“计算机组成原理”的课程改革与实践

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1、“计算机组成原理”的课程改革与实 践 摘要：“计算机组成原理”课程教学历来是计算机专业教 学中的重点，本文分析了“计算机组成原理”课程的定位和特点，提出了一种从整体功能 推进到局部组成、从微观实现抽象到宏观结构的层次化教学内容设计模式，探讨了“计算 机组成原理”教学与学生能力培养之间的关系，探索并实践了一种研究性的教学方法。实 践证明，这样的方法也的确收到了良好的效果。 关键词：计算机组成原理；课程 改革；教学方法；实践 1 引言 “计算机组成 原理”是计算机科学与技术专业的核心课程，该课程以冯诺依曼模型为起点，系统地讲 述了计算机内部结构、功能部件、功能特征、工作原理、交互方式和基本设计方法

2、1。在 教授这门课程的过程中，我们通过课堂讲授、课程实验、课程设计相结合的方式，使学生 系统地理解计算机硬件系统的组织结构与工作原理，掌握计算机硬件系统的基本分析与设 计方法，为他们进一步学习计算机系统结构、操作系统等后续课程，全面培养计算机硬件 系统认知、设计与创新能力奠定良好的基础。 “计算机组成原理”课程是计算机 专业本科阶段一门极其重要的课程，也是一门教学内容多、学习难度大的课程2。目前国 内外出版的相关教材不少，其中不乏较优秀的教材，但由于教材容量的限制和文字叙述方 式的特点，我们很难凭借单本教材就能实现既能从全局或宏观的角度掌握计算机硬件系统 的整体结构和工作原理，又能从局部或微观

3、的角度理解计算机各个部件的工作过程和交互 方式的教学目标。因此，研究并实践一种有效的教学模式，对帮助学生从微观层面掌握本 课程知识单元、从宏观层面建立该课程知识体系，进而培养学生关于计算机硬件系统的认 知能力、设计能力和创新能力，具有重要的作用。 2 教学内容设计 我们系统地分析了卡耐基梅隆大学、麻省理工学院、普林斯顿大学、清华大学、 北京大学等 20 余所国内外著名大学同类课程的教学内容和展现方式。国内外高校在课程的 教学内容上差别基本不大(如表 1 所示)，但在内容的组织和知识的层次化推进方面存在一 定的差别。 表 1 几所国外大学计算机组成课程教学内容分布 “计算机组成原理”课程教学过程

4、中，应尽快建立计算机的整体概念，让学生清晰地了解 所学内容在课程知识结构中的位置以及和其他部分之间的关系2,3，并合理组织课程知识 点的展现结构，使学生对所学内容具有清晰的脉络和思路，这对学生全面地掌握本课程的 知识具有十分重要的作用。 我们基于对国内外“计算机组成原理”课程教学体系 的分析，从知识与能力两个层次，课堂与实验两个环节对“计算机组成原理”课程与实验 体系进行了详细设计，基于自顶向下的教学思路，建立了一种从整体功能推进到局部组成、 从微观实现抽象到宏观结构的层次化课程内容设计模式。首先，从问题出发。设想人类寻 求一种可以代替人完成复杂计算的机器装置的功能需求，带领学生分析归纳计算机

5、的功能 模型，基于一定的技术条件带领学生分析总结实现该计算机功能模型的组成、结构以及其 基本的工作方式，使学生初步建立计算机的整体概念。然后按照这样一种分析问题、探讨 解决思路、总结功能特征、介绍设计与实现细节的教学内容展开模式，分别对存储系统、 计算单元、控制单元和输入输出系统的教学内容进行设计，贯彻局部组成体现整体功能、 微观实现体系宏观结构的教学内容设计思路，同时突出“功能分析”和“结构设计”两条 主线。内容组织上，在对计算机各组成部分的功能需求分析的前提下，重点强调实现这些 功能需求的组成部件的结构设计过程和特征。 3 课程的能力培养 “计算机组成原理”课程的教学内容不仅仅是要传授有关

6、硬件设计的课本知识， 更重要的是重视理论知识与实践过程的结合，将知识综合灵活运用，重视学生综合能力和 创新能力的训练和培养4。本课程着重培养学生关于计算机硬件系统方面的三种能力：即 计算机硬件系统的认知能力、设计能力与创新能力。 “计算机组成原理”课程主 要通过对计算机各功能部件的组成及运行原理的分析、讲解和配套实验，培养学生对计算 机硬件的系统级认知能力。课程通过数据的机器表示、运算方法及运算部件的组成等知识 点的讲解和实验，使学生掌握计算机的运算特征；通过指令系统的相关知识，使学生掌握 计算机系统汇编级的结构特征和基本操作描述方法；通过存储系统的详细讲解和实验，使 学生能从容量、速度和成本

