计算机系统结构模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇计算机系统结构，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

[4]王丽晖. 现代计算机系统结构发展趋势分析，开发展望. 2005：4-5.

[5]欧中宏，袁由光，李海山等. 一种高性价比的容错计算机结构，第十届全国容错计算学术会议.

[6]曾庆华，陈天麟. 可扩展并行计算机系统结构和发展现状，计算机科学. 2003：第30卷，第9期. 158-161.

[7]龚明. 后PC时代计算机系统结构的发展，计算机工程. 2001年3月：第27卷，第3期. 1-2.

[8]范玲玲. 计算机硬件知识体系的结构框架研究，信息产业. 2013：178.

篇2

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）09-0048-02

“计算机系统结构”课是“计算机科学与技术”专业本科生开设的一门专业必修课，开设时间为本科第六学期，48学时（理论课42学时；实验课6学时）。它是一门综合课程，从全局和系统的角度介绍计算机系统设计所必须了解和掌握的知识，把前续的“计算机组成原理”、“操作系统”、“编译原理”、“数据结构”、“汇编语言程序设计”等课程中所学的软硬件知识有机的结合起来，从而建立起计算机系统的完整概念。学习本课程旨在使学生从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统，对于培养系统地分析和解决问题的能力，培养抽象思维能力有非常重要的作用。由哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院硬件教学团队承担的“计算机系统结构”课程在2003年评为省级精品课程基础上，于2008年又被评为“教育部—Intel”精品课。精品课程建设是教育部组织开展的旨在提高高等院校教学水平而推出的“高等学校教学质量和教学改革工程”中的具有战略意义的举措之一，是高等学校教学改革与建设的一项具有标志性的工作[1-2]。本文以本科生课程教学为核心，根据本课程教学内容特点，详细介绍课程教学内容建设及改革思考，以求交流同行经验，促进课程建设更快发展。

一、课程内容和特点

我校“计算机系统结构”本科生课程主要采用李学干教授等编著的《计算机系统结构》作为教材，内容主要包括计算机系统结构概论、数据表示、寻址方式与指令系统、存储、中断、总线与I/O系统、存储体系及流水和指令级高度并行的超级机等内容[3]。想要顺利学习这门课程的内容，需要学生很好地掌握“计算机组成原理”、“操作系统”、“编译原理”、“数据结构”、“汇编语言程序设计”等课程的知识点。如在讲解“RISC结构采用的基本技术”时，其中一项基本技术是“优化设计编译系统”，涉及到常规的优化技术和手段，如将公用的子表达式消除、将常量移到循环体外等编译优化技术。在“计算机系统结构”课程中只能通过举例的方式列举某些优化技术，而详细的优化技术的原理需要学生在编译技术课程中详细学习。同样，在“中断系统”一节中，又涉及到大量的操作系统的知识，作为“计算机系统结构”课程需要重点从全局的角度讲解中断系统中软硬件是如何配合工作的及软硬件功能的分配原则。学生要清晰地掌握这个知识点，就需要在之前开设的“操作系统”、“计算机组成原理”课程中掌握其中涉及到的基本原理。因此，在讲授计算机系统结构课程时，一个很重要的问题就是如何划分同其他课程有“交叉”的授课内容。实质上这个“交叉”仅是知识覆盖面上的交叉，并不是实质的知识点的交叉。

二、教学内容改革探讨

1.与“计算机组成原理”的内容划分及协调。在同与“计算机系统结构”课程内容有“交叉”的课程中，最容易造成授课内容划分不清楚的是“计算机组成原理”课程。如何合理划分这两门课内容是课程教学组织过程中需要关注的重要问题之一。表1详细描述了“计算机组成原理”和“计算机系统结构”在教学内容和教学目标上的不同，虽然两门课程的覆盖面有一定相似之处，都包括指令系统、I/O系统、存储系统等，但是课程的授课目标和具体的知识点并不相同。“计算机组成原理”课程重点讲解基本概念和基本运行原理，而“计算机系统结构”课程主要讲授高级语言、编译、操作系统和硬件结构的关系及从量化的角度重点讲解如何优化计算机性能。如两门课程讲授内容都包括了“指令系统”，“计算机组成原理”课程重点讲解具体的寻址方式，其中包括“变址寻址”和“基址寻址”格式，而“计算机系统结构”课程则从计算机系统优化的角度引出“变址寻址”和“基址寻址”技术。在“计算机系统结构”课程的“数据表示”章节中指出，为了提高计算机的运算速度，对向量、阵列数据结构的实现提供直接支持，才增设变址寄存器硬件存放变址值，从而在指令寻址中增加了“变址寻址”方式。而“基址寻址”技术是在“程序在主存中的定位技术”章节中讲解的，其主要解决在不准修改指令地址码时如何实现逻辑地址空间到物理地址空间变换的问题，这又涉及到操作系统课程内容。所以，“计算机组成原理”和“计算机系统结构”课程在讲授内容的面上有重叠，但是讲授的目的和重点是不同的。

2.教学内容的更新.随着计算机技术的发展，近年来我们逐步从以下几个方面对“计算机系统结构”课程内容进行更新：①不断更新课程中的实例内容.我校的“计算机系统结构”课程的教学内容立足于基础性、前沿性和时代性，重视结合实际案例，与时俱进，及时吸收和反映本学科的最新研究成果，合理地维持“更新与保留”的适当比例。如讲授“指令系统的发展和改进”章节时，教材中详细描述了RISC和CISC指令集的特征，但是书中举得例子却是60、70年代在IBM 360、IBM370机器上采用的技术，学生听起来枯燥、乏味。我们对课程内容进行了适当的更新，从现在比较“火”的嵌入式智能手机的微处理器设计说起，对比采用RISC指令系统的ARM处理器和采用CISC指令系统的Atom处理器的功耗和计算性能的优缺点，来解释不同指令系统的优缺点。②加大课程内容的深度.“计算机系统结构”是将“计算机组成原理”、“操作系统”、“编译原理”、“数据结构”、“汇编语言程序设计”等课程中所需的软硬件知识有机结合起来的课程，所以在讲授课程内容时需要以问题为切入点，从高层次应用入手，逐渐深入引出本门课需要讲授的知识点。如在讲解“物理主存中信息的存储分布”知识点时，首先启发学生思考：大家在采用C语言编程声明结构体数据类型时，是否考虑了其中各种成员变量的声明顺序。也就是说当结构体中成员变量的声明顺序不同时，对计算机的存储资源会产生什么样的影响？此时就要考虑编译器为每个结构体成员变量分配内存时，做了什么事情？其中为什么要求编译器需要满足“信息在存储器中按整数边界对齐”？这样以编程语言为示例，逐层深入，最终落实到“计算机系统结构”课程需要掌握的知识点上，在这个过程中既帮助学生梳理了之前学习的专业内容，又达到帮助学生学习从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统，培养他们系统地分析和解决问题的能力的目的。③引入部分多核技术知识点.由于Intel、IBM及AMD等公司的多核技术的出现，改变了原有的片上单核处理器的架构，分别出现了同构多核和异构多核架构，这要求计算机系统结构的设计者和学习者需要充分研究多核架构技术，这样才能有助于实现程序的性能优化。为了使本科学生更多的了解多核处理器结构，针对课程的特点及难点，以单核处理器体系结构为教学基础，适当扩充片上多核处理器架构的介绍，这样保证学生扎实的掌握基础知识的同时，又可以紧跟技术发展的新方向。

