計、技術創新等方面的基本知識。

“計算機系統結構”課程的教學目標是使學生在計算機應用系統和分析設計中,理解軟硬界面分配及如何最佳、最合理地分配硬件功能,即提高系統的性能價格比方面的知識;“嵌入式系統”等系列課程,讓學生在“嵌入式系統”、“微機系統及接口”等面向應用的專業方向上進行學習和實踐。

在“計算機系統結構”的教學中,以提高計算機的性能價格比為重點,輔以計算機系統結構發展中的新技術,如流水線技術、并行技術等,最終的目標是提高學生從總體結構、系統分析這一層次來研究和分析計算機系統的能力,幫助學生建立整機系統的概念;使學生掌握計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構、基本設計方法,掌握基本的性能分析方法,特別是量化方法;并對計算機系統結構的發展現狀有所了解。本課程強調培養學生的抽象思維能力和自頂向下、系統地分析和解決問題的能力,強調培養學生的創新思維和創新能力。

2知識模塊順序

本課程在建設中注重知識更新、創新教育,在2008年5月我校正式獲得批準成為《英特爾“多核技術課程”大學計劃》合作伙伴,成立了“北京工業大學――Intel多核技術實驗室”,并得到Intel公司的多核服務器及相關軟件的捐贈,在此基礎上,本課程在授課過程中增加了多核技術的內容,使學生在課堂上能接觸到更多的新知識。具體知識模塊順序如下:

(1) 計算機系統結構的基礎知識:計算機系統結構的基礎知識以及與計算機組成、計算機實現之間的關系,并對計算機系統結構未來的發展做相應的介紹。

(2) 指令系統:計算機指令系統的設計是計算機系統結構設計的核心問題,從系統結構的角度介紹指令系統及與之相關的數據表示和尋址技術等。

(3) 存儲系統:計算機系統結構設計中的關鍵問題之一是如何以合理的價格、設計容量和速度滿足計算機系統要求的存儲器系統。本模塊從存儲層次出發,介紹多級存儲體系及各級存儲器。

(4) 流水線處理技術:本章主要介紹流水線技術的基本概念、工作方式、流水線的分類和流水線在向量處理機中的應用。

(5) 并行處理技術:并行處理技術的發展及應用,互連網絡的基本概念、幾種典型的互連網結構和消息傳遞機制。

(6) 多處理機及新型計算機系統結構:多處理機模型和基本結構,多處理機結構、性能和實例,介紹數據流機、歸約機和智能計算機等的工作原理、結構、特點等。

(7) 多核技術:多核處理器的基本概念、分類和工作原理。

3建立理論與實踐相結合的教學體系

本課程在近幾年的建設中,針對原課程計劃中沒有實驗的缺陷,通過加強對國內外大學該課程進行調查和研究,建立了本課程的實驗體系。通過兩部分的實驗來加強學生對計算機流水線技術的理解。具體實驗內容是:

(1) 在掌握基本原理的基礎上,通過使用WinDLX模擬器對流水線處理和指令調度進行測試,加深對數據相關、資源相關的理解,了解這兩類相關對CPU性能的影響以及如何用定向技術來解決。

(2) 設計四個流水線功能段的設計與實現的實驗,包括取指、譯碼、執行、寫回階段,分析并設計流水線CPU各功能段的基本硬件結構,并用Verilog HDL硬件描述語言加以實現,進行實驗結果分析,最后提交規范的實驗報告。隨著實驗的不斷完善,未來將增加多核方面的實驗。實驗體系的改革使本課程的教學過程更加完整,學生能夠從實驗中加深對計算機系統結構領域的技術的理解,使抽象的內容變得具體化。

本課程的實驗為8學時,具體實驗內容如表1所示:

由于學時的限制,上述實驗中1、2為必選題目,3～6可以任選一個。

4啟發式教學模式的建立

新教學模式的建立打破了以往純粹課堂講授的方式,采用創新型的教學模式:啟發式課堂講授、主題討論、自主學習三種方式的結合。啟發式教育的核心就是要培養學生獨立思考和創新思維。在課堂中,每章節均設置相關的思考題和與前沿技術有關的研究性專題,鼓勵學生自主查閱資料,提出問題,增強師生互動。在此過程中,突出自主學習和研究性學習,全面提高學生的思維能力、解決問題的能力以及創新能力。教學過程模型如圖1所示:

在上述基礎上,還采用了課堂授課與網絡學習相結合的方式,將多種現代教學媒體與自主開發的多媒體課件、課程教學網站優化組合,構建課堂授課與網絡學習的多媒體網絡教學環境?！坝嬎銠C系統結構”教學網站為學生提供了豐富的教學資源和良好的交流平臺,如提供教學大綱、教學內容、教學團隊、教學錄像、教學課件、參考教材、習題與作業、自測題等資源;網站除了為課程提供基本的信息外,強調教師與學生的互動交流,教師可以針對核心問題設置分組,論壇帖子置頂,推薦精華帖,公告,設置論壇風格等;學生可以針對某個問題發帖討論,站內搜索,收藏帖子等;論壇的數據庫進行定期自動備份(如一天一備份),同時可以以一周或幾天為單位,自動刪除前一周或幾天的數據庫備份文件,達到既維護數據又不使備份數據過大的目的,滿足論壇的持續性和擴展性的要求。

5結語

隨著精品課程建設的不斷推進,課程組的教師在教材建設、教學研究方面都取得了優秀的成果,目前由課程組合著的《計算機組成原理與匯編語言》、《高檔微機原理與技術》等教材均已在清華大學出版社出版,并列入國家“十一五”規劃教材;《計算機系統結構》一書也于2009年在清華大學出版社出版。由課程組的老師主持的三項教育教學項目現已通過學校中期驗收,相關老師也在該課程的教學改革中不斷提出新的思路,力爭在不斷的建設中使該課程達到北京市精品課程的標準。

參考文獻:

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計算機系統結構教學存在如下問題:(1)教學內容涉及數字邏輯、計算機組成原理、操作系統、編譯原理、數據結構、匯編語言程序設計等專業課,綜合性強,概念多而抽象;(2)教材內容無法與新技術發展同步;(3)實驗教學缺乏。上述三個問題導致了教師授課難和學生學習難的兩難局面。為此,本文將基于理論講授、專題討論和開放性實驗的“三位一體”教學法引入到計算機系統結構的授課過程中。利用精心組織的課堂講授解決授課內容綜合性強,概念抽象的問題;在授課過程中穿插專題討論,讓學生立足于經典的設計方法,探討新技術的發展;合理安排開放性實驗,理論與實踐相結合,進一步提高教學效果。

1授課內容安排和授課方法探討

計算機系統結構與計算機組成原理在課程內容上有一定的重疊,明確兩門課程的授課內容,既避免內容上的重復,又保證課程之間的無縫銜接,是提高授課質量的前提。計算機組成原理主要研究計算機各功能部件的組成和工作原理,以及各部件之間的協同工作。計算機系統結構著重介紹如何最佳、最合理的實現軟硬件的功能分配。計算機組成原理強調部件細節,而計算機系統結構強調系統全局,重點闡述高級語言、編譯、操作系統和硬件結構的關系,及性能分析中各方面的影響,避免對軟件層面的忽視[4]。

合理安排系統結構課程的授課過程是提高授課質量的重點。根據授課經驗,各知識模塊的安排順序如下:計算機系統結構的基礎知識、指令系統、流水線處理技術、存儲系統、輸入輸出系統、多處理機技術。計算機系統結構基礎中主要介紹計算機系統結構的概念,包括經典定義和廣義定義;計算機系統設計的量化方法,包括Amdahl定律、常見事件優先原則、程序的局部性原理等。指令系統中主要明確指令集在計算機系統中的位置;指令集設計的基本準則,重點介紹RISC和CISC設計的出發點和特點。流水線處理技術中重點介紹流水線性能指標及計算方法;流水線設計時遇到的一些相關和沖突問題,闡述這些問題產生的原因、造成的性能損失和相應的解決方法。存儲系統中主要介紹存儲層次存在的原因;衡量存儲層次的性能指標;Cache優化技術,包括從失效率、失效開銷、命中時間等三個方面進行優化的,并在實際中廣泛采用的技術;采用一個實例如Alpha 21064或者Opteron介紹經典的存儲層次,對前面所闡述的各種存儲技術和思想進行總結,加深同學們的理解。輸入輸出系統中重點介紹輸入輸出系統的重要性以及RAID。多處理機系統重點介紹Cache一致性問題。