7、的角度理解多层次存储系统的组织结构和工作原理；通过 CPU 及控制单元的功能和结构的详细分析，结合指令执行控制的深入讲解和实验，使学生理解 计算机系统指令执行的实质和控制单元的基本实现方法；通过总线、输入输出接口及外部 设备等知识的讲解，使学生了解计算机系统内部、计算机系统与外部的交互方式。 在培养学生对计算机硬件的系统级认知能力的基础上，我们通过对运算部件、存储系统、 指令系统、控制单元、整机硬件系统的设计方法等知识的讲解，结合相应设计实验，培养 学生对计算机硬件系统的理解和设计能力。在设计能力培养的具体方式上，可通过课堂讲 授、课后练习、配套实验等形式分层次实现。如课堂讲授可重点介绍系统和

8、部件的设计方 法和设计过程等内容；课后练习可进行框架性设计；配套实验可围绕规范、典型的模型系 统，从功能部件的实现开始，直至最终设计出一台具备基本运算能力和存储能力、支持有 限指令集的计算机设备。从而达到验证功能部件和系统的功能，掌握必要的硬件描述语言、 设计工具及仿真环境，体验计算机硬件系统的设计过程，掌握相关硬件设计技术与方法等 目的。 课堂教学和实验应努力为培养学生的创新意识和创新能力打下基础，课程 在培养学生认知和设计能力的基础上，可通过计算机硬件系统不同阶段面临的问题及其技 术发展的分析和探讨，体会在特定的技术条件下的创新思维；针对计算机硬件系统面临的 新问题和新需求，结合新技术的介

9、绍大胆畅想未来的技术发展趋势，引领学生突破思维定 势，以此培养学生的创新意识。进一步可通过集成计算机组成原理、操作系统、编译技术 等课程知识内容的综合课程设计，培养学生的基本创新能力。 4 教学方 法实践 计算机学科的知识体系是一个动态变化的知识体系，对于计算机 原理这样一门课程，在教学过程中，启发学生充分思考计算机硬件系统发展不同阶段的需 求、基本背景和应解决的本质问题，远比直接的知识灌输要重要的多。在教学方法上，目 前普遍采用的是针对不同的教学内容特点采用启发式、讨论式或提问式等的教学方法，这 些教学方法被证明在教学过程中确实起到了良好的作用2,4,5。我们认为，课堂教学一方 面要传播课程

10、的知识，更重要的是要传播一种正确的科学研究方法。课程教学既要使学生 掌握课程知识，又要让学生了解与课程相关的领域曾经所面临的应用和技术问题，以及所 采取的解决思路，因此探索并实践一种“发现提出问题、分析技术背景、提出解决方法、 实现并验证”的研究性教学方法，对该课程的教学十分有益。 比如讲授计算机中 数据的表示方法，其实这部分是课程中很简单的内容，最直截了当的方式就是直接讲授计 算机中各种编码的表示方法，学生容易掌握，但学生只知其然而不知其所以然。讲授过程 中应从计算机只能表示“0”和“1”这两个基本概念入手，引导学生思考计算机如何充分 利用“0”和“1”来表示大千世界抽象的概念和具体的形象，

11、进一步让学生思考计算机中 数值的表示、非数值数据的表示应解决的问题，使学生充分理解计算机中把数分成定点数、 浮点数、有符号数和无符号数，以及需要各种字符编码、检错纠错码的合理性和必要性， 让学生主动去发掘计算机中数值和符号表示的根本问题。同时结合高级语言中的变量类型 定义和各种类型变量占内存大小方面的知识，使学生能够从高级语言和机器实现相结合的 角度理解程序变量类型的规划对程序性能的影响等知识。至于具体的数据表示方法，属于 比较容易掌握的基本教学内容，讲与不讲都没有太大的关系。 中央处理器是“计算机组成原理”课程中最难掌握的教学内容，教学过程可以分为三 个步骤推进。第一步是要让学生掌握控制器的