一门优秀的课程，决不是一朝一夕能够建成的，其教学内容的锤炼优化、不断更新，教学方法与手段的不断探索，教材的编写和完善等无不需要长时间的不断探索、认真思考、总结经验，甚至需要几代人的努力。本文将“计算机系统结构”课程中的教学实践进行归纳总结，阐述了其中关于教学内容改革的做法，以求交流同行经验，促进课程建设更快发展。在改革教学内容的实践中，我们发现精品课的建设需要以学科建设为立足点，同样也可以建设精品课为契机，促进学科、专业的进一步发展。

参考文献：

篇3

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1672-5913 (2007) 24-0017-03

1计算机系统结构课程教学现状分析

随着计算机硬件、软件技术的发展，如何合理分配计算机软、硬件功能，最大限度地开发计算机的并行性，达到最佳性价比，是计算机系统设计人员最关心的问题。对计算机专业本科生而言，不仅要掌握计算机的软、硬件系统组成及工作原理，具备开发与应用的技能，而且还需要进一步掌握计算机系统设计的基本原理和方法。计算机系统结构正是这样一门面向计算机系统设计、性能评价与分析的课程。

计算机系统结构是为计算机专业本科生开设的一门系统分析与设计综合的课程，也是计算机科学与技术专业的核心课程。通过本课程的学习，能够使学生掌握计算机系统结构的基本概念，学会以高层建筑的观点，以应用算法、硬件、软件综合考察和分析设计计算机系统结构；培养学生以性能价格比的观点去分析、评估、设计一个计算机应用系统；使学生掌握当代迅速发展的RISC技术的主要设计思想和技巧；了解高等计算机系统结构的并行性、可扩展性及可编程性等先进技术思想，掌握最新的计算机流水技术和并行处理技术。

目前该课程的教学由于受到课时的限制，大多采用以教学为主，辅以适当的作业、定期答疑的形式进行课程的教与学。由于计算机系统结构课程与以往硬件课程相比，较为抽象，学生感到学习这门课程有一定的难度，“只说不练”限制了学生自主学习的动力，只能被动地接受知识，影响了学习效果。由于计算机系统结构在计算机专业课程链上排在计算机组成原理之后，要求学生对计算机的组成与设计有相当程度的了解。因此该课程所学的内容，不单是纯粹的理论知识，还构建在一定的计算机硬件结构上，所以有必要对相关知识点辅以实践教学，不能对所有内容太过“透明”，这样才能有助于学生更深一层掌握这门课程。

在计算机系统结构课程实践教学环节，通常采用的是虚拟化仿真软件winDLX、DLXview、SimpleScalar等，这些仿真软件都具有一定的典型性，对问题的考虑较细致，而且在软件设计上便于观测运行结果及进行性能分析。但这些软件只针对课程某一部分知识进行实践，而对于其他知识的实践缺少支撑，因此需要去熟悉每一个环境，较为烦琐。

为了提高计算机系统结构课程教学质量，结合目前在北京工业大学计算机专业本科生教学实践中采用的部分措施，我们提出了基于EDA平台的计算机系统结构实践教学的方法，并针对存储系统的课程实践进行了研讨。

2EDA平台用于课程实践

通过对国内外课程实验现状的调查分析研究后，我们对该课程实践环节进行了相应的改革，摒弃了以往在面包板上插线所进行硬件设计的实验方式，采用EDA平台进行单项实验以及最后的课程设计。通过这种实践方式避免了以往实验存在的过多“验证性”的元素，以及实验中存在的插线虚接、连线折断及无法保存个人电路设计造成实验不能间断进行的问题，这对于培养学生良好的硬件设计思维，建立系统级的概念有非常重要的意义。

由于EDA平台具有灵活性和可保存性，极大地方便了课程实践的参与者。教师可以根据课时的要求，方便地调整课程实践的方案；学生可以根据自己的时间安排课程实践。在设计过程中，每个学生可以根据需要选择课程实践中所需要的器件及芯片，按自己设计出的逻辑电路进行芯片间的连线，线路一旦连接好，不必再担心连线折断、导线虚接等问题。在此基础上，针对设计出的部件进行模似仿真，测试验证计算机整机设计结果的正确性。在课程实践测试完成后，利用存储的测试结果，提交给教师查验。可以看到，采用EDA平台，能够更好地进行计算机系统硬件的课设实验，并提高课设实验的水平及效率。

经过计算机组成原理课程实践改革，我们认为采用EDA平台方式来完成计算机系统硬件课程设计是可行的，其中硬件设计的可继承性是以往其他手段所不具备的，学生所做的单项实验可以在课程设计中继续使用，不同的功能部件设计以及不同的模型机结构带来了设计结果的多样性，学生的创造性得到了发挥，这也给我们带来了启示，能否利用计算机组成原理课程实践中的一些成果，将EDA平台引入计算机系统结构中来，使得学生在前面课程中的硬件设计不会因为课程的结束而结束，这不仅有助于课程的延续性，也有助于提高学生学习的兴趣。

为了验证EDA平台在计算机系统结构课程实践中的可行性，我们针对计算机系统结构中的Cache存储体系采用EDA平台进行了有意的探索。此内容在系统结构课程中占据着很重要的一节，通过讲述主存与Cache的地址映像方式等内容，使学生对存储系统的优化设计有更深刻的认识，能够从速度、容量、成本的角度理解不同的设计方法对提高计算机系统性能的影响。

我们依然采用计算机组成原理课程实践中使用的Quartus II平台。该平台是完全集成化、易学易用的可编程逻辑设计环境，具有硬件描述语言、电路原理图、时序图等多种文件格式输入方式，利用其提供的标准门电路、芯片等逻辑器件，完成数字电路从设计输入、编辑、编译、仿真、封装到下载的全过程。该系统强大的图形界面和完整的帮助文档，使学生能够轻松快速地掌握和使用该EDA平台进行逻辑电路及相关系统的设计。

为了避免在单项实验上花费大量的实验学时，且从课程延续性角度考虑，可以选择在计算机组成原理课程中设计的模型机上构建这个系统，在模型机总体结构上增加一个Cache模块，如图1所示。系统总体框图与模型机结构类似，除了Cache部件外，只是在控制信号微命令上有所增加。为了体现Cache的功能，模块内可以包括地址映像，地址转换，替换算法等功能部件，基本上包含了课程中所讲授的知识点。

