時間：2023-09-18 17:33:42
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇計算機的組成和工作原理，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：計算機硬件 知識體系 結(jié)構(gòu)框架
中圖分類號：TP303-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416(2012)06-0122-01
隨著社會進(jìn)步和信息化時代的發(fā)展，計算機應(yīng)用能力變得越來越必要。如何掌握計算機相關(guān)知識也成了大家關(guān)心的話題。在計算機的硬件知識體系中，知識點紛繁復(fù)雜，因此，構(gòu)建合理的計算機硬件知識體系框架有重要意義。筆者就如何構(gòu)架計算機硬件知識體系框架幾點淺薄的認(rèn)識：
1、計算機硬件知識體系的特點
1.1 硬件知識整體性強、富有層次性
計算機硬件知識的許多知識點都是密切相關(guān)的，相互影響的。在某個知識點的掌握程度和理解如何直接影響著對其它知識點的把握，如門陣列控制器就一知識點的學(xué)習(xí)就需要有“可編程陣列邏輯”為基礎(chǔ)。除此之外，富有層次性也是硬件知識體系的一個重要特點。比如在計算機硬件的設(shè)計中，就需要經(jīng)過三個過程，從概念結(jié)構(gòu)到邏輯結(jié)構(gòu)，再到物理結(jié)構(gòu)，這三個模塊層次分明。
1.2 計算機硬件知識體系的特征
一般而言，計算機的硬件知識點難度都不小，如在存儲系統(tǒng)中，就會涉及局部的存儲和訪問，以及如何精心相關(guān)的替換算法和存儲系統(tǒng)的應(yīng)用諸多問題。同時，計算機硬件知識的理論知識和實際的要求卻相差甚遠(yuǎn)，例如說電腦中都會有CPU這一核心配置，但我們卻很難看到CPU的具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
1.3 知識體系的重點和界限變化快
以往的硬件知識體系培養(yǎng)的是人們設(shè)計電腦硬件的能力和底層使用的硬件，而從上世紀(jì)八十年代后期開始，硬件知識體系則是以嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計、軟件和硬件的結(jié)合為目標(biāo)。同時，硬件知識的重點也有了很大改變，同時，界限也在變化。
2、計算機硬件知識體系結(jié)構(gòu)框架
2.1 計算機硬件知識的教學(xué)目標(biāo)
計算機硬件知識的教學(xué)目標(biāo)主要有以下三個：讓學(xué)生掌握相關(guān)的計算機硬件知識，為以后的計算機軟件和其他知識的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)；學(xué)會嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和設(shè)計方法；形成能夠直接以已有的基礎(chǔ)知識來運用計算機。計算機硬件所研究的包括對計算機的工作原理、結(jié)構(gòu)的分析和以及一些編程和技術(shù)的運用。
2.2 計算機硬件知識體系結(jié)構(gòu)框架
計算機硬件的知識體系可以分成以下四種：工作原理知識系列、編程應(yīng)用知識系列、組成結(jié)構(gòu)知識系列和技術(shù)方法的知識系列。這四者的具體的構(gòu)建方法和如何構(gòu)建各有不同。比如說工作原理的知識系列通過一定手段讓理論知識轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實，這可以通過一些相關(guān)的過程驅(qū)動、指令執(zhí)行等來實現(xiàn)；而編程應(yīng)用知識系列則不同，編程應(yīng)用看重的是從基礎(chǔ)知識到具體應(yīng)用和操作的一種轉(zhuǎn)變，編寫程序可以通過一些特性結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)等來實現(xiàn)。具體來說：
工作原理的知識系列的重要內(nèi)容是計算機的組成和結(jié)構(gòu)方面的一些知識，它是計算機硬件的基礎(chǔ)知識，也是重要根據(jù)。工作原理相關(guān)的主要知識包括：順序程序驅(qū)動的含義和重要性、電腦指令的表現(xiàn)形式、控制器的使用以及程序設(shè)計的一些基礎(chǔ)知識。
作為計算機硬件知識體系中的核心，組成結(jié)構(gòu)方面的知識對于計算機的使用有著十分重要的意義。組成結(jié)構(gòu)方面的知識涵蓋了計算機的組成原理、數(shù)字邏輯和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等多方面的知識，如運算器和邏輯代數(shù)等重要部件的設(shè)計方法和相關(guān)的存儲系統(tǒng)等。
除了以上兩種知識系列，編程應(yīng)用知識系列也是重要的知識系列之一。編程應(yīng)用是計算機硬件技術(shù)的目標(biāo)之所在，介紹的是匯編語言和相關(guān)的程序設(shè)計、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等相關(guān)內(nèi)容，如指令系統(tǒng)、接口芯片和微型計算機的結(jié)構(gòu)等都是編程應(yīng)用知識體系中的重要知識點。
此外，作為計算機硬件技術(shù)的一大思路，技術(shù)方法的知識體系的重要性越來越受到肯定。技術(shù)方法方面的知識體系主要涉及了計算機組成原理、微型計算機的組成原理和相關(guān)的接口技術(shù)等，具體的包括數(shù)字指令的種類、流水線技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等等。
3、如何構(gòu)建計算機硬件的知識體系結(jié)構(gòu)
正如前面我們所提到的計算機硬件知識體系的四種系列，在構(gòu)建相關(guān)的知識體系的時候也應(yīng)當(dāng)加以區(qū)別對待。
3.1 工作原理的知識體系的構(gòu)建方法
在構(gòu)建工作原理的知識體系時，應(yīng)當(dāng)本著從理論到實踐的想法來構(gòu)建。計算機硬件方面的知識有許多是理論性強，較抽象的，這就需要我們能將這個抽象轉(zhuǎn)化為具體的操作。如計算模型本身是一個較抽象的概念，在這個概念的表達(dá)中，我們要加深對計算過程的程序和驅(qū)動的認(rèn)識，以及加深對數(shù)字指令的和運行方面的認(rèn)識，這樣就能更加明白的理解誒怎樣通過控制計算機中的相關(guān)元件和配備來達(dá)到計算的目的。
3.2 編程應(yīng)用知識體系的構(gòu)建方法
在構(gòu)建編程應(yīng)用知識系列的鍋中中，要遵循從基礎(chǔ)到應(yīng)用的指導(dǎo)思想。我們直接通過給計算機指令來讓機器運行，這時的計算機指令的能夠和執(zhí)行的基礎(chǔ)就是計算機的外部特征，同時，機器之所以能夠執(zhí)行這些指令，依靠的又是在計算機里編寫好了的程序，在這個基礎(chǔ)上，計算機才能夠計算和解決那些實際意義的應(yīng)用難題。
3.3 組成結(jié)構(gòu)知識體系的構(gòu)建方法
和工作原理知識系列的構(gòu)建不同的是，組成結(jié)構(gòu)的知識體系應(yīng)當(dāng)遵循從部分到整體的方法。部分是局部的概念，要將部分納入到整體中去。如邏輯元件是計算機系統(tǒng)中的最小組成單元，我們通過對邏輯元件等小的計算機器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能的認(rèn)識，進(jìn)一步能夠加深對整個計算機操作系統(tǒng)的組成和功能設(shè)計等的認(rèn)識，這就是通過部分認(rèn)識整體的一個方面。
3.4 技術(shù)方法知識體系的構(gòu)建方法
技術(shù)方法知識體系的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)遵循抽到到具體的轉(zhuǎn)變。計算機的功能如何是計算機程序設(shè)計等的重要基礎(chǔ)，概念性的結(jié)構(gòu)較為抽象、不容易理解，而計算機的物理性結(jié)構(gòu)則較為具體，因此，應(yīng)當(dāng)以某種邏輯形式或聯(lián)系來將它們連接好。
4、結(jié)語
總之，在計算機應(yīng)用如此廣泛的今天，如何掌握計算機的硬件和軟件方面的必備知識是我們都需要關(guān)注的問題。因此，計算機硬件知識體系的構(gòu)建也日益重要。筆者相信，在不斷的探索之下，計算機硬件知識體系的結(jié)構(gòu)框架會越來越完整。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：建構(gòu)主義；計算機組成原理；主觀能動性
作者簡介：羅慧敏（1980-），女，河南周口人，河南大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院，講師；閻朝坤（1978-），男，河南開封人，河南大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院，講師。（河南?開封?475004）
基金項目：本文系河南大學(xué)第十一批教學(xué)改革項目（項目編號：2011JXGG060）的研究成果。
中圖分類號：G642.0?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）22-0073-02
“計算機組成原理”不僅是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程，也是非計算機專業(yè)學(xué)生掌握計算機技術(shù)的一門專業(yè)選修課程。它的先導(dǎo)課程包括電路與電子學(xué)、數(shù)字邏輯和匯編語言；后續(xù)課程有微型機系統(tǒng)與接口、計算機體系結(jié)構(gòu)等，在一系列硬件課程中起著承上啟下的作用。[1]而且該課程內(nèi)容在全國計算機專業(yè)研究生入學(xué)考試中占據(jù)相當(dāng)大的比例（占總分?jǐn)?shù)的1/3份額）。由此可見，該課程在計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的知識體系中的重要地位。然而，在實際教學(xué)中，由于其理論性很強、知識面較寬、信息量較大且學(xué)時不多，教師難教，學(xué)生難學(xué)，教學(xué)效果不理想。傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)方法，無法調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，且忽略了學(xué)生的主體地位。[2]長此以往，造成學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)目的僅僅是應(yīng)付期末考試和考研，無法將該課程的作用和本質(zhì)真正融入到整個專業(yè)知識體系之中。另外，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)效果也會在一定程度上影響教師的教學(xué)積極性，進(jìn)而影響教學(xué)效果。
建構(gòu)主義理論認(rèn)為知識主要是個人對知識的一種建構(gòu)，而不是源于現(xiàn)實的意義，這為計算機專業(yè)的課程教學(xué)提供了新的理念。本文利用建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論及其倡導(dǎo)的教學(xué)模式對“計算機組成原理”課程教學(xué)進(jìn)行了改革探索，取得了較好的成效。
一、“計算機組成原理”教學(xué)目標(biāo)及現(xiàn)狀
“計算機組成原理”的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握計算機以及各功能部件的工作原理，掌握相關(guān)設(shè)計方法和邏輯實現(xiàn)，熟悉各功能部件連成整機的方法、建立起整機工作的概念，為學(xué)生未來進(jìn)行計算機系統(tǒng)的分析、開發(fā)、使用和設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。[3]
然而在“計算機組成原理”的教學(xué)過程中，往往存在各種問題。一方面，學(xué)生普遍抱怨該課程深奧，難學(xué)難懂，學(xué)習(xí)熱情不高；另一方面，教師感覺該課程難教，雖然花費了較大精力去教授課程內(nèi)容，認(rèn)真指導(dǎo)學(xué)生實驗，但教學(xué)效果不理想。課程組通過多年對該課程的教學(xué)總結(jié)以及與學(xué)生的溝通，對教學(xué)中存在的問題進(jìn)行認(rèn)真分析，對其存在的原因進(jìn)行了歸納總結(jié)，主要表現(xiàn)在以下幾點。
1.教材理論性強，內(nèi)容抽象，與前沿技術(shù)脫節(jié)
目前，“計算機組成原理”課程的教材普遍理論性較強，相對于計算機硬件的發(fā)展來說，講授的內(nèi)容不僅抽象，而且較陳舊，缺乏與當(dāng)前計算機最新前沿技術(shù)的連接。一方面，學(xué)生感覺課程內(nèi)容枯燥難懂，不實用；另一方面，新的硬件技術(shù)知識的復(fù)雜性增大了教師組織和實施教學(xué)的難度。
2.課程的“縱向”“橫向”關(guān)聯(lián)性較強
一方面，該課程與電路與電子學(xué)、數(shù)字邏輯等先修課程有一種縱向的密切關(guān)聯(lián)。這些先修課程本身難度就較大，如果學(xué)生對這些知識沒有很好地掌握，基礎(chǔ)沒打好，勢必影響到對計算機各組成部分的硬件電路及其工作原理的學(xué)習(xí)，學(xué)生會感到學(xué)習(xí)吃力，逐漸喪失學(xué)習(xí)興趣，這種縱向聯(lián)系也增加了教師的講授難度；另一方面，本課程的各知識點存在一種橫向的關(guān)聯(lián)性。計算機各部件是分別講授的，但是存在相互依賴關(guān)系。例如，運算器部分和存儲器部分都用到了控制器部分的相關(guān)基礎(chǔ)內(nèi)容，這些關(guān)聯(lián)使得計算機組成原理的教學(xué)不同于其他課程，對各知識點的介紹不能一步到位，增加了理解和教學(xué)的難度。
3.實踐環(huán)節(jié)相對薄弱，與教學(xué)內(nèi)容不能有效結(jié)合
“計算機組成原理”課程涉及計算機內(nèi)部的構(gòu)造、工作原理及應(yīng)用，理論性很強，必須通過實踐環(huán)節(jié)幫助學(xué)生真正理解和掌握。然而，目前該課程的教學(xué)安排上，實驗學(xué)時占據(jù)比例偏少，不能滿足該課程實驗教學(xué)的需要。雖然配置了FPGA實驗平臺，但由于課時限制以及需要相關(guān)硬件描述語言的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，所設(shè)置的實驗內(nèi)容大都以驗證性實驗為主，實驗時往往參照實驗手冊完成，不能使學(xué)生深入理解計算機內(nèi)部工作原理，也無法發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力。