12、功能、组成和结构，以及控制信号的作用。 教学方法上应采用启发式的教学方法，首先应通过结合指令系统、存储器系统、运算单元 等已学部分的知识，系统地分析机器指令执行过程中所需要的功能支持、功能部件(如寄存 器部件)支持和数据通路支持，进而归纳总结控制单元的功能、组成和结构。在此基础上， 以一个便于课程教学的简化的指令系统和模型机的设计为目标，从完整规划机器指令执行 的指令流和数据流入手，系统地分析指令执行过程中可能出现的指令代码传送路径、操作 数地址的形成和传送路径、操作数传送路径，以及各个功能部件(如存储器、各类寄存器、 运算单元等)和这些传送路径所需要的控制信号。以这些分析为基础，一步一步地引

13、导学生 分析、归纳总结并进一步完成控制单元内部数据通路的设计和控制信号的部署，进而完成 模型机控制单元内部结构设计。教学过程第二步以模型机的结构为基础，详细分析和讲解 典型机器指令的执行周期和指令执行的详细流程，使学生充分理解典型指令执行过程中每 一个时间段所实现的基本功能，以及为实现该基本功能在该时间段上所需要的微操作控制 信号，进而使学生掌握每一条指令执行周期和详细执行流程的分析方法。教学过程的第三 步是在完成上述教学内容的基础上，结合模型机的控制方式和控制时序信号，仔细分析和 讲解模型机中各种微操作控制信号的逻辑综合方法，以及控制单元的设计方法。通过上述 三个阶段的递进式教学，使学生了解

14、并基本理解控制器的基本工作原理，掌握机器指令执 行的真正物理含义，从本质上掌握计算机程序运行的实质。 5 结束语 建筑节能技术分析 关键词:建筑节能技术分析 摘要:随着“以人为本”设计理念的提出,人们对 住宅的舒适性要求越来越高,建筑能耗也随之增高。据统计,目前我国建筑能耗约占国民经济 总能耗的 25%左右,且呈上升趋势。另一方面,随着建筑能耗的增加和大量空调设备的安装, “城市热岛效应”日益严重,使环境日益恶化。我国建筑节能的重点应为:建筑本体的节能、 采暖系统节能、提高照明和其他电器的效率、大型公共建筑节能。 随着科学技术的日新月异,能源短缺已不容忽视,节约能源已受到世界性的普 遍关注,在

15、我国亦不例外。目前,全世界有近 30%的能源消耗在建筑物上,长此以往,将严重影 响世界经济的可持续发展。因此,能源问题将成为本世纪的热门话题。 一、国外建筑节能技术的发展 美国一家大学曾设计建造了一种四居 室的生态房。它的热能来源于人工散热、阳光及使用家电设备所产生的热量;用电依靠风力 发电机和太阳能电池;用水是从屋檐流下来经过处理的雨水;粪便和污水则流入一个堆肥坑 里,经发酵后供花园施肥用。美国一家建筑公司用回收的垃圾建筑房屋,墙壁是用回收的轮胎 和铝合金废料建造的;屋架所用的大部分钢料是从建筑工地上回收来的。 日本 1997 年建成了一栋实验型“健康住宅” 。除了整个住宅尽可能选对人体无害

16、的建筑材料外, 墙体还被设计成双重结构,每个房间建有通风口,整个房屋系统的空气采用全热交换器和除湿 机进行循环。全热交换器能够有效地回收热量并加以再次利用,其过滤器可有效地收集空气 中细小的尘埃,从而能够抑制霉菌等过敏生物繁殖。这种资源的回收利用,不仅变废为宝,而 且减少了环境污源,节约了能源。 德国建筑师塞多特霍尔斯建造了一座 能跟踪阳光的太阳房屋。房屋被安装在一个圆盘底座上,由一个小型太阳能电动机带动一组 齿轮。房屋底座在环形轨道上以每分钟转动 3cm 的速度随太阳旋转。当太阳落山以后,该房 屋便反向转动,回到起点位置。它跟踪太阳所消耗的电力仅为房屋太阳能发电功率的 1%,而 所吸收的太阳能则相当于一般不能转动的太阳能房屋的 2 倍。 二、 我国建筑节能存在的问题 我国正处于房屋建筑的高峰时期,建筑速度 之快,规模之大,可谓前所未有。2003 年,我国城乡建筑竣工面积达 20.3 亿平方米(其中城镇 12.7 亿平方米),超过所有发达国家年建成建筑面积的总和。但令人忧虑的是,在新竣工的