图1 系统总体结构框图

以一个16位模型机为例，Cache采用了组相联的地址映像方式，Cache部件数据通路如图2所示。Cache的主要工作部件有Cache存储单元、块表单元、替换单元、比较单元、块表修改单元。Cache设计为地址包括每四块为一组，一共有四组，同时将内存地址设计为区号、组号、组内块号和块内地址，也是每四块为一组，一共有四组，同时分为两个区。块表存储器采用按地址访问和按相联访问两种方式工作。在块内采用相联方式访问，在块之间采用按地址方式访问，块表的容量与Cache的块数相等。替换算法采用FIFO法，完全采用硬件实现地址的映象及替换算法，每组一个模4的计数器，本组有替换时，计数器加1，计数器的值就是要被替换出去的块号。

图2 Cache部件数据通路

设计完成后编制调试程序，程序以二进制或十六进制数的形式存入主存储器的初始化文件中，在时序信号的配合下，对主机系统的整体运行进行调试。在给定机器唯一的输入信号――时钟脉冲信号CLK后，使机器自动地、连续地运行存储在主存中的调试程序。在遇到停机指令后，则停止机器运行。机器运行结束后，检测机器运行调试程序的时序模拟仿真输出波形图，以确认各条机器指令运行的正确性。

图3为部分测试波形图，图中IN为Cache部件接收的内存地址，IND为要写入的值，QB为Cache存储器的输出端，与数据暂存器和内存的存储器相连，QA为内存的输出端，与Cache的存储器相连，RB为Cache内部存储器的地址，RA为内存的地址。图中可以看到在08H时，未命中，因此装入08H~0FH的值11~18装入到Cache的18H~1FH中，波形图与设计相符。因此通过波形图可以很好地验证设计的正确性。

图3 测试波形图

在设计实现过程中，学生可以根据自己掌握理论知识的深度以及设计难度进行开发，教师可根据实现程度给出评分标准。Cache存储体系知识点较多，比如地址映像方式有直接相联、全相联、组相联等方式，替换算法有随机法、FIFO、LFU算法等，当Cache与主存不一致时有写直达法和写回法，以及对Cache性能分析时加速比的计算等。选择采用哪种算法可以由学生来选择，可以根据模型机结构，采用8位或16位通用寄存器，控制部件的设计可以采用微程序控制部件或组合逻辑控制部件的设计方式。这样通过EDA平台，可以将学生各自的设计思想体现出来，加强了计算机系统结构课程的生动性。

3结论

本文通过对计算机系统结构课程教学现状的分析和研究，结合目前在教学实践中已采用的部分措施，提出了在计算机系统结构课程中采用EDA平台进行相关课程实践的方案。通过采用EDA平台，可以将学生各自的设计思想体现出来，加强了计算机系统结构课程的生动性，有助于提高学生学习的兴趣，还能够在一定程度上提高学生的实践能力。采用EDA平台对Cache存储系统进行课程实践，对计算机系统结构课程的其他知识点的实践起到了一个先导的作用。

参考文献

[1] 郑纬民，汤志忠. 计算机系统结构[M]. 北京：清华大学出版社，1998.

[2] 易小琳等. 基于EDA平台的计算机系统硬件课程虚拟化实践的研究[J]. 中国大学教学，2005，(7).

[3] 易小琳等. 网上计算机系统虚拟实验室的研究[J]. 计算机工程，2002，(11).

[4] 易小琳，朱文军，鲁鹏程. 计算机组成原理实践教程―基于EDA平台[M]. 北京航空航天大学出版社，2006.

作者简介

鲁鹏程(1976-)，男，讲师，计算机系统结构教研组教师，博士，目前研究方向为计算机系统结构及嵌入式系统。

易小琳(1959-)，女，高级工程师、计算机系统结构教研组主讲教授，硕导，目前研究方向为计算机系统结构及嵌入式系统。

朱文军(1974-)，男，讲师，计算机系统结构教研组教师，博士，目前研究方向为计算机系统结构及嵌入式系统。

方娟(1973-)，女，副教授，计算机系统结构教研组教师，博士，目前研究方向为计算机系统结构及网络。

毛国君(1966-)，男，教授，计算机系统结构系主任，博士，目前研究方向为计算机系统结构及数据挖掘。

联系方式：北京工业大学计算机学院，北京朝阳区平乐园100号，100022，鲁鹏程

篇4

课程代码：02325

请考生按规定用笔将所有试题的答案涂、写在答题纸上。

选择题部分

注意事项：

1.答题前，考生务必将自己的考试课程名称、姓名、准考证号用黑色字迹的签字笔或钢笔填写在答题纸规定的位置上。

2.每小题选出答案后，用2B铅笔把答题纸上对应题目的答案标号涂黑。如需改动，用橡皮擦干净后，再选涂其他答案标号。不能答在试题卷上。

一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1分，共10分）

在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其选出并将“答题纸”的相应代码涂黑。错涂、多涂或未涂均不得分。