4.教考模式的單一老化
“計算機組成原理”課程的教學(xué)主要采取“灌輸式”的教學(xué)方法。這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法對于理論性強、難度大的計算機組成原理的教學(xué)來說，無法調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，忽略了學(xué)生的主體地位。在考核方式上，傳統(tǒng)的閉卷考試只會造成學(xué)生忽略實踐環(huán)節(jié)，局限于對課本知識的死記硬背，無法有效提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。
二、建構(gòu)主義理論的主要思想
關(guān)鍵詞：計算機組成與結(jié)構(gòu)；教學(xué)組織；控制器原理與設(shè)計；課程設(shè)計
中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1672-5913(2009)04-0092-03
1 課程地位和特點
各所大學(xué)對計算機專業(yè)都制訂了各自的學(xué)科教學(xué)計劃，大部分都參考了CC2001或CC2005。CC2001與CC2005是IEEE/ACM分別于2001年和2005年的具有指導(dǎo)意義的計算學(xué)科本科教學(xué)參考計劃(computing Curricula)。“計算機組成原理與結(jié)構(gòu)”課程在CC2005中是一門計算機結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)方面的中級課程，采用精簡的、系統(tǒng)的、主題教學(xué)方法相結(jié)合的教學(xué)方法，它是這個方向最基礎(chǔ)的重要課程。這門課程不僅在后續(xù)課程學(xué)習(xí)中有非常重要的承前啟后的作用，而且在學(xué)生以后的職業(yè)生涯中也有著非常重要的作用，大部分有關(guān)計算機的專業(yè)概念都是在這門課程中給出的，它讓你學(xué)會設(shè)計一個復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)該從哪兒入手。
“計算機組成與結(jié)構(gòu)”課程要求掌握計算機組織和計算機結(jié)構(gòu)兩方面的內(nèi)容，計算機的結(jié)構(gòu)是指那些對程序員可見的系統(tǒng)的屬性，直接影響到程序的邏輯執(zhí)行，包括指令集、數(shù)據(jù)的表示、I/O機制及內(nèi)存訪問技術(shù)。而計算機組織是指實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)規(guī)范的部件和它們相互的連接，其中包括那些對程序員透明的硬件細(xì)節(jié)，如控制信號、計算機和外設(shè)的接口、使用的存儲器技術(shù)等。最終目的是達(dá)到從系統(tǒng)、整機的角度理解計算機的結(jié)構(gòu)與組成。由于計算機是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，完整并清楚地描述它本身就是一項非常困難的事，更何況還要求學(xué)生不僅要掌握計算機結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，還要掌握重要部件的組成原理與設(shè)計方法。所以這門課程的教與學(xué)都比較難，是老師與學(xué)生比較頭疼的一門課。
該課程的特點具體體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，內(nèi)容龐雜。“計算機組成與結(jié)構(gòu)”課程，對于計算機各個專業(yè)來說都起到一個高屋建瓴的作用，它既要全，又要精，還要細(xì)，在內(nèi)容詳略選擇等問題上是非常值得推敲的；第二，內(nèi)容的關(guān)聯(lián)不是特別緊密，比如計算機的各大部件之間雖然相互關(guān)聯(lián)，但由于各大部件本身就足夠復(fù)雜，在相應(yīng)章節(jié)已疲于內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理的介紹，而對于相互的聯(lián)系，很多情況下都涉及更多的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，無法在局限的篇幅中介，所以各章內(nèi)容顯得很零散，系統(tǒng)性不強；第三，很多內(nèi)容比較抽象，無法直觀展現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中較難提起興趣。
2 內(nèi)容組織
國內(nèi)的“計算機組成原理與結(jié)構(gòu)”課程一般介紹單處理器計算機的組成原理與結(jié)構(gòu)體系，包括數(shù)據(jù)在機器中的表示、總線系統(tǒng)、設(shè)備接口、存儲器組織與結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、中央處理器(含運算器與控制器)、流水與并行處理等內(nèi)容。其中重點是數(shù)據(jù)在機器中的表示、存儲器組織與結(jié)構(gòu)、中央處理器等內(nèi)容。而對設(shè)備接口、指令系統(tǒng)等只作簡單介紹，在后續(xù)的“匯編語言與微機接口技術(shù)”課程中再作重點介紹。本課程對流水與并行處理也只作簡單介紹，其詳細(xì)內(nèi)容在后續(xù)的“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”中重點介紹。
大家對該課程的基本內(nèi)容是有共識的，但對于這些基本內(nèi)容的組織卻有比較大的分歧，有些人先講整機系統(tǒng)以及部件之間相互連接，然后由部件到結(jié)構(gòu)、原理至具體實現(xiàn)；而有些人則先從每個部件的實現(xiàn)原理到結(jié)構(gòu)，再由各個部件相互連接而成整個系統(tǒng)，再到整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等等進(jìn)行講解。也有一些人講兩種方法進(jìn)行結(jié)合。每一部分內(nèi)容的組織也有分歧，我們通過多屆的教學(xué)有一些體會，當(dāng)然不同老師的觀點也不盡相同，這里介紹一下我們對內(nèi)容組織的考慮，希望與同行們共同探討。
2.1 分章內(nèi)容安排
一般來說，學(xué)生是沒有錯的。我一直認(rèn)為，如果一門課不能吸引學(xué)生，作為老師，首先考慮的就是自己的教學(xué)是否有問題。只要這么去想，教學(xué)就會有改善。而教學(xué)過程中第一要改善的就是內(nèi)容的組織。回想學(xué)生時代，一門課上過二、三次課后，也就基本確定喜歡不喜歡這門課了，所以一開始的內(nèi)容組織就非常重要。
計算機如此之復(fù)雜，講解需要有一個引導(dǎo)的過程，如果一開始就講數(shù)的表示，計算等等，學(xué)生會覺得很枯燥，不知目的何在。很多教科書也是這樣講的，實踐證明，這樣的開端效果不好。如果一開始利用一章來足夠概括，也足夠簡明地向?qū)W生介紹一下計算機的功能和工作過程，進(jìn)而引出整門課的內(nèi)容組織，學(xué)生就容易與老師的思路同步，而且對整個計算機有了一定了解以后，自然而然地就會對其中每一部分的工作原理以及設(shè)計感興趣。
第1章是計算機系統(tǒng)導(dǎo)論，首先介紹計算機系統(tǒng)的分級層次的概念，指出本門課程在其中處于什么位置；然后簡單地介紹一下計算機硬件的組成及功能、計算機執(zhí)行程序的過程，進(jìn)而介紹計算機執(zhí)行指令的過程。
這樣的開端，益處有幾條：第一，學(xué)生快速進(jìn)入狀態(tài)，它與以往課程不同之處在于，我們是研究計算機較為底層的工作原理，是要詳細(xì)到一條指令是如何執(zhí)行的。其實以后的各章也是圍繞這個問題展開的。第二，學(xué)生學(xué)習(xí)的目標(biāo)性強，知道每一章節(jié)的學(xué)習(xí)目的。第三，人有探索未知領(lǐng)域的本能，這樣的方式容易激發(fā)出學(xué)生的本能。
第2章是系統(tǒng)總線，它以總線為切入點講解現(xiàn)代計算機的結(jié)構(gòu)以及各個部件的互連，重點不是為講總線而講總線。有些書上大講特講各種總線標(biāo)準(zhǔn)，但我認(rèn)為在這一章我們首先要使學(xué)生了解，各個部件特別是CPU和存儲器、各種I/O設(shè)備之間如何協(xié)調(diào)工作，CPU為什么要與它們交換信息以及如何交換信息，總線為什么要制訂標(biāo)準(zhǔn)等。這些都交代清楚后，再介紹幾種典型的總線標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。
講任何一章內(nèi)容都要使學(xué)生了解我們?yōu)槭裁匆獙W(xué)習(xí)這一章內(nèi)容，這部分內(nèi)容對于我們的整體目標(biāo)有什么作用，然后再往細(xì)介紹。
第3章是存儲器系統(tǒng)，它包括了主存系統(tǒng)與輔存的基本原理，首先討論存儲系統(tǒng)的特性及它的基本操作及主要技術(shù)指標(biāo)。其中，地址線數(shù)、數(shù)據(jù)寬度、存儲周期等概念一定要在此講清楚。而這些為后面的存儲系統(tǒng)的分層及芯片組織打下一個好的基礎(chǔ)。有不少學(xué)生，直到最后也無法掌握如何用半導(dǎo)體芯片組成一個特定的主存系統(tǒng)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)最主要的問題就是前面的這些概念未能搞清楚。芯片的組織是其中一個重點內(nèi)容，前面的基礎(chǔ)概念搞清楚后，用兩個例子說明芯片的組織及與CPU的連接的一些原則、方法。帶Cache的二級主存系統(tǒng)的工作原理是該章另一個重點，其中包括地址映像、替換算法等：有關(guān)輔存的內(nèi)容可以比較簡單，不需詳細(xì)介紹虛擬存儲器的內(nèi)容，因為這部分內(nèi)容只有在操作系統(tǒng)中才能講清夢，而且它的確也不屬于硬件的范疇，但Cache與主存之間地址映像卻是硬件完成的，所以它屬于計算機組織與結(jié)構(gòu)的內(nèi)容之一。
關(guān)于存儲器芯片內(nèi)部如何完成二進(jìn)制位的存儲及讀寫這部分內(nèi)容，有一些書中未作介紹，比如William Stallings著的《計算機組織與結(jié)構(gòu)：性能設(shè)計》，他在第4章內(nèi)部存儲器中并未對此作介紹。我認(rèn)為，存儲元件如何存儲信息，以及地址如何選中相應(yīng)的存儲單元，還是有必要講解，因為從理解存儲器的工作原理這個角度，這種細(xì)節(jié)如果不作介紹，那么它的原理總是不夠完整，所以可在內(nèi)容上講清存儲信息的邏輯實現(xiàn)即可。
第4章是數(shù)據(jù)表示及運算方法，主要介紹數(shù)的表示、算術(shù)及邏輯運算的方法，以及相應(yīng)硬件實現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)，這部分內(nèi)容分歧較少。
第5章是指令系統(tǒng)，討論計算機指令系統(tǒng)的發(fā)展歷史、指令格式、指令系統(tǒng)設(shè)計原則以及RISC指令系統(tǒng)特點等等，這一章為后面的CPU功能及控制器原理與設(shè)計做準(zhǔn)備。
第6章是CPU的結(jié)構(gòu)與功能，討論CPU的組成結(jié)構(gòu)，指令周期及指令流水和中斷系統(tǒng)。
第7章是控制器的原理及設(shè)計，重點介紹指令執(zhí)行過程中的微操作命令，組合邏輯設(shè)計中對微操作命令的節(jié)拍安排，微操作時間表等。繼而再介紹微程序級設(shè)計方法及相關(guān)的微操作控制信號的編碼技術(shù)、微指令順序控制技術(shù)等。
2.2 內(nèi)容的綜合及細(xì)節(jié)的處理
控制器的工作原理及設(shè)計方法是本課程的核心，前面講的每一部分的內(nèi)容都是為這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備的。在這一章，前面所學(xué)的知識又綜合在了一起，由控制器將各部件的工作過程連接起來，其中指令執(zhí)行的詳細(xì)過程是關(guān)鍵，控制器需要發(fā)出哪些控制信號來控制這一過程，進(jìn)而，這些控制信號該在什么樣的條件下發(fā)出，然后寫出每一控制信號的邏輯表達(dá)式。要想理解控制器的工作原理及設(shè)計方法，必須從組合邏輯控制器設(shè)計著手，給學(xué)生一個直觀的設(shè)計過程，這樣控制器的設(shè)計框架就在腦中形成，而后面的微程序控制器的設(shè)計，只是將上述分析得出控制信號進(jìn)行編碼，形成微指令，并存放在控制存儲器中，指令的執(zhí)行過程也就演變?yōu)閺目刂拼鎯ζ髦幸灰蝗〕鱿鄳?yīng)的微指令執(zhí)行而已。
雖然微程序控制器的設(shè)計已成為大部分復(fù)雜計算機控制器設(shè)計的主流方法。但從理解角度上來講，組合邏輯控制器的設(shè)計是理解控制器工作原理及設(shè)計方法的關(guān)鍵。如果像國內(nèi)一部分教科書中所講順序，先講控制器功能，進(jìn)而直接引出微程序控制器原理及設(shè)計，最后是硬布線控制器設(shè)計，許多學(xué)生學(xué)了半天，學(xué)了編碼法，但最終也不知控制器是怎么工作的，整機觀念更是建立不起來。
在實踐中反復(fù)證明的一點是，學(xué)習(xí)復(fù)雜的系統(tǒng)，必須使學(xué)習(xí)者首先建立整體框架，然后詳細(xì)了解每一部分，最后再將每一部分綜合起來理解。這樣就可以將一個復(fù)雜系統(tǒng)從上至下地了解清楚。堅決要杜絕的就是，框架建立不起來，卻在許多細(xì)節(jié)問題上反復(fù)糾纏。這樣很快就使學(xué)生對這門課程失去耐心和興趣。
那么對于許多的細(xì)節(jié)如何去講?這是這門課教學(xué)過程中一個較難解決的問題，如果能與每一部分連成一體的，就順著講下來；如果在邏輯上并沒有太多的聯(lián)系，但又必須交待的內(nèi)容，比如多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸與存儲時的大端小端問題等可以用每章后的附錄形式出現(xiàn)，這樣既不影響每一部分內(nèi)容的連貫性，又照顧了完整性：而講課時也可在每章后增加一個個小專題來講，有些內(nèi)容學(xué)生自己看就可以，有一些可用來討論，形式可多樣化。
3 教學(xué)組織
內(nèi)容的組織必須配合相應(yīng)的教學(xué)組織，其中包括課前備課、課堂教學(xué)、課下輔導(dǎo)以及課程設(shè)計等環(huán)節(jié)。我認(rèn)為教學(xué)改革絕不僅僅是增加一些華而不實的動態(tài)效果，或單一地追求講課時的抑揚頓挫。這些形式上的東西都是為實質(zhì)性的內(nèi)容服務(wù)的，我們的目標(biāo)是如何培養(yǎng)出符合現(xiàn)代社會需要的、合格的人才。