采用適當的授課方法,運用合理的教學手段是提高授課質量的靈魂。由于計算機系統結構課程綜合性較強,概念抽象,難以理解。采用傳統教學方式,學生會感到枯燥無味,無法維持學習興趣。因此在教學過程中采用了各種方法激發學生的學習興趣。比如對于在講解存儲系統中Cache的映像規則時,同學們對于“直接映像”、“組相聯”、“全相聯”這幾種映像規則相聯度越高,利用率越高,但是查找越復雜的特點不好理解。此時,可以用同學們進入教室時是按照學號入座還是隨便坐的例子來很方便的理解這些特點。

2穿插專題討論

本課程中引入專題討論主要基于一下兩方面原因。

一方面計算機系統結構技術發展很快,方向很多。但是不可能在原有授課體系中加入過多新技術,也沒有更多的課時來系統講授新技術。另外,教學內容中對新技術的補充有時是把“雙刃劍”,教學內容既要跟上技術的發展,是知識不致落伍,又有保證教給學生的是立足于經典知識的思維方法,而不是熟練某些技術細節[4]。為了解決這個問題,我們可以采用專題討論的形式。每當完成某一章或者某一部分的講解之后提出相關知識的討論題目,同學們基于已經學習的基本技術、基本思想,查閱參考資料,對新知識、新技術進行探究,思考,乃至預測其發展方向,并以文獻綜述、調研報告的形式總結自己的觀點,然后在課堂上交流討論。題目的選擇要適當,既新穎又要注意知識的銜接,比如在微處理器結構方面的“指令融合”、“間接轉移預測”;存儲結構方面的“混合寫回策略”;多處理機結構方面“高性能計算機體系結構發展”等。

另一方面,這也是大學教育中以學生為主體,教師為主導思想的具體體現。并且計算機系統結構課程開設在大三下學期或者大四上學期,具有了一定的專業基礎。通過引入專題討論,可以啟發學生獨立思考,發展學生的邏輯思維能力和獨立解決問題的能力。而當學生經過認真的思考,對討論題目深入理解后,他樂于將自己的成果與同學們分享,從而感染其他學生進一步提出自己感興趣的問題參與討論。這樣就可以加深學生對于知識的掌握程度,提高學習興趣[6]。

3實驗設計

計算機系統結構課程理論性較強,課程中的流水線技術及相關問題、指令動態調度、存儲層次等內容比較抽象,使得學生在學習過程中難以理解,影響學習興趣。通過實驗研究對系統結構進行量化分析,從而更好理解相關內容,是國際上流行的一種方法。

當前國內外存在多種實驗方法和手段。有的使用硬件,有的使用軟件;有的側重I/O部分,有的側重流水部分;有的側重實際設計,有的側重理論理解。通過多年的教學研究,本課程組傾向于實驗中主要使用模擬器進行模擬實驗,幫助學生理解抽象的理論內容,對于流水線、Cache設計實驗進行講解后由學生課下完成。

對于實驗內容,以幫助理解理論內容為目的,根據本文第二部分中闡述的課程內容進行安排,主要包括流水線沖突、指令調度、分支延遲、Cache性能分析、Cache一致性協議等。對于具體實驗步驟,本文不再展開。

4結語

綜上,通過引入三位一體教學方法,在計算機系統結構課程教學中實現了理論和實踐相統一,以教師為主導和以學生為主體相統一,新知識新技術與經典思想相統一,較好的解決了該課程教學中存在的部分問題,提高了該課程的教學質量。