1.以下能够直接执行微指令的是

A.汇编程序 B.编译程序

C.硬件 D.固件

2.系列机软件应做到

A.向前兼容，并向上兼容 B.向后兼容，力争向上兼容

C.向下兼容，并向前兼容 D.向后兼容，力争向下兼容

3.在浮点数尾数下溢处理时，误差，但下溢处理不需要时间，平均误差又趋于0的方法是

A.截断法 B.舍入法

C.ROM查表法 D.恒置“l”法

4.在IBM370系统中，支持操作系统实现多进程公用区管理最有效的指令是

A.“测试与置定”指令 B.“比较与交换”指令

C.“执行”指令 D.“程序调用”指令

5.采用组相联映像、LRU替换算法的Cache存储器，不影响Cache命中率的方法是

A.增加Cache中的块数 B.增大组的大小

C.增大主存容量 D.增大块的大小

6.采用组相联映像的Cache存储器，可用于地址变换的方法是

A.目录表法 B.比较对法

C.页表法 D.堆栈法

7.ILLIAC-IV阵列处理机中，PE之间所用的互连函数是

A.PM2±0和PM2±3 B.Cube0和Cubel

C.Shuffle D.PM2±2

8.并行处理机有16个处理单元，编号为0～l5，采用shuffle单级网络互连，与13号处理单元相连的处理单元的编号是

A.15 B.11

C.9 D.7

9.间接二进制n方体网络是一种

A.多级混洗交换网络 B.单级立方体网络

C.多级全排列网络 D.多级立方体网络

10.多处理机程序段的指令之间存在数据反相关时，下列说法正确的是

A.不能并行 B.适当同步控制，可以并行

C.可以交换串行 D.若指令满换律，可以交换串行

非选择题部分

注意事项：

用黑色字迹的签字笔或钢笔将答案写在答题纸上，不能答在试题卷上。

二、填空题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）

11.从计算机执行程序的角度看，并行性等级由低到高可分为________、________、任务或进程间和作业或程序间四级。

12.浮点数尾数基值增大，可使运算中的精度损失________，可表示数的精度________。

13.中断系统软硬件功能分配实质是中断________软件和中断________硬件的功能分配。

14.数据宽度是指I/O设备取得________后所传送数据的总量；数据通路宽度是________的物理宽度。

15.虚拟存储器主要是为解决主存________满足不了要求发展出来的；Cache存储器是为了解主存________满足不了要求发展出来的。

16.虚拟存储器对________程序员是透明的，对________程序员是不透明的。

17.解决重叠相关处理的两种基本方法是推后________和设置________。

18.按多功能流水线的各段能否允许同时用于多种不同功能连接流水，可把流水线分为________流水线和________流水线。

19.N个处理单元的混洗交换网络中，最远的两个人、出端的二进制编号是________和________，其距离为2log2N—l。

20.松耦合多处理机可以有________型和________型两种构形。

三、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）

21.简述通道的3种类型各适合连接什么类型设备，说明各种类型通道在满负荷时的实际流量与所连接设备的关系。

22.简述并行性从计算机系统处理数据的角度划分的四个等级，并各举一例。

23.简述透明性概念，说明下列哪些对于计算机系统结构是透明的。

浮点数据表示；字符串运算指令；阵列运算部件；通道是采用结合型还是独立型；访问方式保护；数据总线宽度；Cache存储器；存储器的最小编址单位；存储器的模M交叉存取，串行、重叠还是流水控制方式。

24.简述数据表示和数据结构之间的关系及引入高级数据表示的基本原则。

25.简述实现指令的重叠解释必须在计算机组成上满足的要求。

四、简单应用题（本大题共2小题，每小题10分，共20分）

26.机器有5级中断，中断响应次序为12345，现要求实际中断处理次序为23154。

(1)设计各级中断处理程序的中断级屏蔽位的状态，令“0”为开放，“l”为屏蔽；

(2)若运行用户程序时，同时发生1、3级中断请求，而在l级中断服务未完成时，又发生2、3、4、5级中断，请画出处理机执行程序全过程的示意图（标出交换PSW的时间）。

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

写出用FORK、JOIN语句表示其并行任务的派生和汇合关系的程序，以假想使此程序能在多处理机上运行。

五、综合应用题（本大题共2小题，每小题10分，共20分）

28.有一个4段的单功能非线性流水线，其预约表如题28表：

题28表

时钟

时钟 段号t1t2t3t4t5t6

S1√√

S2 √√

S3 √

S4 √

(1)分别写出延迟禁止表F，冲突向量C，并画出冲突向量的状态转移图；

(2)写出其流水线的调度方案及此时的吞吐率。

篇5

计算机系统结构是计算机科学与技术本科专业的一门专业基础课，该课程介绍计算机系统中硬件和软件的功能结构及相互转换关系，分析了现代计算机的体系结构，讨论了计算机系统结构的理论和相关技术。从原理、结构和实现技术等方面，侧重对RISC结构、流水线结构、阵列处理机、多处理机系统、智能计算机结构等现代计算机的系统结构进行了较深入的分析和探讨，使计算机专业的学生具有计算机系统结构的基础理论知识和培养学生具有一定的体系结构技术应用能力。为今后从事计算机系统及其应用的研究、开发、工程实现有重要的指导意义。

但这样的一门课程，学生的学习积极性不高，与学生交流时，多数同学认为理论性太强，难度大，更主要的原因是在学生的思想认识上，认为学了没用。于是在课堂上不认真听讲，看一些自己认为有用的书，甚至出现逃课现象。也许是处于各种原因，在一些高校计算机系统结构这门课已经从教学计划中抹掉了，或者把它与计算机组成原理结合，可能只占很少的份额。在2010年5月9日，由教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导分委员会和高等教育出版社组织召开福建省高校计算机专业课程建设研讨会上，其他高校也同样存在学生对这门课的学习积极性不高，对应的实践教学难以开展的问题。

如何寻找这门课程的出路，提高教学质量、教学效果，激发学生的学习兴趣呢？其实计算机系统结构的理论和相关技术与SOPC(可编程的片上系统)有着紧密的联系。SOPC是一个面向应用、崭新的、富有生机的嵌入式系统。在计算机系统结构教学中，将课

本的理论知识结合到SOPC的应用开发，加强理论与实践相结合，增加应用型实践教学，必将能激发学生的学习兴趣。

1SOPC的系统概述

随着IC设计和工艺水平不断提高，在一个半导体芯片上完成系统级的集成已成为可能，数字技术进入片上系统SoC(System on Chip)时代。SOPC是Altera公司提出来的一种灵活、高效的SoC解决方案，它将CPU、存储器、I／O接口、DSP模块、低电压差分技术(LVDS)、时钟数据恢复技术(CDR)以及琐相环(PLL)等系统设计所必须的模块集成到一片FPGA上，构成一个可编程片上系统。SOPC是PLD和ASIC技术的融合的结果。它具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能，是半导体产业未来发展的方向[1]。

实现SOPC的一种解决方案是应用FPGA生产厂商Altera公司推出的NiosⅡ嵌入式处理器。NiosⅡ是一种面向用户的可以灵活定制的通用RISC(精简指令集架构)的嵌入式CPU，NiosⅡ以软核的方式提供给用户，并专为在Altera的FPGA上实现优化，用于SOPC集成并在FPGA上实现。用户根据设计要求，利用QuartusⅡ和SOPC Builder对NiosⅡ及其系统进行构建，使嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等全方面满足用户系统设计要求。另外在基于NiosⅡ软核嵌入式的SOPC系统设计中可以通过定制指令的方式，为嵌入式处理器配置专有硬件加速器，以便能更有效地处理含有算法模型的程序，从而可以利用FPGA的可重配置的特性向FPGA配置相应的嵌入式系统，从而使SOPC系统高效高速工作。

SOPC在应用和理论知识构成上达到了一种有机融合，由于同时涉及底层的硬件系统和相应的软件设计，SOPC技术使开发者能够在软硬件系统的综合与构建两个方面发挥自己的创造力和想象力，从而多角度、多因素和多结构层面对自己的设计进行优化。SOPC从设计层次上讲分为硬件设计和软件设计；从设计流程上讲是典型的自顶向下的流程；从设计手段上讲，它更广泛和深入地利用计算机这一科研开发的主流技术，在这一平台上设计者可以最大限度地优化系统的性能。SOPC系统的开发流程如图1所示[2]。