3.1 課前的準(zhǔn)備
從課前準(zhǔn)備來說，“計算機組成與結(jié)構(gòu)”是一門經(jīng)典課。許多老師認(rèn)為計算機無論如何發(fā)展，它的基本原理是沒變的，大體來講這句話是沒錯的，但這不應(yīng)成為老師照本宣科的理由。因為愛，老師心中有使命感，有責(zé)任感，甚至有危機感。每一學(xué)期開始，我都會去認(rèn)真準(zhǔn)備最近TOP500強計算機的資料，一方面讓學(xué)生了解最新計算機發(fā)展?fàn)顩r，了解衡量計算機的幾個指標(biāo)，了解中國與強國的差距，以此喚起聽者心中興趣與使命感。同時涉及計算機的幾個重要概念：速度、字長以及規(guī)模等。我發(fā)現(xiàn)，每次講完教室里的氣氛都很熱烈，在接下來的授課中他們就會比較用心。
課前的準(zhǔn)備除了內(nèi)容上的不斷更新，還要不斷地去揣摩學(xué)生的心理和接受能力。學(xué)生要想考試得高分，就得揣摩老師的心理，那么同樣的道理，老師要想教好書，就得揣摩學(xué)生的心思。我一直相信學(xué)生是想學(xué)知識的，所以我努力去做的就是讓他們對此有興趣，并沿著正確的思路去學(xué)。
3.2 課堂教學(xué)
課前充分的準(zhǔn)備為課堂的講授打下了基礎(chǔ)，但有時仍然會遇上學(xué)生整體士氣不高的時候，這時，我會稍作停頓，說幾句題外的話，旁敲側(cè)擊一下，在內(nèi)容安排上，會將一些復(fù)雜的、枯燥的內(nèi)容與簡單的、有趣一些的內(nèi)容交叉起來。上課時充滿熱情，時時觀察學(xué)生的狀況與接受程度，及時做出調(diào)整。有時使用研究的方法，將問題提出來，我也在思考，我與他們同步分析，轉(zhuǎn)換角色，將主角的位置讓給他們，讓他們大聲地說出他們的想法，然后沿著他們的思路走，進(jìn)而分析問題所在，以及正確的解決方案。這些方法在課堂上是很有效的，學(xué)生們是很清楚的，老師投入滿腔熱忱，他們也會被感染。相反，老師應(yīng)付差使，他們就很容易隨波逐流。
3.3 課外的輔導(dǎo)與課程設(shè)計
課下的輔導(dǎo)在很多情況下是配合課堂教學(xué)的，如果最近上課內(nèi)容比較難以接受，那么學(xué)生在課下會用不少時間來想，如果這時老師未能及時給以輔導(dǎo)，那么大部分學(xué)生很容易知難而退，所以要及時與學(xué)生溝通，給予適當(dāng)?shù)妮o導(dǎo)與疏導(dǎo)。
課程設(shè)計環(huán)節(jié)，一方面的目標(biāo)是加深對理論學(xué)習(xí)的理解，另一方面是為了提高學(xué)生自己動手解決問題的能力。在課堂講授環(huán)節(jié)就要考慮課程設(shè)計的需要，比如知識的準(zhǔn)備，以及相應(yīng)設(shè)計方法的學(xué)習(xí)。所以要想課程設(shè)計環(huán)節(jié)取得好的效果，在相應(yīng)的課堂教學(xué)中，應(yīng)該做好充分的準(zhǔn)備，然后在課程設(shè)計中，給以適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，既不讓學(xué)生產(chǎn)生依賴思想，又不能因為太難而讓學(xué)生不知所措，匆匆地將實驗結(jié)果湊出來交差。
4 進(jìn)一步的思考
“計算機組成與結(jié)構(gòu)”課程不是一門孤立的課程，它與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、匯編語言與接口技術(shù)以及操作系統(tǒng)課程有著密切關(guān)系，“計算機組成與結(jié)構(gòu)”的老師一方面要劃分好課程之間的分工，另一方面要充分了解相關(guān)課程的內(nèi)容，在講課時如果有交叉時需要交待清楚。原本它們都是相互關(guān)聯(lián)的，教學(xué)過程中如果能關(guān)聯(lián)是最好的，但不應(yīng)涉及太深，細(xì)節(jié)問題在相應(yīng)課程中講。
【關(guān)鍵詞】計算機組成原理；形象化教學(xué)；啟發(fā)式教學(xué)；QuartusII
1.課程實施方案
計算機組成原理是計算機專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是計算機專業(yè)研究生入學(xué)考試必考課程之一，本課程旨在使學(xué)生系統(tǒng)地理解計算機硬件系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，建立計算機系統(tǒng)的整機概念，為進(jìn)一步從事計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)等方面的學(xué)習(xí)和研究打下基礎(chǔ)。
計算機組成原理課程采用理論教學(xué)和實踐教學(xué)相結(jié)合，分三個階段展開。第一階段，主要介紹計算機模型機及各功能部件在模型機中的地位及作用；第二階段，分析各功能單元的組成結(jié)構(gòu)、工作原理及設(shè)計方法；第三階段，講解計算機系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作過程及各功能部件的連接方法，總結(jié)計算機系統(tǒng)的綜合設(shè)計方法。
計算機組成原理的教學(xué)內(nèi)容為計算機內(nèi)部電路和原理，技術(shù)特點及改進(jìn)措施，內(nèi)容抽象難懂，被師生們普遍認(rèn)為既難學(xué)也難教的課程。本課題組在提高教學(xué)質(zhì)量、改進(jìn)教學(xué)方法和手段等方面進(jìn)行了研究和探討，從理論教學(xué)角度和實驗教學(xué)角度提出改革方案。
2.理論教學(xué)改革實施方案
教學(xué)內(nèi)容上采用宏觀與微觀分層次結(jié)合的教學(xué)方法。宏觀上從組成部件對整機系統(tǒng)的作用入手引入問題，對組成部件的特點和功能進(jìn)行分析；微觀上強調(diào)組成部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)計方法、工作原理。
理論教學(xué)采用多媒體和黑板結(jié)合的教學(xué)手段，采用形象化教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)等教學(xué)方法，最后指出了理論教學(xué)要與計算機技術(shù)的發(fā)展與時俱進(jìn)。
2.1 多媒體和黑板結(jié)合教學(xué)
多媒體教學(xué)具有形象直觀、反映信息準(zhǔn)確等優(yōu)點，對于知識點較多，技術(shù)性較強的內(nèi)容，多媒體教學(xué)可以使教學(xué)過程生動化，具體化。采用多媒體教學(xué)來講解計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)流向、組成結(jié)構(gòu)和功能特點，可使學(xué)生對計算機內(nèi)部工作過程有一個生動、直觀的認(rèn)識。
采用黑板對計算及推導(dǎo)性較強知識點講解，能夠展開更詳細(xì)的演算和推理，使學(xué)生對細(xì)節(jié)掌握地更為透徹。多媒體教學(xué)和黑板教學(xué)作為教學(xué)手段，都是為教學(xué)服務(wù)的，在教學(xué)過程中應(yīng)充分考慮知識特點，靈活選擇兩種教學(xué)手段。乘法運算的講授采用多媒體和黑板結(jié)合的方式進(jìn)行，首先采用黑板板書詳細(xì)推導(dǎo)筆算乘法的過程，指出筆算乘法用計算機實現(xiàn)的困難，然后采用多媒體動畫演示計算機乘法運算實現(xiàn)，把計算機運算器內(nèi)部的工作過程生動地展示出來，使學(xué)生對計算機乘法的實現(xiàn)過程能有一個形象的認(rèn)識，兩種不同的講授手段使學(xué)生對筆算乘法和計算機乘法的各自特點及區(qū)別有一個直觀的認(rèn)識。
2.2 形象化教學(xué)
采用形象化教學(xué)對知識點進(jìn)行系統(tǒng)分析，有助于學(xué)生理清知識脈絡(luò)，理解知識點在知識體系中的作用和地位。以存儲器系統(tǒng)講解為例，將存儲器系統(tǒng)比作樹，主存、緩存和輔存比作樹的主干分支，主干分支重點分析主存、緩存和輔存之間的聯(lián)系。主存分支可再分為RAM，ROM子分支，重點分析ROM和RAM的讀寫特點及存儲地址等概念；緩存分支可再分為數(shù)據(jù)緩存和程序緩存，重點分析地址映射機制和替換策略；輔存分支可再分為磁帶、磁盤、光盤存儲器，重點分析磁盤的存儲機制。形象化教學(xué)使學(xué)生對知識形成系統(tǒng)的認(rèn)識，有利于知識的理解與擴(kuò)展。
形象化教學(xué)可將教學(xué)內(nèi)容比為生活中的事例，運用淺顯的生活事例來講解抽象、難懂的理論，使抽象的理論“生動化”，“生活化”，有利于學(xué)生對知識的理解和掌握。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為圖書館座位的對應(yīng)機制，有助于學(xué)生對地址映射的理解。假設(shè)學(xué)生n人，圖書館有m個座位，每個學(xué)生只能坐到指定的一個座位上，一個座位對應(yīng)多個學(xué)生，為直接映射方式，缺點是容易造成座位沖突；學(xué)生按照先進(jìn)先找座位的原則，座位與學(xué)生沒有指定的對應(yīng)關(guān)系，為全相聯(lián)映射方式，缺點需對每個座位的學(xué)生信息進(jìn)行詳細(xì)記錄；學(xué)生只能坐到指定的組，每組有多個座位，稱為組相聯(lián)映射方式，具有前兩種方式優(yōu)點的組合。形象化教學(xué)在教學(xué)過程能起到解釋、啟發(fā)的作用，有助于學(xué)生對知識點的形象理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。
2.3 啟發(fā)式教學(xué)
啟發(fā)式教學(xué)注重調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，通過一定方法啟發(fā)學(xué)生去思考，重視學(xué)生分析和解決問題的能力培養(yǎng)。啟發(fā)式教學(xué)方法首先設(shè)置一些啟發(fā)式問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生去思考和推導(dǎo)，鼓勵學(xué)生大膽提出自己的見解，最后和學(xué)生討論出結(jié)論。在I/O設(shè)備與主機信息傳送控制方式一節(jié)，講完程序查詢方式，程序中斷方式后，提出“兩種方式在計算機工作過程中存在什么問題”，引導(dǎo)學(xué)生思考什么方式能夠更好地提高I/O設(shè)備和CPU的效率，通過互動討論方式提出DMA工作方式，討論DMA工作方式的特點。啟發(fā)式教學(xué)中學(xué)生帶著問題來學(xué)習(xí)，主動參與教學(xué)活動，有利于學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
理論教學(xué)要做到與時俱進(jìn)。計算機是一門發(fā)展較迅速的學(xué)科，教材內(nèi)容往往滯后于計算機技術(shù)的發(fā)展，在課堂教學(xué)過程中應(yīng)弱化過時內(nèi)容，通過擴(kuò)展性課題引入新技術(shù)，新知識，使學(xué)生全面掌握計算機發(fā)展的動態(tài)及技術(shù)特點。
3.實驗教學(xué)改革
3.1 實驗方案的改革
實驗教學(xué)是計算機組成原理課程的重要環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)是對抽象理論進(jìn)行科學(xué)驗證，加深學(xué)生對理論的認(rèn)識和理解，提高學(xué)生的實踐動手能力。傳統(tǒng)實驗教學(xué)采用實驗箱完成，實驗種類受實驗箱限制，很難隨著計算機技術(shù)發(fā)展更新；實驗以驗證性實驗為主，在實驗過程中學(xué)生缺少創(chuàng)新性，消弱了實驗教學(xué)的效果。
Quartus II是一款EDA設(shè)計軟件，支持原理圖、VHDL及AHDL多種輸入形式，內(nèi)嵌仿真器可以完成對計算機組件從設(shè)計到硬件配置，到最后的仿真測試。該軟件具有豐富的器件庫，可以對器件庫進(jìn)行更新，實驗過程具有連線簡單，學(xué)生可以根據(jù)實驗要求自主設(shè)計完成實驗。
基于Quartus II的實驗教學(xué)分四個層次。第一層次，驗證性實驗，旨在熟悉軟件環(huán)境及元器件的使用，主要包括138譯碼器實驗，總線傳輸實驗等；第二層次，設(shè)計性，旨在讓學(xué)生獨立設(shè)計簡單的電路器件，提高學(xué)生的分析和設(shè)計能力，主要包括存儲器設(shè)計，數(shù)據(jù)通路設(shè)計等；第三層次，綜合性實驗在給定實驗題目下，讓學(xué)生自主選擇元器件，連接電路，測試電路，仿真電路，使學(xué)生理解計算機電路綜合設(shè)計過程，主要包括CPU設(shè)計、復(fù)雜數(shù)據(jù)通路設(shè)計等；第四層次，課程設(shè)計，通過知識綜合加深對計算機系統(tǒng)各模塊的工作原理及相互聯(lián)系的認(rèn)識。主要內(nèi)容為構(gòu)造一臺模型計算機，包括基本運算單元、控制單元和存儲單元。
3.2 實驗形式及考核方式的改進(jìn)
實驗形式分為必選實驗和開放性實驗，必選實驗和理論教學(xué)結(jié)合密切，要求學(xué)生在理論教學(xué)后指定的課時內(nèi)完成。開放性實驗為擴(kuò)展性實驗題目，學(xué)生根據(jù)興趣自主選擇實驗題目，在實驗室開放時間內(nèi)完成。在實驗過程中，注意發(fā)揮學(xué)生主體作用，做到學(xué)生主體設(shè)計、實驗為主，老師輔導(dǎo)為輔。
實驗考核不再以實驗報告和課程設(shè)計報告作為考核標(biāo)準(zhǔn)，主要對實驗方案、實踐過程、實驗答辯環(huán)節(jié)的考核，并將實驗成績以30%的比例納入到期末成績。
4.結(jié)語
信息化時代社會競爭日趨激烈，計算機教育不僅要教授學(xué)生計算機專業(yè)知識及其研究方法，而且要提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力，為學(xué)生進(jìn)一步深造和就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。計算機組成原理的教學(xué)改革采用最新的教學(xué)方法和教學(xué)手段，教學(xué)過程中引入計算機發(fā)展的最新技術(shù)，并且充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢，通過教學(xué)博客和課程網(wǎng)站的形式和學(xué)生達(dá)到良好的互動，取得了較好的教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
[1]湯書森，馬義德.現(xiàn)代計算機組成原理課程特點與實驗教學(xué)新模式探索[J].2012（1）：146-149.