參考文獻

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篇9

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

1使用應用程序完成特定任務的計算機用戶成為最終用戶

在最終用戶眼中，早期的計算機非常昂貴，只能由少數專業化人員使用。但是到了20世紀80年代個人計算機迅速普及，以及20世紀90年代初多媒體計算機的廣泛應用，特別是互聯網技術的發展，計算機已經成為了人們日常生活中的重要工具。計算機最終用戶使用鍵盤和鼠標等外設與計算機交互，通過操作系統提供的用戶界面，啟動執行應用程序或系統命令，從而完成用戶任務。因此，最終用戶能夠感知到的只是系統提供的簡單人機交互界面和安裝在計算機中的相關應用程序。

2計算機在系統管理員眼中的存在

系統管理員作為管理和維護計算機系統的專業人員，相比于普通的計算機最終用戶而言，對計算機系統的了解要深入得多。必須能非常熟悉操作系統提供的有關系統配置和管理方面的功能、系統管理員必須能夠解決，很多普通用戶解決不了的問題，還要必須能安裝配置、維護系統的硬件和軟件，能建立和管理用戶賬戶，需要時能夠升級硬件和軟件，備份和恢復業務系統和數據等，軟件配置和系統管理層面以及相關的使用程序，系統管理員能感知到的是系統中部分硬件層面，以及相關實用程序和人機交互界面。在開發操作系統，編譯器和實用程序等系統軟件時、需要能夠熟悉計算機底層和相關硬件和系統結構，甚至還需要直接與指令系統和計算機硬件打交道。比如：“對各種控制計算器I/O接個口、用戶可見集成器直接進行編程和控制、所以系統程序員有時還要直接用匯編語言等低級程序，設計語言編寫程序代碼，必須熟悉指令系統、及其結構和相關幾期功能特性”。

3計算機在應用程序員眼中的存在

計算機系統除了計算機硬件、操作系統提供的編程接口（API）、相應的程序語言處理系統和人機交互界面、還包括實用程序，這是應用程序員所看到的計算機系統。高級程序設計語言（High level programming language）是指面向算法設計得較接近于日常所用的英語書面語言的設計語言，例如BASC、C、FORTRAN、java等，所以大多應用程序員使用高級程序設計語言編寫程序。

4系統程序員的程序開發與執行過程

程序的開發和執行設計計算機系統的各個不同層面，因為計算機系統層析話結構的思想體現在程序開發和執行過程的各個環節中。程序開發通過程序編輯軟件得到hello.C文件。Hello.c在計算機中以ASCII字符方式存放。然后再將hello.c進行預處理、編譯、匯編和連接，最終生成顆執行代碼文件。

計算機的控制器自動執行的是指令，每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成，操作碼是指出操作類型，地址碼之處操作數的地址。執行程序世紀上是執行一個指令序列。也就是說不管用什么高級語言編寫的程序都能夠轉換為一個指令序列才能在計算機上執行。任何高級語言源程序和匯編語言源程序都必須轉換為機器語言程序才能被計算機執行，通常這種進行轉換的軟件被稱之為“程序設計語言處理系統”。應用程序員和系統程序員都是借助“程序設計語言處理系統”來開發軟件。任何一個語言處理系統，都包含一個翻譯系統，它能夠把一種編程語言表示的程序轉換為等價的另一種編程語言程序。翻譯程序有以下三類。

（1）匯編程序：也稱匯編器，涌來將匯編語言源程序翻譯成機器語言目標程序。

（2）解釋程序、也稱計時器，涌來將源程序中的語句按其執行順序逐條翻譯成機器指令必過立即執行。例如，BASIC解釋程序直接氣功BASIC源程序執行，不生成目標程序。