图1SOPC系统开发流程

2应用型硬件平台搭建

实验室原有的设备只能用实验箱进行验证性的实验，各种实验集中在一个实验箱上，线路繁杂，出错率高，且设备陈旧，实验的成功率很低，不能达到预期的目的和效果。在这种条件下，要让学生完成某种模型机的设计难度较大，没有多大的实用价值，不能激发学生的兴趣。搭建一个基于FPGA的SOPC嵌入式系统硬件平台，在这样一个具有设计灵活，可裁减、可扩充、可升级并具备软硬件系统可编程的功能系统上，学生可以更自由发挥。利用现有的IP核进行裁剪，设计自己需要的CPU，根据需要增设特殊的功能指令，实用性强，难度不大，有利于激发学生的兴趣。

硬件平台以满足实验最基本需要为主，提供一个简单、清晰和接线方便的FPGA最小系统，降低硬件系统的复杂性，最小系统实验平台如图2所示。系统的核心芯片采用Altera公司的FPGA芯片Cyclone EP1C6,它具有9 800个逻辑单元，用户I/O有185个，使用最新型的AS配置方式，配置芯片EPCS4。一个JTAG接口和一个AS接口用于系统的调试和下载，Flash闪存用于存储嵌入式操作系统uCLINUX和用户数据程序。该实验平台，学生可以创建一款不管在外设、存储器接口、性能特性等方面，以及在成本上都较为完美的处理器；可在一片FPGA内部实现多个处理器内核的设计；流水线的应用设计；uCLINUX嵌入式操作系统的移植等应用型操作。

图2最小SOPC系统实验平台

若需要有RS232、以太网、VGA、音频接口和USB2.0接口等，可以扩展一块副板，主板与副板间通过扩展I/O连接。

3应用型课程实践项目

从原理、结构和实现技术等方面，将RISC结构、流水线结构、多处理机系统和存储器的理论知识和相关技术结合到一个面向应用、崭新的、富有生机的SOPC嵌入式系统上，可从以下几个方面将课本的理论知识与SOPC系统结合。

1)Nios II处理器设计。

NiosⅡ嵌入式处理器是一种面向用户的可以灵活定制的通用RISC(精简指令集架构)的嵌入式CPU，Nios II以软核的方式提供给用户，并专为在Altera的FPGA上实现优化，用于SOPC集成并在FPGA上实现。学生通过使用Altera的QuartusII软件、SOPC Builder工具及NiosⅡ集成开发环境(IDE)，将Nios II处理器嵌入到SOPC系统中。从系统的性能要求、从软硬件取舍的基本原则、从计算机系统的定量设计原理等方面的计算机系统结构的理论知识，来确定是否要为嵌入式处理器配置专有硬件加速器；如为嵌入式处理器配置专有硬件乘法加速器，以便能更有效地处理含有算法模型的程序，从而使SOPC系统高效高速工作。另外，根据需要为Nios II系统添加片内存储器、PIO、UART和片外存储器接口等。通过这个实验可以让学生加深对所学的理论知识的理解和应用，同时也加深了对计算机系统的理解。

2)μClinux操作系统的移植。

此项实验主要用嵌入式操作系统来验证自己定制的NiosⅡ嵌入式处理器是否可行，操作系统的移植是SOPC的一个组成部分。时也可与ARM等硬核嵌入式处理器做个比较。

3)流水线的应用设计。

利用流水处理机的工作原理，加快单位时间串行的任务数。这是也开发并行性的途径之一时间重叠，时间重叠(Time Interleaving)是在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。在这个应用设计中，可以让学生完成流水线加法器的设计、流水线乘法器的设计、流水线技术的FIR滤波器等应用型实验[3]。从而提高学生对流水处理机相关知识的理解。流水线加法器和流水线乘法器属于流水线分类中的部件级流水，流水线分类的概念在这也得以体现。

4) 多核系统的设计。

所谓多核是指在一个处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核从而提高运行速率和降低能

耗，实现横向扩展提高性能)多核架构能够使目前的软件更出色地运行。并创建一个促进未来软件编写更趋完善的架构[4]。SOPC Builder允许用户轻松添加多个处理器到系统中。因此建立多处理器系统的难点已不再是硬件的排列和连接。而在于多个处理器的软件设计，使它们正常操作，相互之间不产生冲突。

在课程中讲授多处理机的知识。多处理机是指有两台以上的处理机，共享I/O子系统，机间经共享主存或高速通信络通信，在操作系统控制下，协同求解大而复杂问题的计算机系统。使用多处理机有两个目的，一个目的是想通过多台处理机对多个作业、任务进行并行执行来提高求解大而复杂问题的速度，从而提高系统的整体性能。另一个目的则是使用冗余的多个处理机，通过重新组织来提高系统的可靠性、适应性和可用性。多核和多处理机系统有很多相同的地方，可让学生应用多处理机的知识解决多核协调处理的问题。

4结语

计算机系统结构课程的理论和相关技术应用于SOPC系统远不止这些。随着SOPC系统的应用发展，计算机系统结构课程教学将会被更多人所重视。开展应用型实践教学，适当减少理论教学，或通过实践教学使学生自觉学习理论知识，而不是被动学习。学生能够学以致用，对激发其学习兴趣，提高毕业设计水平、工作就业质量等，都将起到积极的作用。

参考文献：

[1] 华清远见嵌入式培训中心．FPGA应用开发入门与典型实例[M]．北京:人民邮电出版社,2008:269-273．

[2] 任爱锋,初秀琴,常存,等．基于FPGA的嵌入式系统设计[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2004:197-198.

[3] 崔秀敏．基于FPGA的流水线技术设计与实现[J]．科技信息,2010(7):76-77.

[4] 李欢,王莉莎,董丽丽．基于FPGA的多核嵌入式系统研究[J]．现代计算机,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

《计算机系统结构》是计算机学科体系的一门重要课程，它是以算法为核心，语言为描述，硬件和软件作为实现工具的互为联系又互为制约的结构技术。课程以计算机系统结构中硬中有软、软中有硬、相互转换、彼此渗透的观点，从原理、结构和实现技术等方面系统地对现代计算机的并行处理进行深入的分析和探讨，使学生建立起“整机”概念，培养其具有一定体系结构技术的应用能力。“计算机系统结构”涉及到多门其他专业课如《数据结构》、《计算机组成原理》、《操作系统》的知识，是一门综合性很强的课程，非常典型地体现出计算机学科互相融合的特点。通过该课程的学习能够提高学生系统思维和综合分析的能力，努力提高这门课程的教学质量有着重要的意义。

由于“系统结构”内容抽象，不易理解，且目前各高校在该课程的教学中实践环节的设计都比较薄弱，有的院校甚至没有安排实验，因此难以激发学生的学习兴趣，教学难度比较大。因此，需要在目前的教学条件下，综合应用多种教学方式和手段，引导学生积极思考和自主学习。