[2]唐朔飛，劉旭東，等.“計算機組成原理”課程教學(xué)實驗方案[J].2010（11）：42-45.
[3]教學(xué)部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會.高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)核心課程教學(xué)實施方案[M].北京：高等教育出版社，2009.
論文摘 要 計算機組成原理是計算機專業(yè)的一門基礎(chǔ)核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，在該專業(yè)的課程體系中起著打地基的作用，學(xué)好這門課程對于提高學(xué)生的理論認(rèn)知水平和實踐能力有著極為重要的作用。本文從用簡單的問題切如枯燥的學(xué)習(xí)知識；把抽象的知識具體化；通過學(xué)生講解來驗證教學(xué)效果，三個方面的方法來講解如何教授中專計算機組成原理這門課程。
計算機組成原理的教學(xué)內(nèi)容強調(diào)以計算機硬件部件和和整機系統(tǒng)知識為主的同時，還必需適當(dāng)兼顧與硬件關(guān)系最密切的基礎(chǔ)軟件知識的學(xué)習(xí)。那種把計算機組成原理完全作為純硬件課來處理，是陳舊的認(rèn)識和過時的做法，不符合當(dāng)今計算機研究和教育發(fā)展的潮流。學(xué)好這門課的目的是為了了解計算機的構(gòu)成及基本工作原理。學(xué)生應(yīng)能抽象出一個計算機模型，在此基礎(chǔ)上，理解計算機是如何工作的。但是計算機組成原理這門課專業(yè)性很強，很抽象，也很枯燥。而現(xiàn)在的中專學(xué)生基礎(chǔ)差，缺乏學(xué)習(xí)主動性，學(xué)習(xí)新知識時理解能力也相對比較薄弱。本文針對中專學(xué)生的這一特征，提出了怎樣教授計算機組成原理這門課程。利用一種以培養(yǎng)學(xué)生的理解、聯(lián)系實際能力為核心的教學(xué)模式，并就該模式下的課堂理論教學(xué)、課后練習(xí)與輔導(dǎo)、教學(xué)效果檢驗等三個環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。
一、用簡單的問題切如枯燥的學(xué)習(xí)知識
在講解十進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)之間相互轉(zhuǎn)換這個問題時，我并沒有直接講轉(zhuǎn)換算法，而是先提問了一個學(xué)生們都認(rèn)為很簡單，但是又回答不正確的問題，來引起學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，我提問的問題是：計算機用的是直流電還是交流電，對此問題，我讓同學(xué)們進(jìn)行討論，并說出你回答的答案的依據(jù)，幾乎所有的學(xué)生都認(rèn)為，計算機用的是交流電。依據(jù)是計算機的電源插在220V的交流電源上。我就告訴學(xué)生們你們的答案都是錯的，計算機用的是直流電，學(xué)生們很好奇，就急于想聽我講出這個答案的依據(jù)，這樣我就引進(jìn)了二進(jìn)制數(shù)的概念，告訴學(xué)生，計算機中所有的數(shù)值、文字、符號、語音、圖形、圖像等等統(tǒng)為稱數(shù)據(jù)，在計算機內(nèi)部，都必須用數(shù)字化編碼（基二碼 二進(jìn)制編碼）的形式被存儲、加工和傳送。并且講解了二進(jìn)制碼的基本點符號0和1。采用0和1的優(yōu)點是：符號個數(shù)最少物理上容易實現(xiàn)；與二值邏輯的真假兩個值的對應(yīng)簡單；用二進(jìn)制碼表示數(shù)值數(shù)據(jù)運算規(guī)則簡單。然而在我們的現(xiàn)實生活中所用的數(shù)值都是十進(jìn)制數(shù)，那么接著就講了十進(jìn)制數(shù)如何轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。十進(jìn)制數(shù)分為整數(shù)和小數(shù)。對于十進(jìn)制的整數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的法則是：除以2取余。對于十進(jìn)制的小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的法則是：乘以2取整。相反二進(jìn)制數(shù)如何轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)呢？我先舉了一個簡單的例子引入了概念按階展開，例如十進(jìn)制數(shù)650按階展開就是650=6*100+5*10+0*1=6*102+5*101+0*100。。十進(jìn)制數(shù)按階展開是用數(shù)字乘以十的次方數(shù)，那么以此類推二進(jìn)制數(shù)的按階展開就應(yīng)該是用數(shù)字乘以二的次方數(shù)，例111101按階展開就是1111101=1*26+1*25+1*24+1*23+1*22+0*21+1*20。然而二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)就是把二進(jìn)制數(shù)按階展開然后計算出數(shù)值。
二、把抽象的知識具體化
講解CPU的工作原理時，我首先講解CUP的全稱central processing unit 即中央處理器，有人也稱它微處理器。顧名思義，CPU就是電腦的中央核心部分，負(fù)責(zé)處理各種硬件裝置傳送進(jìn)來的資源，經(jīng)過判斷計算后，再下指令將資料送到正確的裝置上執(zhí)行。講完這些以后學(xué)生都很迷茫，因為太抽象了。我就用現(xiàn)實中做廣播體操的例子來把抽象的問題具體化。做廣播體操的整個過程是，首先我們的耳朵聽到指令，然后再把指令傳送給我們的大腦，大腦經(jīng)過分析判斷后再把指令傳送的我們的肢體，以此來確定肢體的動作。緊接著我就用了計算機如何打印文件這個例子與做廣播體操相對照。當(dāng)我們要打印一份文件時，首先通過鍵盤或者鼠標(biāo)輸入打印的指令，CPU收到指令經(jīng)過分析判斷后知道我們要打印文件，就會下達(dá)指令將資料傳送給打印機，然后由打印機執(zhí)行打印工作。通過這個例子使學(xué)生們聯(lián)想到可以把CPU比喻成人類的大腦它不但要負(fù)責(zé)接收外界輸入的信息資料，而且還要負(fù)責(zé)處理這些資料，然后將處理后的結(jié)果傳送到正確的裝置上。幾乎大大小小的工作，都需要CPU來下達(dá)命令，傳送到其他設(shè)備上來執(zhí)行。通過舉例子的講解方式使學(xué)生們了解了CPU的工作原理。把抽象的復(fù)雜的問題具體化簡單化，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的信心。
三、通過學(xué)生講解來驗證教學(xué)效果
課堂上教師講解一個系統(tǒng)的知識點后，為了了解學(xué)生的掌握情況，我就采用了先挑一些程度好，理解能力強的學(xué)生將剛才講的知識再講解一遍的訓(xùn)練方法，這樣我就可以了解到學(xué)生們的理解與我講解的偏差在哪兒，還有什么地方?jīng)]有理解到位。我可以就此問題重新的再做解釋。然后，再挑一些程度不好的且理解力相對比較差的學(xué)生，再來講解同樣的問題，如果講解的比較到位，就證明這個問題幾乎所有的學(xué)生都已經(jīng)掌握了。因為這門課程我同時教授了四個班，為了避免我講課大意和重復(fù)，我就隨機挑剛教授過的班級的學(xué)生到第二個班去講，這樣剛學(xué)過的學(xué)生害怕到其他別的班級如果講的不好丟人，就會好好復(fù)習(xí)反復(fù)練習(xí)，這樣就激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。然而對于第二個班的學(xué)生來說，他們就抱著好奇的態(tài)度來聽別的班學(xué)生的講解，想看看別的班的學(xué)生講的和老師講的到底一樣嗎？這樣就調(diào)動了學(xué)生的聽課興趣，課堂紀(jì)律也會好很多。還有現(xiàn)在的中專學(xué)生在家中基本都是獨生子女，集所有家里人的寵愛與一身，所以他們都非常自我，不懂得如何尊重別人。
結(jié)束語：在計算機組成原理這門課的教授過程中我想盡了各種辦法，運用多種教學(xué)手段，設(shè)計有趣的教學(xué)活動來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，與學(xué)生建立相互信任，相互尊重，平等交流的師生關(guān)系，讓學(xué)生充滿激情，主動投入到學(xué)習(xí)過程中。
1、計算機導(dǎo)論。
內(nèi)容提要：為新學(xué)生提供一個關(guān)于計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的入門介紹，使他們對該學(xué)科有一個整體的認(rèn)識。
2、數(shù)字電路與數(shù)字邏輯。
內(nèi)容提要：介紹數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)的基本概念、分析方法和設(shè)計原理，包括開關(guān)理論基礎(chǔ)、組合邏輯、時序邏輯、可編程邏輯器件、數(shù)字系統(tǒng)等。
3、計算機組成原理與匯編語言。
內(nèi)容提要：以馮諾依曼計算機模型為出發(fā)點，介紹計算機的組織結(jié)構(gòu)和工作原理，剖析計算機的運算器、存儲器、控制器和輸入輸出設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理和相互關(guān)系。
4、計算機網(wǎng)絡(luò)。
內(nèi)容提要：介紹數(shù)據(jù)通信的基本概念和計算機網(wǎng)絡(luò)的基本原理，包括計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通信的基本方法和協(xié)議、計算機網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用協(xié)議。
5、計算機體系結(jié)構(gòu)。
內(nèi)容提要：研究計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)和基本分析方法，使同學(xué)在具有一定的軟硬件知識基礎(chǔ)上能綜合認(rèn)識計算機系統(tǒng)的軟硬件功能分配與各種不同結(jié)構(gòu)類型機器的特性和性能評價方法。
6、離散數(shù)學(xué)。
內(nèi)容提要：包括集合論、數(shù)理邏輯、圖論、組合數(shù)學(xué)等內(nèi)容，形式化的數(shù)學(xué)證明貫穿此課程。
7、算法分析與設(shè)計。
內(nèi)容提要： 本課程延續(xù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)，從算法分析和設(shè)計的角度出發(fā)，除去傳統(tǒng)的分類查找算法和一般的設(shè)計方法外，主要內(nèi)容包括如下幾個部分，算法研究的理論基礎(chǔ)，遞歸分析技術(shù)，基本算法設(shè)計策略。
8、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
內(nèi)容提要：介紹線性表及其鏈接存儲結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)組與矩陣、堆棧與隊列、廣義表的存儲結(jié)構(gòu)與多元多項式表示、串與文本編輯、排序、樹、圖、文件結(jié)構(gòu)。
9、編譯技術(shù)。
內(nèi)容提要：介紹編譯原理的理論和實踐，包括編譯程序設(shè)計、詞法分析、語法分析、符號表、聲明和存儲管理、代碼生成以及優(yōu)化技術(shù)。
10、操作系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：小型動態(tài)星；模擬器；技術(shù)
本文以小型動態(tài)星模擬器為研究對象，分析星模擬器的工作原理與需求，星模擬器的系統(tǒng)組成，小型動態(tài)星模擬器主要技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)星敏感器的工作原理和工作方式，提出基于數(shù)字光處理的小型動態(tài)星模擬器總體技術(shù)方案，并確定了小型動態(tài)星模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)。
星模擬器光學(xué)系統(tǒng)，包括非成像的照明光學(xué)系統(tǒng)和成像的準(zhǔn)直物鏡系統(tǒng)兩部分。為了達(dá)到小型化的星模擬器技術(shù)要求，設(shè)計基于白光發(fā)光二極管的照明光學(xué)系統(tǒng)，并對光閥處的光斑均勻性進(jìn)行優(yōu)化與仿真分析，照明不均勻度達(dá)到 3%；針對星模擬器準(zhǔn)直物鏡系統(tǒng)的特點，設(shè)計了復(fù)雜化匹茲萬結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)，并對像差進(jìn)行了優(yōu)化分析，最終結(jié)果為絕對畸變小于光閥像元尺寸，相對畸變控制在1‰以下，達(dá)到星模擬器成像光學(xué)系統(tǒng)要求。
一.星模擬器的工作原理與需求分析
星模擬器是航天飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)測試設(shè)備的重要組成部分，用于對星敏感器進(jìn)行功能與性能上的測試。因此，需要具體分析星敏感器的功能技術(shù)指標(biāo)，這對星模擬器的研制具有重要的指導(dǎo)意義。
星敏感器是一種具有較高精度的姿態(tài)敏感器，以天球上不同位置的恒星為探測目標(biāo)以確定航天飛行器運行姿態(tài)。其工作原理是：光學(xué)系統(tǒng)將恒星成像在光學(xué)焦平面上；CCD 探測器置于光學(xué)焦平面上，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；星點像轉(zhuǎn)變成的輸出電信號經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字圖像；數(shù)字圖像傳送到數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行星點提取、星圖識別和姿態(tài)計算，確定星敏感器光軸在慣性坐標(biāo)系下的三軸姿態(tài)。
星敏感器的工作原理，要求其測試設(shè)備，也就是星模擬器，提供任一時刻、任一慣性坐標(biāo)系下指向的模擬星圖。星模擬器不僅需要提供精確的星點位置，還要保證星與星之間角距的準(zhǔn)確性。星模擬器根據(jù)主控計算機提供的星敏感器光軸在慣性坐標(biāo)系下的指向，由星圖模擬軟件生成當(dāng)前星敏感器視場內(nèi)所能觀測到的星圖，通過接口及驅(qū)動電路在空間光調(diào)制器（spacial light modulator，SLM）上產(chǎn)生模擬星點；光源通過勻光系統(tǒng)，均勻照明到空間光調(diào)制器上；經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制后的光線通過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)后形成平行光，可認(rèn)為表示無窮遠(yuǎn)處的星點，完成在有限距離內(nèi)模擬真實恒星觀測效果的任務(wù)。
二.星模擬器的系統(tǒng)組成
星模擬器系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分，可由4個部分組成：1. 星模擬器主控計算機系統(tǒng)；2. 星圖模擬顯示系統(tǒng)；3. 照明光學(xué)系統(tǒng)；4. 準(zhǔn)直物鏡系統(tǒng)。
由第三方軟件或預(yù)設(shè)姿態(tài)信息提供的星敏感器光軸的空間指向，星模擬器主控計算機根據(jù)選定星表進(jìn)行坐標(biāo)變換，計算出當(dāng)前星敏感器視場內(nèi)的星圖，通過接口驅(qū)動電路送到空間光調(diào)制器上再現(xiàn)模擬星點；光源通過勻光系統(tǒng)后，均勻照明到空間光調(diào)制器上，為模擬星點提供能量；空間光調(diào)制器置于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的前焦面上，模擬星點通過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)后，在被測星敏感器光學(xué)系統(tǒng)入瞳處產(chǎn)生無窮遠(yuǎn)平行光，即實現(xiàn)多星星光模擬。
在這里，空間光調(diào)制器采用的是數(shù)字微鏡陣列（digital micromirror device，DMD）。DMD芯片是DLP技術(shù)的核心器件，它由由數(shù)十萬、甚至上百萬個正方形微反射鏡組成。DLP技術(shù)是一種全數(shù)字化的反射式投影技術(shù)，與常用的液晶光閥投影技術(shù)相比，具有圖像信噪比高，畫面質(zhì)量穩(wěn)定，定位精確等優(yōu)點。從光學(xué)的角度來說，由于采用非偏振光照明，因而簡化了光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了光能利用率。
選擇白光LED作為光源。LED是一種競爭力強的新型光源，與傳統(tǒng)光源相比，具有很多優(yōu)點，如發(fā)光效率高、能耗小、壽命長、可靠耐用等。采用白光LED作為光源，能有效的減小星模擬器的體積和重量，達(dá)到儀器小型化的設(shè)計需求。
三.小型動態(tài)星模擬器主要技術(shù)指標(biāo)
根據(jù)用戶星敏感器的技術(shù)要求，確定本方案實現(xiàn)的小型動態(tài)星模擬器技術(shù)指標(biāo)如下：1. 星圖視場：10.5°×7.5°2. 出瞳口徑：Φ35 mm3. 出瞳距：>120 mm4. 圖像分辨率：1 024×7685. 單星視張角：≤40″6. 星間角距精度：≤40″7. 模擬星灰度可調(diào)：2～6.5 等星8. 光譜范圍：400～780 nm9. 中心設(shè)計波長：550 nm10. 照明不均勻度：
四.小結(jié)
本文從星敏感器入手，通過對星敏感器工作原理的分析，研究了星模擬器的工作原理，并結(jié)合其工作原理，把星模擬器分成 4 個組成部分，畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。最后，根據(jù)用戶星敏感器的技術(shù)指標(biāo)，確定小型動態(tài)星模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)。
參考文獻(xiàn)：
[1]郭玉蛟. 星模擬器概述[J]. 控制工程，1986（5）：42-49.