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0引言

我校在創建世界一流農業大學的進程中，積極營造交流、開放式、國際化辦學的教學氛圍，開展深度科研協作，努力實現“產學研緊密結合的世界一流農業大學”。我校自20世紀70年代末開設計算機應用課程以來，曾先后多次調整教學內容，以適應時展的需要。正是在此背景下，在當前信息技術飛速發展的今天，如何開展高等農林院?！坝嬎銠C組成與系統結構”課程教學，如何改革課程的理論教學、實驗教學及課程授課令人深思。

1課程現狀

“計算機組成與系統結構”（簡稱計算機組原）是我校計算機科學與技術、信息管理與信息系統、電子商務和軟件工程專業的核心基礎課。該門課程呈現出學生難學、教師難教的現象，其原因在于該課程理論性強，概念和知識點繁、雜、抽象。為使學生具備扎實的基礎理論和良好的動手實踐能力，作者自2006年春開始講授本門課程，結合多年的教學、教改實踐，從以下幾方面對該課程的教學進行了一些嘗試性探索。

2教學優化過程及實踐

2．1優化教學內容，突出重點、難點，補充科技前沿知識由于該課程具有概念繁雜和內容抽象的特點，且每節內容都可擴展開獨自形成完整的知識體系，在有限的教學時間內不可能對計算機系統的五大部件和實現技術都進行詳細講解，為此學院及系部每年組織各類教研活動，如集體備課，集體討論教學大綱，研討教材重點、難點和疑點，確定實踐環節；組織教師之間互相聽課，取長補短；新任教師試講等。2．2強化實驗教學設計，提高動手實踐能力實驗教學是本課程的重要實踐環節，是抽象理論的科學驗證，有助于提升學生對理論的認知，可激發學生的學習興趣。我校采用清華大學教學實驗機TEC－XP，以驗證性實驗為主，在實驗過程中增加附加的設計型教學實驗任務。在授課過程中講解實驗機中的設計思想，讓學生清楚了解硬件的連接及程序的實現過程，在實驗過程中，通過實驗內容逐級深入的方法，使教學試驗機的設計思想逐漸滲透，最終實現教學目標。2．3因材施教，運用靈活多變的教學方法及手段為使課堂授課豐富愉悅、內容飽滿活潑，為使學生能盡快融會貫通，這就必須對教學內容進行精心設計，多種教學方法相結合并貫穿授課始終。作者結合多年的教學經驗總結，極大地提高了學生學習興趣，極大地提升了教學質量。2．3．1培養學生學習興趣的互動式板書與PPT教學手段結合教材內容，充分運用現代網絡技術，利用圖片、動畫、視頻等多媒體素材設計PPT，幫助學生理解枯燥的計算機組成原理概念，提高學習效果。如第一章計算機系統概論中講授計算機執行ax2＋bx＋c，以學生熟悉的C語言知識，板書介紹非常重要的地址概念，引導學生熟悉用戶程序存放的內存單元地址、自定義變量地址，PPT動畫展示運算器的加、乘運算的基本過程。2．3．2客觀真實的案例教學法對感性認識不強的計算機組成概念，使用案例教學法可幫助學生消除對計算機的神秘感。如在講解多體（存儲器）交叉存儲系統時，通過下述案例，以科技文獻及圖片素材讓學生逐漸了解并掌握大型機（或巨型機）中多體交叉的知識點，有助于后續Cache命令率的學習。2．3．3科學地利用教師的主導作用，運用生活化、形象化的類比教學法作為專職專業課教師，任何時候都可通過課堂中的點滴小事與學生交流，詢問他們是否已理解了授課內容和難點、重點知識。作為授課中“人類靈魂的工程師”，真誠關注、鼓勵、教育學生注重專業修養，提高綜合素質。為避免學生“知其然，不知其所以然”，避免死記硬背，結合日常生活中的實例，采用類比教學法，形象生動、由淺入深地讓學生理解計算機中艱澀的概念，最后達到深入淺出的教學效果。如存儲器，猶如倉庫，計算機中用于存放指令和數據；“按地址尋訪”，是指計算機根據地址尋找內存單元和IO部件，地址的概念正如現實生活中區別某人的身份證號碼，或現實中的座機號碼，或計算機網絡中的IP地址?？偩€中的異步串行通信猶如食堂排隊買飯、火車站排隊買票等，逐比特的傳輸；應答信號如通信雙方握手一樣，成對出現。Cache與主存地址映射過程是本課程的難點和重點，將Cache與主存的地址映射比作火車座位的對應機制，有助于學生對Cache地址映射的理解。講解尋址方式時，以去宿舍找學生作類比，若已知學生的具體宿舍號，則為直接尋址；若詢問宿管辦阿姨，則為寄存器間接尋址。介紹運算器的功能時，指出運算器只做一件事，即算術邏輯運算，其余均不參與；控制器的功能就是大總管，控制并管理計算機所有的行為和操作等等。2．3．4強化重點，當堂消化難點，采用專項典型習題講解法我校采用的教材是由唐朔飛老師主編的國家“十一五”規劃教材《計算機組成原理》（第2版）。由于該課程具有很強的理論性以及學生考研的需求，通過對大綱的重點難點知識第四章CPU與存儲器的連接、高速緩沖存儲器，第六章計算機的運算方法及第十章CU的設計的典型例題、習題進行講解，能有效鞏固、加強學生對所學知識的理解。同時，預留少且精的課后題，以再次加深對知識點的理解，培養學生的思維能力。