二、课程教学改革总结

（一）课程教学改革的基本思路

教学过程中教师不单要教会学生课程的知识，更重要的是教会学生如何思考，如何进行创造性思维。具备了创造性思维能力，学生不仅可以学会教师传授的知识，而且能够触类旁通，举一返三，在自身的思维实践中获取更多的知识。教师为学生服务，以培养学生的能力为目标。在师生角色上，教师是主导，学生是主体，主要采用“引导”的方式进行教学，把学习的主动权交给学生。

（二）课程教学内容的安排

以教学大纲为根据安排本课程内容，着眼于有关计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，同时适当介绍近几年来系统结构的重要进展和今后的发展方向。课程选择西安电子科技大学出版社出版的《计算机系统结构》（第四版，李学干编著）作为教材，该书曾获得国家级优秀教材一等奖和优秀教学成果二等奖，内容丰富，配有学习指导和大量习题。

本课程的主要内容包括：计算机系统结构的基础理论、数据表示与指令系统、输入输出系统、存储体系、重叠与流水和并行处理机等。以前面五个部分为重点教学内容，讲解时注意与先修课《计算机组成原理与数字逻辑》的衔接，特别要体现出“系统结构”侧重于设计方法和设计思想的描述这个不同点。

（三）课程教学手段的运用

（1）树立明确的学习目标

在课程正式开始之前先对“系统结构”的主要内容、学习重点和基本学习方法作一个总体性介绍，使学生对该课程有一个大致的认识；在课程的每一章开始讲解之前，首先也要明确指出这一章的学习目标，让学生把这个目标贯穿在学习过程中。例如，第一章系统结构的基础理论就是要抓住系统结构的基本概念、系统结构、组成与实现的关系以及软硬取舍的基本原则、计算机系统的设计思路；第四章存储体系的学习目标就是要理解虚拟存储器和高速缓冲存储器的管理方式与原理。如此，学生学习的目的更加明确，更容易抓住学习的重点。

（2）多种教学方式相结合

课堂教学宜采用多媒体教学与传统板书教学相结合的方式。多媒体教学无疑是目前高等院校普遍采用的优秀教学手段，以其形象的图文与特效演示对于加深学生理解知识点很有帮助；而传统板书教学也有其适用的场合，比如在介绍指令系统操作码的哈弗曼编码、发生中断时程序的运行过程以及流水线时-空图画法时就应该采用板书来演示，这样不仅能与学生有良好的互动，还能够更清晰地讲解知识要点。

另外，课外时间可以充分利用网络来强化教学效果，比如，利用论坛教学课件、提供阅读资料，利用电子邮件进行答疑辅导，这些对拓展学生的知识面、提高教学效率很有好处。

（3）启发式教学，注重能力的培养

“系统结构”是一门理论居多的课程，单向灌输算法思想必然不利于知识的掌握。授课时应多采用设计提问，启发思维的教学方法，引导学生自己去发现问题、分析问题和解决问题。

在教学工作中，还要注意培养学生良好的学习方法和自学能力。引导学生在学习过程中不断总结自己的学习方法，学会运用各种手段来获取知识，例如，可以布置学生课外通过查找资料完成有关“系统结构”最新发展的小论文。

三、课程教学改革实践案例

（1）堆栈型替换算法原理的教学案例

在存储体系这一章中，虚拟存储器替换算法的实现是教学的重点，同时也是难点。如果按照教材内容编排的顺序，直接给出抽象的逻辑表达式介绍堆栈型替换算法的定义，势必不利于学生对算法的理解。取而代之，先举出实例，比如使用LRU法对页地址流进行一次堆栈处理，从处理结果总结出主存页数与命中率的关系，由此来说明命中率随主存页数的增加而单调上升，至少不会下降[1]，具有这种特性的算法就称为堆栈型替换算法。此时再引出逻辑表达式，将表达式的各个部分与实例相对应，进行归纳，给出堆栈型替换算法的定义，这样，学生就顺理成章地理解了算法的内涵。从教学效果来看，绝大部分学生能够准确地掌握该替换算法的涵义和替换过程。

（2）改进指令系统的教学案例

在数据表示与指令系统这一章中，介绍指令系统设计和改进的两个主要方向时，CISC和RISC是一对需要学生重点理解的概念。前者是按增强指令功能的方向发展指令系统，而后者是按简化指令功能的方向改进指令系统。学生应该了解两者设计思想有哪些不同点，CISC和RISC分别采用哪些基本技术，有哪些典型的应用，它们分别存在哪些不足和问题，为什么说今后的发展应是CISC和RISC的结合。为了说明这些问题，可以让学生自己去查找实例资料，了解IBM 370、Intel i486、IBM6150、Intel i860这几个处理机采用的技术，让他们自己去分析查找答案。通过这种教学方式，不仅加深了学生对知识的理解，而且提高了他们查阅资料的能力。

另外，其他章节也有可以扩展的问题，比如，第7章多处理机的讲解可以结合目前热门的多核处理器，这两者的主要问题是一致的；更进一步地，可以让学生去了解单芯片多处理器(CMP)与同时多线程处理器(SimultaneousMultithreading，SMT)，这两种体系结构可以充分利用指令级并行性和线程级并行性，从而显著提高性能。

四、结束语

篇7

中图分类号:G642 文献标识码:B

精品课程建设是教育部启动的“高等学校教学质量与教学改革工程”中的一项重要内容,是提高教学质量进而提高人才培养质量的奠基性工作。我校2008年开始启动“校级精品课程建设计划”,我院的“计算机系统结构”课程被评为首届校级精品课程。下面就课程定位、教学体系建设、知识模块、教学模式、相关教学研究等方面介绍对该课程建设的探索与实践。

1课程的基本定位和教学目标

在计算机专业人才需求越来越多的情况下,北京市对计算机硬件相关的技术人员也加大了需求量,在这样的形势下,我们建立了新的计算机硬件课程体系,对“计算机系统结构”课程的定位也越来越明确。我校的计算机专业主要为北京市培养计算机应用型人才,学生的就业取向大多数是北京市的高新技术企业。因此,我们从教学计划、教学大纲、教学平台、实验设计平台和工具等方面均做了改革和调整,以适应形势发展的需要。具体措施为:

(1) 通过“数字逻辑”解决数字逻辑电路的基本概念和原理;

(2) 通过“数字系统设计”等课程让学生掌握现代的数字系统设计平台和工具(EDA、FPGA等),以及简单电子部件的设计技术;

(3) 通过“计算机组成原理”解决计算机的基本组成原理与技术问题;

(4) 通过“计算机接口技术”、“高档微机系统”课程使学生掌握微机应用系统设计和调试基本概念和方法,提高学生工程素质和设计、技术创新等方面的基本知识。

“计算机系统结构”课程的教学目标是使学生在计算机应用系统和分析设计中,理解软硬界面分配及如何最佳、最合理地分配硬件功能,即提高系统的性能价格比方面的知识;“嵌入式系统”等系列课程,让学生在“嵌入式系统”、“微机系统及接口”等面向应用的专业方向上进行学习和实践。