關(guān)鍵詞:計算機組成原理;實驗教學(xué);可編程器件;實驗評價
計算機組成原理課程是計算機學(xué)科的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,主要內(nèi)容包括計算機構(gòu)成及其各個部分如何協(xié)調(diào)工作[1]。在整個計算機專業(yè)課程體系中,計算機組成原理是起著承上啟下的作用[2-3],它以數(shù)字邏輯課程為基礎(chǔ),而自身又是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯原理、操作系統(tǒng)等課程的基礎(chǔ)。同時計算機組成原理又是一門與實踐結(jié)合很緊密的課程,課程實驗一直是教學(xué)中的一個重點,各高校也很重視,在實驗上投入了大量的精力。
2009年11月在南京召開了“計算機組成與結(jié)構(gòu)課程群”的實驗教學(xué)研討會,會上討論了國內(nèi)實驗教學(xué)的進(jìn)展和不足,本文立足于此次會議,結(jié)合各校的實驗教學(xué)環(huán)節(jié),以計算機組成原理課程為例,對實驗教學(xué)進(jìn)行研究。
1課程設(shè)置
目前,國內(nèi)大多數(shù)高校都將計算機組成原理作為第一門專業(yè)課程安排在數(shù)字邏輯課之后,主要內(nèi)容包括:計算機系統(tǒng)的基本概念、指令系統(tǒng)、處理器組成(運算器、控制器等)、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、流水線技術(shù)等[1,4]。組成原理一般會安排在大二下學(xué)期甚至大三上學(xué)期,這樣就不可避免地造成與其他專業(yè)課程同時開課,使得學(xué)生在沒有掌握計算機組成之前就開始更高層次的專業(yè)課學(xué)習(xí),這樣無法體現(xiàn)計算機組成原理的專業(yè)基礎(chǔ)課作用。
為了解決這些問題,一些學(xué)校在課程設(shè)置上學(xué)習(xí)了國外大學(xué)的做法,開設(shè)了一門計算機入門性質(zhì)的課程,如清華大學(xué)和中國科技大學(xué)開設(shè)了計算機系統(tǒng)導(dǎo)論課程,課程系統(tǒng)地介紹了計算機專業(yè)的一些入門知識:最底層的器件邏輯門電路微結(jié)構(gòu)指令集結(jié)構(gòu)程序算法問題域。這樣,學(xué)生對計算機有了概括性的基礎(chǔ)知識,這樣就可以避免課程安排的問題了,同時,教師在計算機組成原理課上就可以更加深入地介紹計算機的組成和工作原理了。
各校一般都在計算機組成原理課程中安排試驗[4-5],課程的總課時中有專門的實驗課時,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論課的同時完成實驗,這樣做的好處是讓學(xué)生能夠?qū)⒗碚搶W(xué)習(xí)和實驗操作同時進(jìn)行,加深對知識的理解,但是由于進(jìn)度安排的問題,綜合性的大實驗(如處理器設(shè)計)只能被安排在學(xué)期后段,學(xué)生需要短時間內(nèi)投入大量精力才能完成。對于一些無法單獨在組成原理課程中實現(xiàn)的更大規(guī)模的課程設(shè)計型實驗,需要學(xué)生掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯原理、操作系統(tǒng)等課程的知識,也需要更多的實驗課時,為此,一些學(xué)校開設(shè)了專門的計算機綜合實踐課程,如東南大學(xué)的計算機系統(tǒng)綜合課程設(shè)計、中國科技大學(xué)的計算機系統(tǒng)原型設(shè)計等,這些課程綜合了計算機學(xué)科多方面的知識,以計算機組成原理為實驗基礎(chǔ),進(jìn)一步拓展了實驗的領(lǐng)域。
中國科技大學(xué)華夏班在課程設(shè)置上參考了國外大學(xué)的一些方案,面向計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展前沿,強調(diào)前瞻性、先進(jìn)性和實踐性,探索出了計算機組成課程群課程設(shè)置(見表1)的新方向。
從課程設(shè)置中我們可以看出實驗在總課時和總學(xué)分中所占的比重很大,幾乎占到了二分之一,并且計算機系統(tǒng)原型設(shè)計是一門實驗課程,分為A和B兩個部分,A為CPU設(shè)計,B為系統(tǒng)軟件設(shè)計,二者結(jié)合起來就是一個完整的計算機系統(tǒng)原型。清華大學(xué)在課程設(shè)置上也與其類似,只是沒有專門的實驗課程,內(nèi)容也簡化很多,主要著重于計算機組成原理的相關(guān)內(nèi)容。
2實驗設(shè)置
目前國內(nèi)的計算機組成原理課程實驗都已經(jīng)逐
漸向處理器設(shè)計這一方向靠攏,差別只在于實驗的方式和難度。表2是參加此次會議的幾個學(xué)校課程實驗設(shè)置情況。
從表2可以看出,計算機組成原理課程的實驗已經(jīng)由以前的驗證性部件實驗逐漸過渡到處理器設(shè)計及計算機系統(tǒng)搭建這一層次上,具體體現(xiàn)在以下幾個方面:
1) 使用可編程邏輯器件作為實驗平臺[2],這樣能夠大大提高實驗的靈活性和可操作性,根據(jù)學(xué)生能力的不同安排不同層次和難度的實驗,充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性,在實驗內(nèi)容和形式上不斷創(chuàng)新,同時也激發(fā)了學(xué)生的興趣,實驗樣式也不再呆板和單調(diào)。但是,這樣需要有更加完善的實驗評價機制,做到公平和公正;還需要學(xué)生掌握硬件描述語言和相應(yīng)的EDA工具軟件,這些就需要對課程內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或者得到先修課程的支持。
2) 指令集基本上都是MIPS或者類MIPS的,其好處是指令系統(tǒng)成熟,格式規(guī)整,有很好的技術(shù)和文檔支持。使用這類的指令系統(tǒng),學(xué)生能夠更好的掌握和理解,設(shè)計出來的處理器結(jié)構(gòu)也更加規(guī)范,而且有很多相應(yīng)的設(shè)計文檔和實例可供參考;其次,如果想要進(jìn)行更高層次的實驗內(nèi)容,就需要相應(yīng)的編譯器等工具的支持,MIPS指令系統(tǒng)在這一點有很大的優(yōu)勢,有了這些工具開發(fā)難度能夠大大降低。因此目前來看采用MIPS指令系統(tǒng)是一個很好的方案。不過這樣也有一些缺點,采用統(tǒng)一的指令系統(tǒng)限制了學(xué)生在指令系統(tǒng)設(shè)計上的靈活性,使得設(shè)計出來的處理器過于類似,過多的設(shè)計資料也使得學(xué)生可以更加容易偷懶,使得實驗效果降低。
3) 基本上將流水線等知識應(yīng)用到實驗之中[5]。由于各個學(xué)校都在不同程度的推進(jìn)計算機組成原理課程改革,普遍將流水線、高速緩存等內(nèi)容加入了教學(xué)計劃中,實驗中也相應(yīng)的加入了這些內(nèi)容;同時MIPS指令系統(tǒng)能夠很好的支持流水線的設(shè)計,現(xiàn)有的資料和教材大多也是圍繞著流水線處理器設(shè)計展開的,因此流水線處理器的設(shè)計已經(jīng)成為了各個學(xué)校實驗的基本內(nèi)容。在清華的計算機組成原理實驗中并沒有規(guī)定一定要實現(xiàn)流水線,要求學(xué)生完成多周期或者流水線處理器的設(shè)計,僅過幾輪實驗教學(xué),學(xué)生普遍選擇了流水線處理器的設(shè)計,因為多周期處理器的設(shè)計并不比流水線處理器設(shè)計簡單很多,而且相應(yīng)的設(shè)計資料較少。不過有一點是值得商榷的,就是為了組成原理實驗有更好的顯示度,在實驗中加入了不少其他課程的內(nèi)容,比如編譯、操作系統(tǒng)等內(nèi)容。這些內(nèi)容安排在單獨的綜合實驗課程中還可以,放到組成原理課程實驗中就有些喧賓奪主了,學(xué)生會投入太多的精力在這些內(nèi)容上,組成原理實驗還是應(yīng)該以理解計算機組成及工作原理為目的,不需要完成其他課程的內(nèi)容,只有少數(shù)能力較強的同學(xué)在完成了基本內(nèi)容后,才值得鼓勵去做這些事情。
4) 實驗規(guī)模較大,需要多個同學(xué)分工協(xié)作來完成。在以往的計算機組成原理實驗中大多數(shù)是以驗證性的實驗為主,學(xué)生往往可以獨立完成,但是處理器設(shè)計這一類的實驗單靠個人完成對學(xué)生的壓力太大,這就需要學(xué)生組成一個駝隊來完成實驗,這樣不僅能夠減輕學(xué)生的工作量,還可以培養(yǎng)他們團(tuán)隊協(xié)作的能力。一個團(tuán)隊規(guī)模控制在2～3人比較合適,人數(shù)太多會造成有人懈怠,達(dá)不到實驗?zāi)康摹?/p>
3實驗管理和評價
由于計算機組成原理實驗內(nèi)容和形式的更新,具體的實驗管理方式和評價機制也有了很大的改動。以前是以實驗室為主的實驗?zāi)Ｊ?學(xué)生根據(jù)實驗室安排的實驗內(nèi)容和時間來完成規(guī)定的實驗;現(xiàn)在則是實驗室根據(jù)學(xué)生的實驗進(jìn)度和需求,提供相應(yīng)的實驗支持,包括設(shè)備、場地以及人員等。
以清華大學(xué)的組成原理課程實驗為例,前兩個驗證性的實驗安排在實驗室統(tǒng)一完成,幫助學(xué)生熟悉軟件工具和實驗設(shè)備,然后再安排課程大實驗。大實驗過程中會將實驗設(shè)備發(fā)放給學(xué)生,讓學(xué)生能夠在宿舍進(jìn)行實驗,同時實驗室保證一定的開放時間,方便學(xué)生來實驗室做實驗。在整個過程中安排三次集中的實驗課程,實行小班教學(xué),目的是能夠更好的掌握學(xué)生目前的實驗情況,控制實驗進(jìn)度和解決學(xué)生遇到的一些實際問題。在整個實驗過程中,實驗室的主要作用就是后勤保障和監(jiān)督進(jìn)度,協(xié)助和督促學(xué)生完成實驗。
由于實驗內(nèi)容和形式的變化,實驗已經(jīng)不能簡單的通過檢查實驗數(shù)據(jù)來評定一個實驗完成的程度,需要從多個方面進(jìn)行評價。對于我們的大實驗,首先會提供一套標(biāo)準(zhǔn)的測試程序,通過這些程序來檢查實驗結(jié)果是否正確;然后學(xué)生需要針對自己的處理器提供自測程序來體現(xiàn)自己設(shè)計的處理器的特點,這些測試都是需要教師或助教現(xiàn)場檢查的,檢查的同時會詢問他們在設(shè)計及實現(xiàn)的過程中是否獨立完成以及各自的分工,以便確定是否存在抄襲現(xiàn)象、工作量分配是否合理。對于完成較好或者有所創(chuàng)新的小組給與加分獎勵[7],并鼓勵其在實驗總結(jié)課上展示自己的成果。將這些匯總?cè)缓蠼Y(jié)合實驗報告及平時實驗情況,就能夠給出一個比較全面公平的實驗評價結(jié)果。
在這種實驗管理模式和評價機制下,能夠很好的提高同學(xué)的積極性和對實驗的整體把握程度,教師也能夠掌控好實驗進(jìn)度和學(xué)生掌握情況,達(dá)到很好的實驗效果,不過這需要教師和助教通力合作,所花費的精力也比較多。
4結(jié)語
隨著實驗技術(shù)的不斷進(jìn)步,計算機組成原理課程實驗在內(nèi)容和形式上已經(jīng)發(fā)生了很大的變化,各個高校都有著自己的發(fā)展思路,但是大的方向是一致的,總體說來就是實驗已經(jīng)由驗證型實驗過渡到設(shè)計型實驗,內(nèi)容也變成了在可編程芯片上進(jìn)行處理器設(shè)計,進(jìn)而形成一個簡單的計算機系統(tǒng),可以說是計算機組成原理課程實驗已經(jīng)由驗證計算機各部分功能逐漸過渡到設(shè)計及搭建計算機系統(tǒng)這一層面上。
參考文獻(xiàn):
[1] 王誠,劉衛(wèi)東,宋佳興. 計算機組成與設(shè)計[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2008:6-7.
