構建新的《計算機系統結構》課程體系初探

蔡啟先　王智文　何海釗

摘要：結合應用型專業教育特點，明確教學目標，強化微機系統結構內容，引入DLX虛擬處理器實驗，構建既有理論又有實踐的新的計算機系統結構課程體系；并且利用信息技術，努力實現課程的立體化；從而促使《計算機系統結構》課程建設再上新臺階。

關鍵詞：計算機系統結構；課程體系；DLX虛擬處理器；立體化課程

中圖分類號：640文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)18-21ppp-0c

Research and Practice of the Computer Architecture Course System for Applied Type Undergraduate

CAI Qi-xian1, WANG Zhi-wen1，HE Hai-zhao2

(1.Department of Computer Engineering, Guangxi University of Technology, Liuzhou 545006, China; 2. Library, Guangxi University of Technology, Liuzhou 545006, China)

Abstract:According to the applied type the profession education characteristics and teaching goal, form the new Computer Architecture course system with increasing microcomputer architecture contents and introduce into the DLX virtual processor experiments. And make use of the information technique, work hard to carry out a stereo course, that enhance teaching quality of the course.

Key words: Computer Architecture; Course system; DLX virtual processor; Stereo course

1 引言

計算機系統結構歷來為高校計算機科學與技術專業必修的主干專業基礎課。計算機的發展歷史說明，計算機性能的不斷提高必須依靠器件的變革和系統結構的改進。今天，在器件潛力幾乎達到極限的情況下，計算機系統結構的改進尤為重要。該門課程主要反映現代計算機在系統結構上的新思想新技術，如流水線處理、向量處理、并行處理、多處理機結構等等，要求學生從分析和評測的角度把握計算機系統的設計。這對培養學生掌握和應用現代計算機系統來處理復雜計算問題具有重要意義，也為學生今后從事計算機系統軟硬件開發打下良好的基礎。對這樣一門核心課程，如何突出地方院校應用型人才培養特色，研究和提高本課程的教學質量，給我們提出了新的挑戰。

國家教育部在《高等教育面向21世紀教學內容和課程體系改革計劃》中明確指出要“面向21世紀社會、經濟、科技、文化的發展，改革我國高等教育中與其不相適應的教學內容和課程體系?！?，該計劃把 “基礎課程、核心課程的教學內容體系及教材；教學手段、教學方法的創新?！?列為改革的主要內容[1]。因此，在現代計算機技術日新月異、計算機應用迅猛擴展深入的今天，在高校教育逐步由精英教育向大眾化教育轉移的今天，在地方經濟發展大量地普遍地需要工程應用型計算機人才的今天，必須重新審視這門課程的現狀和特點，按照應用型人才的培養目標和定位，構建新的計算機系統結構課程體系，從而提高該課程的教學質量。

2 計算機系統結構課程的特點

計算機系統結構課程具有下述特點：

1) 綜合性強。計算機系統結構一般安排為計算機專業高年級課程，它需要用到幾乎所有計算機專業基礎和相關的前繼專業課程知識。主要有：計算機組成原理、匯編語言程序設計、高級語言程序設計、數據結構、操作系統、編譯原理等課程。教學中要求學生對各課程知識融會貫通，教學難度較大。

2) 理論性強。內容抽象繁雜，概念多，教學處理不好的話，容易讓學生感到學習乏味，明顯增加了教學難度。

3) 本課程教材內容多是針對大中型計算機系統描述，常以一般學生接觸不到的機型作為系統結構舉例，而結合微機應用實際，結合現代微機系統結構技術的發展的內容幾乎沒有，嚴重脫離學生實際。

4) 缺乏實驗環境，學生無法獲得對計算機系統結構性能改進的直觀認識。如果真正要求學生對其理論與技術有直觀的接觸，則需要深入到現代大中型計算機內部進行實踐，這對我國絕大多數高校來說是不可能做到的。因此，長期以來，我國高校在開設這門重要課程時，僅僅停留在理論講授上，相應的實踐教學尚是空白，學生面對枯燥理論，學習興趣大減，這對提高教學質量帶來極大障礙。

3 新課程體系的研究和建設

針對這門課程的原有特點和不足，我們從以下三方面更新了該課程體系的研究和建設：

1) 修改教學要求，明確教學目的。

我們把對現代微型計算機系統結構的分析和評測作為學生意義構建的主要目標。很難想象，一個生活工作在微機廣泛應用的信息化時代的計算機高級技術人員，如果對微機的系統結構知之甚少，又怎么能夠用好微機呢？因此，在認識和了解一般計算機系統結構新技術的基礎上，加強對微機系統結構的教學是完全必要的。

2) 在總的教學目標要求下，大刀闊斧地對教學內容進行重組，構建符合教學目標，既有理論又有實踐的新的課程體系。

我們積極開展本課程教學內容改革，注意吸收國內外同類教材教學思路，結合地方經濟發展對計算機人才知識結構的要求，在教學內容上進行壓縮和擴充，精簡了有關大中型計算機的過多介紹，增加和突出微機上常用的新的系統結構，突出基本知識，注意和前繼課程的內容貫通，形成具有自己特色的教學內容和教學大綱。