在“计算机系统结构”的教学中,以提高计算机的性能价格比为重点,辅以计算机系统结构发展中的新技术,如流水线技术、并行技术等,最终的目标是提高学生从总体结构、系统分析这一层次来研究和分析计算机系统的能力,帮助学生建立整机系统的概念;使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计方法,掌握基本的性能分析方法,特别是量化方法;并对计算机系统结构的发展现状有所了解。本课程强调培养学生的抽象思维能力和自顶向下、系统地分析和解决问题的能力,强调培养学生的创新思维和创新能力。

2知识模块顺序

本课程在建设中注重知识更新、创新教育,在2008年5月我校正式获得批准成为《英特尔“多核技术课程”大学计划》合作伙伴,成立了“北京工业大学――Intel多核技术实验室”,并得到Intel公司的多核服务器及相关软件的捐赠,在此基础上,本课程在授课过程中增加了多核技术的内容,使学生在课堂上能接触到更多的新知识。具体知识模块顺序如下:

(1) 计算机系统结构的基础知识:计算机系统结构的基础知识以及与计算机组成、计算机实现之间的关系,并对计算机系统结构未来的发展做相应的介绍。

(2) 指令系统:计算机指令系统的设计是计算机系统结构设计的核心问题,从系统结构的角度介绍指令系统及与之相关的数据表示和寻址技术等。

(3) 存储系统:计算机系统结构设计中的关键问题之一是如何以合理的价格、设计容量和速度满足计算机系统要求的存储器系统。本模块从存储层次出发,介绍多级存储体系及各级存储器。

(4) 流水线处理技术:本章主要介绍流水线技术的基本概念、工作方式、流水线的分类和流水线在向量处理机中的应用。

(5) 并行处理技术:并行处理技术的发展及应用,互连网络的基本概念、几种典型的互连网结构和消息传递机制。

(6) 多处理机及新型计算机系统结构:多处理机模型和基本结构,多处理机结构、性能和实例,介绍数据流机、归约机和智能计算机等的工作原理、结构、特点等。

(7) 多核技术:多核处理器的基本概念、分类和工作原理。

3建立理论与实践相结合的教学体系

本课程在近几年的建设中,针对原课程计划中没有实验的缺陷,通过加强对国内外大学该课程进行调查和研究,建立了本课程的实验体系。通过两部分的实验来加强学生对计算机流水线技术的理解。具体实验内容是:

(1) 在掌握基本原理的基础上,通过使用WinDLX模拟器对流水线处理和指令调度进行测试,加深对数据相关、资源相关的理解,了解这两类相关对CPU性能的影响以及如何用定向技术来解决。

(2) 设计四个流水线功能段的设计与实现的实验,包括取指、译码、执行、写回阶段,分析并设计流水线CPU各功能段的基本硬件结构,并用Verilog HDL硬件描述语言加以实现,进行实验结果分析,最后提交规范的实验报告。随着实验的不断完善,未来将增加多核方面的实验。实验体系的改革使本课程的教学过程更加完整,学生能够从实验中加深对计算机系统结构领域的技术的理解,使抽象的内容变得具体化。

本课程的实验为8学时,具体实验内容如表1所示:

由于学时的限制,上述实验中1、2为必选题目,3～6可以任选一个。

4启发式教学模式的建立

新教学模式的建立打破了以往纯粹课堂讲授的方式,采用创新型的教学模式:启发式课堂讲授、主题讨论、自主学习三种方式的结合。启发式教育的核心就是要培养学生独立思考和创新思维。在课堂中,每章节均设置相关的思考题和与前沿技术有关的研究性专题,鼓励学生自主查阅资料,提出问题,增强师生互动。在此过程中,突出自主学习和研究性学习,全面提高学生的思维能力、解决问题的能力以及创新能力。教学过程模型如图1所示:

在上述基础上,还采用了课堂授课与网络学习相结合的方式,将多种现代教学媒体与自主开发的多媒体课件、课程教学网站优化组合,构建课堂授课与网络学习的多媒体网络教学环境。“计算机系统结构”教学网站为学生提供了丰富的教学资源和良好的交流平台,如提供教学大纲、教学内容、教学团队、教学录像、教学课件、参考教材、习题与作业、自测题等资源;网站除了为课程提供基本的信息外,强调教师与学生的互动交流,教师可以针对核心问题设置分组,论坛帖子置顶,推荐精华帖,公告,设置论坛风格等;学生可以针对某个问题发帖讨论,站内搜索,收藏帖子等;论坛的数据库进行定期自动备份(如一天一备份),同时可以以一周或几天为单位,自动删除前一周或几天的数据库备份文件,达到既维护数据又不使备份数据过大的目的,满足论坛的持续性和扩展性的要求。

5结语

随着精品课程建设的不断推进,课程组的教师在教材建设、教学研究方面都取得了优秀的成果,目前由课程组合著的《计算机组成原理与汇编语言》、《高档微机原理与技术》等教材均已在清华大学出版社出版,并列入国家“十一五”规划教材;《计算机系统结构》一书也于2009年在清华大学出版社出版。由课程组的老师主持的三项教育教学项目现已通过学校中期验收,相关老师也在该课程的教学改革中不断提出新的思路,力争在不断的建设中使该课程达到北京市精品课程的标准。

参考文献:

篇8

计算机系统结构教学存在如下问题:(1)教学内容涉及数字逻辑、计算机组成原理、操作系统、编译原理、数据结构、汇编语言程序设计等专业课,综合性强,概念多而抽象;(2)教材内容无法与新技术发展同步;(3)实验教学缺乏。上述三个问题导致了教师授课难和学生学习难的两难局面。为此,本文将基于理论讲授、专题讨论和开放性实验的“三位一体”教学法引入到计算机系统结构的授课过程中。利用精心组织的课堂讲授解决授课内容综合性强,概念抽象的问题;在授课过程中穿插专题讨论,让学生立足于经典的设计方法,探讨新技术的发展;合理安排开放性实验,理论与实践相结合,进一步提高教学效果。

1授课内容安排和授课方法探讨

计算机系统结构与计算机组成原理在课程内容上有一定的重叠,明确两门课程的授课内容,既避免内容上的重复,又保证课程之间的无缝衔接,是提高授课质量的前提。计算机组成原理主要研究计算机各功能部件的组成和工作原理,以及各部件之间的协同工作。计算机系统结构着重介绍如何最佳、最合理的实现软硬件的功能分配。计算机组成原理强调部件细节,而计算机系统结构强调系统全局,重点阐述高级语言、编译、操作系统和硬件结构的关系,及性能分析中各方面的影响,避免对软件层面的忽视[4]。