3鼓勵個性化發展，完善考核方式

課程考核是教學過程的重要組成部分，是實現教學目標和檢測學生學習成果的一種手段，貫穿授課及實驗過程的始終。本門課程考核的主要內容是學生對整機的基本組成及工作原理的理解程度，以及對基本概念、基本知識的掌握程度。經過多年的教學經驗總結，課程考核基本由以下三部分組成。（1）隨堂測驗（占總成績的10％）。為了督促和鼓勵學生對課程的學習，在重點章節后進行隨堂測試，主要考核學生對重點難點內容的理解及掌握情況，隨時發現學生在學習過程中存在的各類問題，及時調整教學方向。（2）驗證實驗及設計型實驗（占總成績的20％）。規范實驗教學，嚴格考勤制度，采用單人單機的形式，主要看重實驗過程、實驗結果，輕實驗報告成績。對學生的實驗驗證報告、設計型實驗的完成狀態以實驗截圖的形式提交，實驗完成后當場驗收并給出驗收成績。在所有實驗完成后，提交相關代碼及實驗文檔，并給出實驗報告成績。實驗成績由三部分構成：驗收成績占50％，報告成績占30％，實驗考勤占20％。（3）期末考試（占總成績的70％）。該課程一直沿用閉卷理論考試；課程全部結束后，進行期末考試，全面考核學生對基礎理論、基本原理的掌握程度與分析水平。

4總結

鑒于我校地處西北及正處于“創建世界一流農業大學”戰略時期，以及計算機組成與系統結構課程的特殊性、重要性，這就決定了該課程的教學改革與實踐是一項大工程，需要從理論授課、實驗驗證、課程考核等多方面同時進行教學優化，以上整個教學過程優化的思考與實踐，已取得了較好的效果。作為高等農業院校，我院的本科畢業生受到了國內知名IT公司的好評和青睞，在華為、阿里巴巴、百度、迅雷、網易、美團網、去哪網等公司就業，不少已是部門負責人，連續四年一次性就業率達98％，年薪10萬元以上的畢業生每年在12人次以上。雖然取得了一些成績，但距離世界一流農業大學的創新型人才培養還有一些距離?！坝嬎銠C組成與系統結構”的課程教學優化需要做的工作還有很多，各種教學方法、教學手段也并不是一成不變的。隨著網絡技術、信息技術的不斷發展，專業教師只有不斷進行學習、更新、優化、探索、總結，才能持續有效地提高教學效果、教學質量，持續有效地滿足新時代下學生不斷增長的求知需求。

作者:黃鋁文 陳 勇 李書琴 張志勇 單位:西北農林科技大學

參考文獻:

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