[2] 羅克露,譚華,單立平. 計算機組成原理實驗改革探索[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù),2004(3):57-59.
[3] 郝秉華. 結(jié)合EDA 的計算機組成原理實踐教學(xué)探究[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2009(11):103-104.
[4] 葉雪軍,唐建宇,熊威. 基于EDA 的計算機硬件課程實踐教學(xué)的研究[J]. 計算機教育,2007(7):90-93.
[5] David A.Patterson,John L.Hennessy. 計算機組成與設(shè)計:硬件軟件接口[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2006:368-383.
[6] 王誠,劉衛(wèi)東,宋佳興. 計算機組成與設(shè)計實驗指導(dǎo)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2008:12-48.
[7] 馬明濤. 計算機組成原理課程的實踐教學(xué)方法初探[J]. 山西財經(jīng)大學(xué)學(xué)報,2009(11):21.
Investigation and Research on the Experiment Teaching of Computer Organization Course
LI Shan-shan, QUAN Cheng-bin
(Lab for Computer Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
關(guān)鍵詞：液壓傳動;實驗教學(xué);計算機技術(shù)
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）43-0254-02
一、液壓傳動課程的特點和實驗教學(xué)現(xiàn)狀
（一）液壓傳動課程的特點
液壓傳動課程涉及學(xué)科多，各部分內(nèi)容相對較為獨立，根據(jù)本專業(yè)實際，目前所授內(nèi)容主要由四部分組成，即：流體力學(xué)基礎(chǔ)知識、液壓傳動元件結(jié)構(gòu)與工作原理、液壓傳動回路、液壓傳動典型回路分析。
從內(nèi)容設(shè)置上看，流體力學(xué)基礎(chǔ)知識部分作為整個課程的理論基礎(chǔ)，內(nèi)容較為抽象，是正確理解液壓傳動現(xiàn)象本質(zhì)和進(jìn)行液壓傳動分析的重要前提，但從知識結(jié)構(gòu)上與后續(xù)液壓元件結(jié)構(gòu)、液壓回路分析的學(xué)習(xí)沒有必然聯(lián)系;液壓傳動元件部分重點介紹各液壓動力元件、執(zhí)行元件、控制元件以及輔助元件的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，需要學(xué)生具有較強的三維空間想象能力，正確掌握各液壓元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成和工作原理;液壓傳動回路部分需要學(xué)生具有較強的邏輯思維能力，在熟悉各液壓元件圖形符號及工作機理的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確分析液壓油流動方向及液壓元件的動作，熟練掌握液壓傳動基本回路組成和功能;最后液壓傳動典型回路分析部分則要求建立在對上述三部分內(nèi)容準(zhǔn)確理解的基礎(chǔ)上，結(jié)合裝設(shè)備的功能和動作要求，能夠?qū)Φ湫突芈饭ぷ鬟^程進(jìn)行準(zhǔn)確分析乃至進(jìn)行回路設(shè)計，要求通過學(xué)習(xí)使學(xué)生具備對典型液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析的綜合素質(zhì)。
從教學(xué)目的看，通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生需要掌握液壓傳動的基本知識，具備對液壓基本回路、典型液壓系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析和實驗研究的初步能力，具備對裝設(shè)備液壓系統(tǒng)故障分析和排除的基本素質(zhì)。
（二）實驗教學(xué)現(xiàn)狀
目前實驗室所使用的是秦川機床廠生產(chǎn)的QCS014型液壓實驗臺。該實驗臺由液壓工作臺框架、兩臺液壓泵、二十幾個拆裝式液壓元件閥板和電氣控制柜組成，液壓工作臺框架用于布置和安裝液壓元件閥板，管路與閥板之間采用快換接頭連接，利用液壓泵、拆裝式液壓元件、快換接頭、電氣控制柜構(gòu)成幾種典型的功能回路，主要可用于進(jìn)行演示性實驗，此外學(xué)生也可在教員的指導(dǎo)下，根據(jù)實際需要設(shè)計簡單的液壓回路并進(jìn)行驗證。
經(jīng)過多年液壓傳動實驗教學(xué)實踐，目前實驗教學(xué)條件已凸顯出較大的不足，主要表現(xiàn)在如下方面。
1.實驗臺為上世紀(jì)80年代設(shè)備，設(shè)備老化，且嚴(yán)重滯后于當(dāng)前液壓傳動發(fā)展水平，已無法滿足現(xiàn)階段液壓傳動教學(xué)需求。
2.經(jīng)過長時間使用，部分液壓元件已出現(xiàn)零部件損壞、閥件堵塞、管路漏油嚴(yán)重等問題，由于年代久遠(yuǎn)，維修較困難，更換維修又代價過大，原有兩臺實驗臺目前已只有一臺堪用，許多實驗實際上已無法開出。
3.實驗臺臺套數(shù)有限，且受教學(xué)時數(shù)限制，在實驗實施過程中，只有部分掌握教學(xué)內(nèi)容較好的學(xué)生能夠動手進(jìn)行操作，其他學(xué)生或因不夠熟練，或因時間有限，只能在旁進(jìn)行輔助，以“看”實驗為主，動手機會不多，得不到必要的鍛煉。
4.實驗實施過程中，即使部分學(xué)生能夠主動動手，但也只是按照實驗指導(dǎo)書給出的實驗步驟進(jìn)行演示性驗證，很少去思考為什么這樣做，或者無法在現(xiàn)有實驗條件下通過實驗驗證自己的想法，實驗教學(xué)效果有限。
5.實驗室缺乏液壓流體力學(xué)和液壓元件部分的相應(yīng)實驗設(shè)備，所開出的實驗課主要針對第三部分內(nèi)容，在實驗授課過程中發(fā)現(xiàn)，由于前兩部分課程內(nèi)容相對較抽象，學(xué)生對相關(guān)液壓流體力學(xué)的概念和液壓元件的結(jié)構(gòu)及工作原理的理解程度參差不齊，因此部分學(xué)生在進(jìn)行實驗時易處于被動地位。
二、計算機仿真技術(shù)在液壓傳動實驗教學(xué)中的應(yīng)用
由于液壓設(shè)備價格昂貴，維護(hù)保養(yǎng)專業(yè)化要求較高，在現(xiàn)有條件下，引入液壓教學(xué)設(shè)備比較困難，為了滿足教學(xué)需求，有必要在實驗教學(xué)方法和教學(xué)手段上進(jìn)行改革。計算機技術(shù)近年來在教學(xué)實踐中得到了廣泛應(yīng)用，作為實驗教學(xué)的一種輔助手段，把計算機數(shù)值仿真引入液壓傳動的實驗教學(xué)是一種彌補實驗條件不足的有效手段。針對液壓傳動課程各部分內(nèi)容的不同特點，在教學(xué)的不同階段采用相應(yīng)的計算機仿真軟件進(jìn)行實驗教學(xué)，可大大彌補實驗教學(xué)條件的不足。
根據(jù)對液壓傳動課程特點的分析，可知其知識點主要可分為三類，即基礎(chǔ)理論類知識點，主要包括油液的物理特性、流體動力學(xué)、液體流動的壓力損失等;結(jié)構(gòu)原理類知識點，主要包括液壓泵、液壓執(zhí)行元件、液壓控制閥，以及液壓輔助元件的結(jié)構(gòu)組成及工作原理;邏輯動作類知識點，主要包括液壓基本回路、典型液壓系統(tǒng)回路的邏輯動作、工作原理。針對這三類知識點，可以結(jié)合不同軟件的特點，設(shè)計相應(yīng)的仿真實驗。
針對第一類知識點，教員可利用Authorware軟件或類似軟件，制作交互式、多媒體課件，學(xué)生通過上機進(jìn)行演示性實驗。如圖1所示，學(xué)生可通過類似實驗，了解相關(guān)液壓基礎(chǔ)理論知識，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。通過該類演示性實驗，可在較少的課時掌握基本要點，達(dá)到與實作相同的教學(xué)效果。
針對第二類知識點，教員可利用Pro/E軟件或類似CAD軟件，制作液壓元件的3D模型，學(xué)生可通過軟件的虛擬裝配和運動仿真功能，上機進(jìn)行綜合性實驗。如圖2所示，學(xué)生可通過該類實驗，在計算機上了解元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)行液壓元件裝配，觀察機構(gòu)運動機理，從而掌握各型液壓元件的結(jié)構(gòu)組成、部件與部件的相對關(guān)系，以及液壓元件的工作原理。通過該類實驗，可大大節(jié)省實驗支出，提高教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。
針對第三類知識點，教員可利用Fluidsim軟件或類似軟件，搭建液壓回路，學(xué)生在初學(xué)階段可根據(jù)教員提供的工作原理圖，按部就班進(jìn)行液壓回路的建立，驗證液壓油路及液壓元件的動作;在后階段即可嘗試自行設(shè)計回路，開展創(chuàng)新性實驗。如圖3所示，學(xué)生可通過該類虛擬實驗，掌握液壓回路的邏輯動作，熟悉液壓回路的組成，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。
三、結(jié)束語
液壓傳動教學(xué)內(nèi)容包括基礎(chǔ)理論類、結(jié)構(gòu)原理類，以及邏輯動作類知識點，涉及學(xué)科多、概念原理較抽象、具有較強的實踐性。針對其知識結(jié)構(gòu)上的特點，可充分結(jié)合目前較為成熟的計算機技術(shù)，利用各類仿真軟件的特色，開展計算機輔助實驗教學(xué)，以彌補目前實驗教學(xué)存在的不足。從而增強學(xué)生對液壓系統(tǒng)的感性認(rèn)識，加深對課堂內(nèi)容的理解，鍛煉其實踐動手能力，真正提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。
參考文獻(xiàn)：
[1]王積偉，章宏甲，黃誼.液壓傳動[M].第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2006.