理論上，既講清一般原理，又緊密結合微機系統結構。比如，結合80X86指令系統，闡述從CISC到RISC的發展；在介紹各項新技術時，盡量例舉微機上應用相關技術的實例。如Pentium的4級整數流水線、8級浮點流水線，Pentium的分支預測策略等。我們還以“奔4：奔騰不已的‘芯”為題，專門介紹Pentium 4的NetBurst微結構，從Willamette核心、Northwood核心到Prescott核心的不斷發展，所面臨的問題及Core微架構的面世，同時還涉及到同時代CPU產品的競爭情況。應該說，結合系統結構的原理比較全面地介紹了與學生密切相關的微機的系統結構。

如何在常規的條件下例如利用普通的微型計算機，讓學生直接用到有關計算機系統結構的新思想和新技術，得到實踐學習的機會，從而大大提高學生對現代計算機系統的認識，大大提高這門重要課程的教學效果，值得我們花大氣力進行研究。為此，我們引進了DLX虛擬處理器實驗。

DLX處理器是1995年美國斯坦福大學的John L.Hennessy和加利福尼亞大學伯克利分校的David A.Patterson在其“Computer Architecture-A quantitative approach”一書中首次提出的一個虛擬的32位處理器。該處理器不僅體現了當今多種機器（如AMD 29K，DEC station 3100，HP 850，IBM 801，Intel i860，MIPS M/120A，MIPS M/1000，Motorola 88K, RISC I,SGI 4D/60, SPARCstation-1, Sun-4/110, Sun-4/260等）系統結構的共同特點，還將體現未來一些機器的設計思想[2]。特別是，DLX虛擬微處理機提供了一個基于PC機的研究平臺，研究者可以在PC機上模擬新的處理機技術。清華大學著名教授鄭緯民在其著作中專門介紹了DLX虛擬微處理機，并指出：“通過了解DLX處理機的結構和工作原理，并利用DLX模擬器進行實驗，可以幫助讀者綜合地了解和運用有關處理器指令系統的設計、流水線的設計與實現等方面的知識，有助于對本書前面章節所述內容的理解?！盵3]

我們在全面了解DLX虛擬處理器的結構和工作原理的基礎上，探討從“軟”的角度，利用DLX虛擬處理器進行處理器指令系統的設計、流水線的設計與實現、并行處理的設計與實現等帶有新一代處理器思想和技術的實踐教學體系，總結出有典型教學意義的實驗[4~6]；并編寫相關的實驗教材，注重設計性和綜合性實驗的訓練。比如，讓學生通過實驗軟件，模擬采用旁路技術消除數據相關，采用增加運算單元的方法消除控制相關，采用優化程序的方法來提高流水線的性能等。此外，我們開辟了一些有關Cache、CPU性能測試的實驗，形成一套計算機系統結構實踐教學體系。這是一項難度較大的具有開創意義的教學研究工作。

3) 革新教學方法手段，利用信息化技術，努力構建立體化的課程體系。

我們自行制作CAI課件，以多媒體的形式精心展現課程內容，形象地講解理論，化解難點，融匯前繼課程知識，雖然為此付出了很大的心血，但是保證了全部理論課在多媒體電教室上課，取得了很好的教學效果。同時研制實踐教學軟件，以多媒體形式介紹實驗內容和操作過程，并以網絡課件形式提供給本校學生，以便學生實驗前自學。

我們充分利用校園網環境，建立一個以本門課程為主的基于校園網的教學網頁，不僅有覆蓋全部教學內容的CAI課件，還有與網絡電子教案配套的課程介紹、信息發布、教師答疑、名詞解釋詞典、教學論壇、實驗探索、習題與題解、相關鏈接等輔助網絡資源。

在課堂教學上除了用多媒體教學外，還積極探索開展課堂討論，通過“協作”、“會話”等方式引導學生主動學習，在此基礎上，撰寫高質量的小論文，很多小論文體現了學生課堂討論的成果。

本門課程的改革成效已初見端倪，學生們普遍反映，這門課程好學實用，學了后眼界開闊，有助于全面把握專業知識。在學生評教活動中，本門課程得到了較高的評價。

總之，一門課程體系的構建，必須與所屬專業辦學定位和學生實際相適應，必須與社會需求相適應，必須與學科領域技術發展相適應。目前，我們仍在對該課程的立體化和信息化方面進行研究、探索，力求完善課程的理論體系、實踐體系和網絡學習環境，進一步提高該課程的教學質量。

參考文獻：

[1] 國家教育部. 高等教育面向21世紀教學內容和課程體系改革計劃.

[2] John L.Hennessy, David A.Patterson. 鄭緯民, 湯志忠, 汪東升, 等譯. 計算機系統結構：一種定量的方法（第二版）[M]. 北京：清華大學出版社,2002.

[3] 鄭緯民, 湯志忠. 計算機系統結構（第2版）[M]. 北京：清華大學出版社,1998.

[4] 蔡啟先，李日初. DLX處理器整數流水線性能的研究[J]. 計算機應用, 2005,25(12B):374-376.

[5] 蔡啟先，李日初. DLX處理器浮點數流水線性能的研究[J]. 計算機工程,2006, 32(9):222-224.

[6] 蔡啟先, 李日初，王智文. DLX虛擬處理器流水線向量運算的性能研究[J]. 廣西工學院學報, 2007,18(1):43-47.

收稿日期：2008-03-22

基金項目：新世紀廣西高等教育教學改革工程“十一五”第一批立項項目（168）

作者簡介：蔡啟先（1948-），男，廣西工學院計算機工程系教授，主要研究方向：計算機系統結構。