關(guān)鍵詞： 計算機專業(yè) 《電子技術(shù)基礎(chǔ)》 數(shù)字電子技術(shù)
1.《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的特點
1.1《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的地位
《電子技術(shù)基礎(chǔ)》是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，能使學(xué)生獲得電子技術(shù)方面的基本理論、基本分析方法和基本技能，對后續(xù)的課程包括《計算機組成原理》、《接口技術(shù)》、《計算機通信原理》和《計算機硬件維護(hù)》等都有很好的奠基作用。
1.2課程教學(xué)中遇到的問題
1.2.1學(xué)生對課程的認(rèn)知問題
現(xiàn)在很多學(xué)生存在很大的誤區(qū)，認(rèn)為計算機專業(yè)就是學(xué)習(xí)編程的，重語言輕硬件，認(rèn)為這門課程與計算機專業(yè)毫無關(guān)系。其次該門課程前導(dǎo)課程應(yīng)該有高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理中的原子核結(jié)構(gòu)及電路原理。本課程應(yīng)在電路原理學(xué)過一學(xué)期后開設(shè)，要求學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)定理（如戴維南定理、疊加定理和諾頓定理等）、線流電路和暫態(tài)分析等方面具有一定的基礎(chǔ)。但是由于我院從新的人才培養(yǎng)方案的角度出發(fā)，直接開設(shè)《電子技術(shù)基礎(chǔ)》這門課程，因此學(xué)生前期相關(guān)知識的儲備不夠，造成學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)感到力不從心，從內(nèi)心里排斥該課程，降低學(xué)生對這門課程的認(rèn)可度。
1.2.2教師對課程的設(shè)置目標(biāo)不明確
幾乎所有的理工類課程都會開設(shè)《電子技術(shù)基礎(chǔ)》這門課程，擔(dān)任這門課程的老師都是一個教研組的，由于教學(xué)大綱和教學(xué)計劃是一起制訂的，會出現(xiàn)不管是課程內(nèi)容還是教學(xué)方法都是雷同的，更有甚者連課程習(xí)題都一樣，完全沒有考慮課程開設(shè)專業(yè)的不同。造成的后果是所有的學(xué)生貌似都是電類專業(yè)的，老師認(rèn)為自己的知識點講得很全很細(xì)，學(xué)生學(xué)得很累，但是又沒學(xué)到什么。因為老師沒有結(jié)合計算機專業(yè)的特征提取內(nèi)容，學(xué)生認(rèn)為學(xué)了和沒學(xué)一樣，對自己的專業(yè)沒什么幫助。
2.解決上述問題的舉措
首先為了體現(xiàn)課程與計算機專業(yè)之間的相關(guān)性，老師必須先找出課程與計算機專業(yè)的相關(guān)內(nèi)容，主要是從構(gòu)成計算機系統(tǒng)的部件和連接這些部件的總線結(jié)構(gòu)分析。
計算機的硬件組成的核心部件有CPU，相當(dāng)于人的大腦。它由運算器、控制器和寄存器組成。計算機處理的數(shù)據(jù)和程序都儲存在存儲器當(dāng)中。因此講清楚運算器、控制器和存儲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，就能對計算機的硬件組成有很具體的理解。而運算器由半加器、全加器、移位寄存器等構(gòu)成，這部分內(nèi)容在數(shù)字電路部分都會做詳細(xì)的介紹，而CPU接收的高低電平脈沖是由觸發(fā)器構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路提供的。
而存儲器的類型有隨機存儲器和只讀存儲器。而隨機存儲器又可分為靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）和動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）。SRAM就是作為計算機的主存，與CPU之間做數(shù)據(jù)交換，它是由六個MOS管組成的基本單元。只讀存儲器按半導(dǎo)體材料分為MOS型和TTL型兩種。這些內(nèi)容在數(shù)字電子技術(shù)中門電路和組合邏輯電路的時候都有說明。
計算機在信號處理和傳輸?shù)倪^程中，涉及調(diào)制和解調(diào)技術(shù)。計算機處理的是數(shù)字的基帶信號，而進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時，基帶信號必須搭載高頻的振蕩信號，這就涉及模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換的接口技術(shù)。與總線有關(guān)的電路一般有三態(tài)門、OC門、奇偶校驗電路數(shù)據(jù)鎖存器等，這些內(nèi)容都分布模電和數(shù)電的內(nèi)容里面。
還有涉及計算機的電源部分和時序系統(tǒng)部分，很多設(shè)備的電源都包含變壓、整流、濾波穩(wěn)壓等電路，而時序系統(tǒng)包括主振蕩器、時鐘發(fā)生器、周期觸發(fā)器等。
教師通過這些內(nèi)容的梳理，可以很好地把課程和專業(yè)相結(jié)合，合理地安排教學(xué)內(nèi)容。并且在講到相關(guān)內(nèi)容的時候，可以和學(xué)生舉例，讓學(xué)生知道這些知識點與自己的專業(yè)相關(guān)，從而增強學(xué)習(xí)動力。
其次，關(guān)于學(xué)生前期知識儲備薄弱的問題，老師可在課程開始的時候安排一些自學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生課后補充知識。老師在上課的過程中盡量講授基本理論、基本原理、方法和技術(shù)，力求敘述詳細(xì)、具體，深入淺出，通俗易懂。
3.課程內(nèi)容的選擇
本課程分為模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)兩部分內(nèi)容。總學(xué)時只安排54個學(xué)時，所以在內(nèi)容上既要考慮計算機的相關(guān)內(nèi)容，又要考慮學(xué)時的緊迫性，必須緊湊地安排教學(xué)內(nèi)容。
3.1《模擬電子技術(shù)》的教學(xué)內(nèi)容
《模擬電子技術(shù)》是數(shù)電的基礎(chǔ)，也是整個電路學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。特別對于計算機專業(yè)，包括計算機通信技術(shù)，多媒體技術(shù)等，如果學(xué)生對于濾波電路、采樣電路、比較電路和各種信號發(fā)生電路的原理不清楚的話，就沒辦法真正理解后續(xù)課程的精髓。因此，在內(nèi)容選擇上，安排如表1所示。
對于半導(dǎo)體三極管及放大電路基礎(chǔ)那部分內(nèi)容，考慮到讓學(xué)生能很好地了解放大電路的結(jié)構(gòu)，給學(xué)生分發(fā)元器件，讓學(xué)生搭建共射極放大電路，并自己調(diào)節(jié)可調(diào)變阻器的阻值，觀察輸出波形，由此了解三極管處于放大電路的條件。通過反饋回路的搭建，可以預(yù)先讓學(xué)生觀察反饋的結(jié)果，并對反饋的概念有所了解。
對于集成運算放大器部分內(nèi)容，考慮到課時的問題，直接在實驗室開展。給學(xué)生分發(fā)元器件，讓他們搭建運算電路，通過對波形的分析，掌握各種不同運算電路的特征。
3.2數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容
對于計算機專業(yè)來說，數(shù)字電子技術(shù)課程是學(xué)習(xí)計算機組成原理和微機原理等課程的基礎(chǔ)。考慮到計算機專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)，適當(dāng)減少原理性知識內(nèi)容，強調(diào)對器件功能的熟悉和應(yīng)用，補充與計算機專業(yè)相關(guān)的知識點，為后續(xù)課程打好基礎(chǔ)。比如在門電路和組合邏輯電路這一章中，由于目前CMOS門電路應(yīng)用比較廣泛，因此先講CMOS門電路，再講解TTL門電路。略去動態(tài)特性的分析，對輸入輸出特性做相應(yīng)介紹。在組合邏輯電路的設(shè)計中，加法器和半加器的介紹可以幫助學(xué)生了解CPU運算電路的工作原理。在時序邏輯電路中，計數(shù)器、寄存器都是與計算機專業(yè)相關(guān)的主要電子部件。因此，在內(nèi)容的安排上，如表2所示。
對于組合邏輯電路的設(shè)計，這部分內(nèi)容安排在實驗室，直接讓學(xué)生設(shè)計半加器和全加器，可以添加反碼和補碼的內(nèi)容，幫助學(xué)生了解運算器的工作原理。
對于時序邏輯電路的設(shè)計，可以安排學(xué)生直接設(shè)計計數(shù)器和寄存器，了解這些部件的工作原理。
4.結(jié)語
電子技術(shù)基礎(chǔ)這門課程的內(nèi)容廣度和深度都比較高，對于學(xué)生來說，學(xué)習(xí)起來是不容易的。但是通過對課程內(nèi)容的重新整合，列出與計算機專業(yè)相關(guān)的知識點，穿插在每次的教學(xué)過程中，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。此外，考慮到學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力比較強，部分內(nèi)容可安排自學(xué)或者在實驗室自主開展，對學(xué)生能力的提高有很大的幫助。
參考文獻(xiàn)：
[1]秦曾煌，姜三勇.電工學(xué)（第七版）（下冊）[M].北京：高等教育出版社.
[2]唐朔飛.計算機組成原理（第2版）[M].北京：高等教育出版社.
關(guān)鍵詞：數(shù)字邏輯；系統(tǒng)能力；EDA；教學(xué)改革
中圖分類號：G623.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）06-0148-02
《數(shù)字邏輯》是計算機及電子信息類專業(yè)的一門必修專業(yè)課程，是學(xué)習(xí)計算機硬件系列課程的基礎(chǔ)，同時是一門實踐性、技術(shù)性很強的基礎(chǔ)課。隨著現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，《數(shù)字邏輯》這門課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方法也需要不斷地調(diào)整變化。對于計算機專業(yè)的學(xué)生而言，學(xué)習(xí)這門課程的主要目標(biāo)是為后續(xù)計算機硬件系列課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，因此，在具體教學(xué)內(nèi)容方面與電子類專業(yè)的數(shù)字電子技術(shù)類課程應(yīng)該有所區(qū)別。本文從計算機專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的角度來探討《數(shù)字邏輯》課程的內(nèi)容調(diào)整等教學(xué)實踐中的一些問題和做法。
一、計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的內(nèi)涵與相關(guān)課程體系
計算機系統(tǒng)能力指的是對計算機系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計、調(diào)優(yōu)和檢錯的能力[1]。從本科教學(xué)的角度來看，計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)需要包括如下內(nèi)容：
1.培養(yǎng)學(xué)生建立起單機計算機系統(tǒng)（硬件+軟件）的整機概念，全面理解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，深入理解操作系統(tǒng)和硬件之間的分工和銜接關(guān)系；
2.理解高級語言程序與指令集結(jié)構(gòu)（ISA）和操作系統(tǒng)之間的關(guān)系，譬如高級語言語句與具體指令的對應(yīng)關(guān)系、變量（常量）在機器中的表示和存放、嵌套和遞歸等機制在指令級的實現(xiàn)、堆/棧的結(jié)構(gòu)和動態(tài)存儲分配機制、程序中的I/O操作和涉及到的系統(tǒng)調(diào)用過程等等內(nèi)容。
3.理解指令在計算機硬件上的執(zhí)行過程，包括算術(shù)邏輯運算部件以及運算指令執(zhí)行過程、層次化存儲結(jié)構(gòu)（Cache、TLB、RAID等）以及訪存過程、I/O結(jié)構(gòu)（I/O外設(shè)和接口、BUS、網(wǎng)絡(luò)等）以及I/O過程等。
4.理解構(gòu)成計算機硬件的基本電路特性和設(shè)計方法，具體內(nèi)容包括布爾代數(shù)、邏輯門電路、FPGA和HDL以及集成電路的功耗、延時等概念。
計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)包括計算機軟硬件方面的內(nèi)容，涉及到的課程有《數(shù)字邏輯》、《計算機組成原理》、《微型計算機技術(shù)》、《計算機體系結(jié)構(gòu)》、《操作系統(tǒng)》和《編譯原理》等。這些課程之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，因此，需要在統(tǒng)一的指導(dǎo)思想和培養(yǎng)目標(biāo)下，全方位系統(tǒng)地構(gòu)建相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容和實驗教學(xué)方案，統(tǒng)一規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，將計算機系統(tǒng)講深講透。
二、《數(shù)字邏輯》課程教改的幾點舉措
1.面向計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的總體目標(biāo)，在《數(shù)字邏輯》課程教學(xué)中注意培養(yǎng)學(xué)生的計算機整體系統(tǒng)觀，使課程的教學(xué)更適應(yīng)計算機專業(yè)的要求。從圖1可以看出，《數(shù)字邏輯》這門課程在系統(tǒng)能力培養(yǎng)過程中處于基礎(chǔ)底層，學(xué)生對于這部分內(nèi)容的掌握影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和對計算機系統(tǒng)底層硬件運行過程的理解。因此，需要在培養(yǎng)計算機系統(tǒng)能力的總體目標(biāo)下，統(tǒng)一規(guī)劃相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力。可以采取從底層到高層螺旋式上升的課程體系，也可以采取從高層到底層自頂向下的課程體系，還可以先從高層（應(yīng)用程序與算法）和底層邏輯電路兩頭開始，再到中間核心層的課程體系結(jié)構(gòu)。
2.注意不同課程之間的內(nèi)容銜接，授課內(nèi)容面向后續(xù)課程的教學(xué)，同時注意避免重復(fù)。在《數(shù)字邏輯》課程教學(xué)中，可以選用《計算機組成原理》等后續(xù)硬件類課程的內(nèi)容作為電路設(shè)計案例。通過這樣的案例設(shè)計，不僅鞏固了課程教學(xué)內(nèi)容，而且有利于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。由于《數(shù)字邏輯》與其它硬件系列課程如《微型計算機技術(shù)》、《計算機組成原理》、《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》的內(nèi)容聯(lián)系緊密，相互交叉，因此，需要統(tǒng)一規(guī)劃協(xié)同相關(guān)內(nèi)容，避免重復(fù)。
3.突出課程教學(xué)重點，簡化但不摒棄器件原理等基礎(chǔ)知識。《數(shù)字邏輯》課程內(nèi)容的重點在于介紹器件應(yīng)用和數(shù)字電路的分析和設(shè)計方法，由于受到總課時的限制，對涉及到器件工作原理和其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的內(nèi)容需要簡化。但是需要注意的是，簡化并不是簡單地摒棄，對于課程學(xué)習(xí)中涉及到的基礎(chǔ)知識，必須有所交代和介紹。由于計算機專業(yè)大都不開設(shè)《模擬電子技術(shù)》之類的工科基礎(chǔ)課程，因此，學(xué)生對于分立元件及其內(nèi)部工作原理知之甚少，這并不利于《數(shù)字邏輯》課程的學(xué)習(xí)。所以，在課時分配上，需要對二極管、三極管的開關(guān)特性、簡單門電路的工作原理有所交代。在遴選教材時，可以選擇以中規(guī)模集成電路芯片應(yīng)用為主、適當(dāng)兼顧器件基礎(chǔ)知識的教材；而那些以分立元件為主、過多強調(diào)內(nèi)部工作原理的教材則不太適用于計算機專業(yè)的教學(xué)。
4.充分利用EDA技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生利用硬件描述語言設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的能力，為計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代可編程邏輯器件（CPLD/FPGA）和電子設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計與實驗的方式正在發(fā)生變化，越來越多的高校開始將EDA技術(shù)引入到《數(shù)字邏輯》等課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)[3]，用硬件描述語言等完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，然后由計算機將設(shè)計文件進(jìn)行編譯化簡、綜合、優(yōu)化布局和仿真，最終完成邏輯編譯過程，從而得到和硬件實驗十分接近的最終實驗結(jié)果。基于EDA技術(shù)的實驗簡化了傳統(tǒng)數(shù)字邏輯設(shè)計實驗在硬件連接過程中的消耗，節(jié)約了實驗設(shè)備和實驗時間，提高了學(xué)生的自主動手能力。在將EDA技術(shù)引入到《數(shù)字邏輯》課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)時，不要孤立、片面地看待問題，而是要以系統(tǒng)的、聯(lián)系的和發(fā)展的觀點進(jìn)行教學(xué)，從培養(yǎng)現(xiàn)代計算機系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用能力的角度出發(fā)，全面深入地認(rèn)識EDA技術(shù)對于后續(xù)課程學(xué)習(xí)和系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重要意義。當(dāng)前國內(nèi)外許多一流大學(xué)已經(jīng)以EDA設(shè)計知識為基礎(chǔ)，在FPGA實驗板上設(shè)計流水線CPU和I/O電路，從而全面培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計和CPU設(shè)計能力。例如，可以通過《數(shù)字邏輯》、《計算機組成原理》、《操作系統(tǒng)》和《編譯原理》等課程的學(xué)習(xí)，逐步讓學(xué)生完成一整計算機的設(shè)計，包括在FPGA實驗板上獨立設(shè)計CPU，完成基本的MIPS指令（多周期CPU方式），進(jìn)而借助于板上SRAM，在設(shè)計完成的機器上實現(xiàn)操作系統(tǒng)和編譯器。可以看出，《數(shù)字邏輯》課程重在培養(yǎng)學(xué)生使用HDL語言進(jìn)行計算機硬件設(shè)計的能力，在此基礎(chǔ)上可以幫助學(xué)生深入理解操作系統(tǒng)和硬件之間的分工與銜接關(guān)系，為分析理解操作系統(tǒng)功能或開發(fā)操作系統(tǒng)軟件打下堅實基礎(chǔ)。
《數(shù)字邏輯》是一門實踐性較強的課程，隨著FPGA技術(shù)和EDA技術(shù)的應(yīng)用普及，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計具有了極大的靈活性。基于硬件描述語言，在FPGA實驗板可以設(shè)計驗證基本邏輯門電路，進(jìn)而到各種復(fù)雜程度不一的數(shù)字系統(tǒng)，直至在FPGA實驗板設(shè)計驗證完整的CPU和I/O電路，實現(xiàn)計算機系統(tǒng)硬件的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上可以完成計算機指令系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和編譯器的設(shè)計，使學(xué)生能夠建立單機計算機系統(tǒng)（硬件+軟件）的整機概念，全面理解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，從而培養(yǎng)計算機專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)能力。但是對于計算機專業(yè)的學(xué)生而言，初學(xué)《數(shù)字邏輯》這門課程時，缺乏一些前導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)，需要講授較多的理論知識，對于硬件描述語言的學(xué)習(xí)和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計驗證則不可能在有限的實驗教學(xué)時間內(nèi)完成，因此，可以考慮單獨設(shè)置一門數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計類型的實踐課程，作為《數(shù)字邏輯》和《計算機組成原理》的實踐內(nèi)容，在FPGA實驗板上用硬件描述語言實現(xiàn)從簡單數(shù)字系統(tǒng)到完整的CPU和I/O電路的設(shè)計驗證，為后續(xù)能力的培養(yǎng)奠定堅實基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
[1]袁春風(fēng).計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.
[2][美]M.Morris Mano，Charles R.Kime，著.邏輯與計算機設(shè)計基礎(chǔ)[M].鄺繼順，等，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2012.
[3]劉新元，謝柏青.改革數(shù)字邏輯電路實驗培養(yǎng)創(chuàng)新人才[J].中國電力教育，2009，（134）：156-157.
[4]劉浩斌.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.
一、整合教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法
在我校計算機專業(yè)本科生的低年級階段，已經(jīng)選修過數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、計算機組成原理等課程。計算機絡(luò)原理是計算機專業(yè)重要的專業(yè)必修課。在課堂教學(xué)方面，我們重點介紹計算機網(wǎng)絡(luò)的基本知識。該課程基于Internet，目的在于讓學(xué)生了解計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和工作原理。Internet是熟知的公用網(wǎng)絡(luò)，以此網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP協(xié)議為模型，貼近學(xué)生生活和學(xué)習(xí)，使學(xué)生充分結(jié)合實際生活，了解基本的概念和原理。在課堂教學(xué)中，將教師的科研內(nèi)容融合到教學(xué)內(nèi)容中，采用研究型教學(xué)方法和傳統(tǒng)教學(xué)方法相結(jié)合，教師教授與學(xué)生研究型探索相結(jié)合，充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，為學(xué)生發(fā)散型、創(chuàng)新型能力發(fā)展提供了空間。在以Internet協(xié)議TCP/IP為基礎(chǔ)的內(nèi)容中，通過學(xué)生設(shè)計web服務(wù)器、郵件服務(wù)器、根據(jù)各種路由算法親自動手編程、配置路由器和交換機，掌握協(xié)議的工作原理及工作過程。在課時分配上，采用48學(xué)時課內(nèi)講授，16學(xué)時的實驗環(huán)節(jié)，使學(xué)生充分掌握理論知識的同時，增強其親自動手的實驗?zāi)芰ΑＳ嬎銠C網(wǎng)絡(luò)需要較強的實踐能力，這就要求我們課堂教學(xué)中應(yīng)該與實踐相結(jié)合。在學(xué)校的大力支持下，我們搭建了《計算機網(wǎng)絡(luò)原理》課程的實驗教學(xué)環(huán)境。該實驗環(huán)境提供了網(wǎng)絡(luò)實驗的平臺。該平臺可以達(dá)到高等院校和科研機構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)的基本水平。在教學(xué)方法上，我們針對教學(xué)內(nèi)容自行設(shè)計了多媒體課件，將抽象的原理和工作過程以動畫的形式演示出來，增強教學(xué)效果。多媒體教學(xué)是實現(xiàn)提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率的有效手段。我們自行設(shè)計了Internet協(xié)議各個層次協(xié)議工作過程的flas演示，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時使理論更加形象。如講授HTTP協(xié)議工作原理時，把從發(fā)出網(wǎng)頁瀏覽的請求到接收到所請求內(nèi)容的過程，通過flash演示，將連接的建立、請求和響應(yīng)的發(fā)送過程一一呈現(xiàn)，使得抽象的概念得以形象化，易于學(xué)生的記憶理解和掌握。把課堂講授和自學(xué)結(jié)合起來，注重培養(yǎng)學(xué)生獲取知識和運用知識的能力。課堂的教學(xué)活動是學(xué)生在教師引導(dǎo)下的師生互動的過程，學(xué)生是教學(xué)過程中知識接受的主體。因此我們在課堂教學(xué)中采用教師教授和學(xué)生討論相結(jié)合的方法，針對難以理解的概念組織學(xué)生分組討論，加深學(xué)生對基本概念和基本理論的理解，有助于學(xué)生在以后的設(shè)計中結(jié)合實際具體應(yīng)用。同時我們自行設(shè)計編寫了相關(guān)實驗的教學(xué)指導(dǎo)書，加大了本科生網(wǎng)絡(luò)系列課程教學(xué)的實踐力度。根據(jù)學(xué)生的實際情況，由淺入深地安排了一系列實驗，提高了他們的實際動手操作能力。計算機網(wǎng)絡(luò)實驗的對象和環(huán)境是一個模擬了計算機網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，主要由硬件環(huán)境和運行在硬件上的軟件所構(gòu)成。主要由組成計算機網(wǎng)絡(luò)的主機通過各種接入設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接入介質(zhì)以及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備構(gòu)成計算機網(wǎng)絡(luò)運行的硬件環(huán)境，然后由運行在主機以及終端設(shè)備上的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、用戶安裝的各種應(yīng)用系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備上的軟件構(gòu)成的軟件環(huán)境的有機結(jié)合構(gòu)成了計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成計算機網(wǎng)絡(luò)的各種功能和服務(wù)。我們設(shè)計的所有實驗都運行在計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。我們設(shè)計的實驗主要分為四大類：設(shè)計型實驗、驗證型實驗、綜合型實驗和創(chuàng)新型實驗。
二、精選國外優(yōu)秀教材，采用雙語教學(xué)
由于國外計算機技術(shù)的發(fā)展比較迅速，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面也積累了大量的實際經(jīng)驗，優(yōu)秀教材的選擇是培育高質(zhì)量高效人才的必要條件。而在國內(nèi)采用的一些教材大多內(nèi)容相對滯后，另外，現(xiàn)階段各個高校也都在大力提倡學(xué)生閱讀國外原版教材，特別是對于計算機專業(yè)的學(xué)生，通過閱讀原版教材能夠很快地跟蹤國外最新技術(shù)發(fā)展，同時提高了英語專業(yè)閱讀的能力。我校計算機網(wǎng)絡(luò)原理課程組通過多年的實踐以及搜集大量的國內(nèi)外優(yōu)秀教學(xué)資料，選用了大學(xué)計算機教育國外著名教材教學(xué)用書的影印版作為計算機網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)用書。在課堂教學(xué)中采用雙語教學(xué)的方式，原版教材閱讀和中文課堂講解相結(jié)合，對學(xué)生閱讀原版教材中較難理解的部分重點講解，使學(xué)生充分領(lǐng)悟教材的內(nèi)容，同時考試采用英文實體，中英文解答，考核學(xué)生對課程的理解掌握程度。四、實驗環(huán)節(jié)設(shè)計實驗是計算機網(wǎng)絡(luò)的重要環(huán)節(jié)。計算機網(wǎng)絡(luò)實驗不同于其他計算機課程的實驗，需要獨立的實驗環(huán)境。我校計算機學(xué)院配備有大型綜合實驗室，針對我院本科生各門課程開放實驗室，除了配置了上機的相應(yīng)軟件環(huán)境之外，還在獨立的空間配置了計算機網(wǎng)絡(luò)實驗必備的硬件設(shè)備和環(huán)境，包括有線和無線的局域網(wǎng)，各種交換和路由設(shè)備，為實驗的開設(shè)提供了環(huán)境的支持。學(xué)生在學(xué)習(xí)了相關(guān)的理論課程之后，可以通過實驗驗證、設(shè)計相關(guān)的實驗內(nèi)容，提高實踐能力。我們自行編寫并設(shè)計了驗證型、設(shè)計型、創(chuàng)新型的各種實驗，鞏固教學(xué)中的相關(guān)內(nèi)容，在教學(xué)中配以相應(yīng)的課題，解決實驗中遇到的問題，提高學(xué)生的實踐能力與發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，使學(xué)生真正能夠獨立完成網(wǎng)絡(luò)工程的設(shè)計和開發(fā)。
1.實驗預(yù)習(xí)。因為實驗中需要了解的計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識多，所以預(yù)習(xí)工作非常重要，是整個實驗必不可少的步驟。在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中，需要學(xué)生明確試驗?zāi)康模ㄟ^閱讀相關(guān)資料理解并掌握實驗原理，熟悉實驗用到的硬件和軟件環(huán)境。我們要求學(xué)生提前閱讀實驗指導(dǎo)書中的實驗方法和操作步驟，并參閱相關(guān)理論和有關(guān)設(shè)備的說明書，寫出預(yù)習(xí)報告。包括：實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒灜h(huán)境、實驗步驟和預(yù)期效果，并對可能出現(xiàn)的運行結(jié)果進(jìn)行理論分析。
2.實驗操作。進(jìn)入實驗室進(jìn)行實驗操作前，應(yīng)將預(yù)習(xí)報告提交實驗指導(dǎo)教師審查，獲得實驗指導(dǎo)教師許可后領(lǐng)取相應(yīng)實驗設(shè)備進(jìn)行登記后才可進(jìn)行實驗操作。實驗過程中，要認(rèn)真觀察實驗結(jié)果，實驗結(jié)束后，交由實驗指導(dǎo)教師檢查合格后才能結(jié)束實驗。
3.實驗總結(jié)。根據(jù)實驗情況寫出實驗報告。在實驗報告中，應(yīng)對實驗記錄進(jìn)行整理，對實驗結(jié)果從理論加以分析歸納，對實驗過程中出現(xiàn)的問題以及解決辦法進(jìn)行分析和討論，以加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解。我們設(shè)計的實驗包括：實現(xiàn)實際應(yīng)用中經(jīng)常用到的各種服務(wù)器，如WEB服務(wù)器和E-MAIL服務(wù)的客戶端，通過編程實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備（如路由器的路由）中運行的算法，計算機網(wǎng)絡(luò)中實際使用的交換機和路由器在網(wǎng)絡(luò)平臺下的工作過程和交換表的配置等。計算機網(wǎng)絡(luò)原理的教改過程已經(jīng)在我院持續(xù)數(shù)年，取得了良好的教學(xué)效果，在學(xué)生中得到廣泛的好評。
作者：姜文紅單位：北京交通大學(xué)