合理安排系统结构课程的授课过程是提高授课质量的重点。根据授课经验,各知识模块的安排顺序如下:计算机系统结构的基础知识、指令系统、流水线处理技术、存储系统、输入输出系统、多处理机技术。计算机系统结构基础中主要介绍计算机系统结构的概念,包括经典定义和广义定义;计算机系统设计的量化方法,包括Amdahl定律、常见事件优先原则、程序的局部性原理等。指令系统中主要明确指令集在计算机系统中的位置;指令集设计的基本准则,重点介绍RISC和CISC设计的出发点和特点。流水线处理技术中重点介绍流水线性能指标及计算方法;流水线设计时遇到的一些相关和冲突问题,阐述这些问题产生的原因、造成的性能损失和相应的解决方法。存储系统中主要介绍存储层次存在的原因;衡量存储层次的性能指标;Cache优化技术,包括从失效率、失效开销、命中时间等三个方面进行优化的,并在实际中广泛采用的技术;采用一个实例如Alpha 21064或者Opteron介绍经典的存储层次,对前面所阐述的各种存储技术和思想进行总结,加深同学们的理解。输入输出系统中重点介绍输入输出系统的重要性以及RAID。多处理机系统重点介绍Cache一致性问题。

采用适当的授课方法,运用合理的教学手段是提高授课质量的灵魂。由于计算机系统结构课程综合性较强,概念抽象,难以理解。采用传统教学方式,学生会感到枯燥无味,无法维持学习兴趣。因此在教学过程中采用了各种方法激发学生的学习兴趣。比如对于在讲解存储系统中Cache的映像规则时,同学们对于“直接映像”、“组相联”、“全相联”这几种映像规则相联度越高,利用率越高,但是查找越复杂的特点不好理解。此时,可以用同学们进入教室时是按照学号入座还是随便坐的例子来很方便的理解这些特点。

2穿插专题讨论

本课程中引入专题讨论主要基于一下两方面原因。

一方面计算机系统结构技术发展很快,方向很多。但是不可能在原有授课体系中加入过多新技术,也没有更多的课时来系统讲授新技术。另外,教学内容中对新技术的补充有时是把“双刃剑”,教学内容既要跟上技术的发展,是知识不致落伍,又有保证教给学生的是立足于经典知识的思维方法,而不是熟练某些技术细节[4]。为了解决这个问题,我们可以采用专题讨论的形式。每当完成某一章或者某一部分的讲解之后提出相关知识的讨论题目,同学们基于已经学习的基本技术、基本思想,查阅参考资料,对新知识、新技术进行探究,思考,乃至预测其发展方向,并以文献综述、调研报告的形式总结自己的观点,然后在课堂上交流讨论。题目的选择要适当,既新颖又要注意知识的衔接,比如在微处理器结构方面的“指令融合”、“间接转移预测”;存储结构方面的“混合写回策略”;多处理机结构方面“高性能计算机体系结构发展”等。

另一方面,这也是大学教育中以学生为主体,教师为主导思想的具体体现。并且计算机系统结构课程开设在大三下学期或者大四上学期,具有了一定的专业基础。通过引入专题讨论,可以启发学生独立思考,发展学生的逻辑思维能力和独立解决问题的能力。而当学生经过认真的思考,对讨论题目深入理解后,他乐于将自己的成果与同学们分享,从而感染其他学生进一步提出自己感兴趣的问题参与讨论。这样就可以加深学生对于知识的掌握程度,提高学习兴趣[6]。

3实验设计

计算机系统结构课程理论性较强,课程中的流水线技术及相关问题、指令动态调度、存储层次等内容比较抽象,使得学生在学习过程中难以理解,影响学习兴趣。通过实验研究对系统结构进行量化分析,从而更好理解相关内容,是国际上流行的一种方法。

当前国内外存在多种实验方法和手段。有的使用硬件,有的使用软件;有的侧重I/O部分,有的侧重流水部分;有的侧重实际设计,有的侧重理论理解。通过多年的教学研究,本课程组倾向于实验中主要使用模拟器进行模拟实验,帮助学生理解抽象的理论内容,对于流水线、Cache设计实验进行讲解后由学生课下完成。

对于实验内容,以帮助理解理论内容为目的,根据本文第二部分中阐述的课程内容进行安排,主要包括流水线冲突、指令调度、分支延迟、Cache性能分析、Cache一致性协议等。对于具体实验步骤,本文不再展开。

4结语

综上,通过引入三位一体教学方法,在计算机系统结构课程教学中实现了理论和实践相统一,以教师为主导和以学生为主体相统一,新知识新技术与经典思想相统一,较好的解决了该课程教学中存在的部分问题,提高了该课程的教学质量。

参考文献

[1] John L.Hennessy,David puter Architecture:A Quantitative Approach[M].4th ed.san mateo,CA:Morgan Kaufmann Publishers,2007.

[2] 张晨曦,王志英.计算机系统结构(第3版)[M].北京:高等教育出版社,2008.

[3] 张晨曦.计算机系统结构实践教程[M].北京:清华大学出版社,2010.

[4] 姜晶菲,肖侬,王志英,等.“计算机体系结构”课程建设及改革思考[J].计算机教育,2009(18):3～5.

[5] 方娟,毛国君,朱文军.“计算机系统结构”校级精品课程建设的探索和实践[J].教育与教学研究,2009(24):52～54.

[6] 曲大鹏,薛建生,范铁生.启发式教学法在《计算机系统结构》教学中的应用[J].辽宁大学学报,2010,37(3):218～220.

篇9

中图分类号：TP391 文献标识码：A

1使用应用程序完成特定任务的计算机用户成为最终用户

在最终用户眼中，早期的计算机非常昂贵，只能由少数专业化人员使用。但是到了20世纪80年代个人计算机迅速普及，以及20世纪90年代初多媒体计算机的广泛应用，特别是互联网技术的发展，计算机已经成为了人们日常生活中的重要工具。计算机最终用户使用键盘和鼠标等外设与计算机交互，通过操作系统提供的用户界面，启动执行应用程序或系统命令，从而完成用户任务。因此，最终用户能够感知到的只是系统提供的简单人机交互界面和安装在计算机中的相关应用程序。

2计算机在系统管理员眼中的存在

系统管理员作为管理和维护计算机系统的专业人员，相比于普通的计算机最终用户而言，对计算机系统的了解要深入得多。必须能非常熟悉操作系统提供的有关系统配置和管理方面的功能、系统管理员必须能够解决，很多普通用户解决不了的问题，还要必须能安装配置、维护系统的硬件和软件，能建立和管理用户账户，需要时能够升级硬件和软件，备份和恢复业务系统和数据等，软件配置和系统管理层面以及相关的使用程序，系统管理员能感知到的是系统中部分硬件层面，以及相关实用程序和人机交互界面。在开发操作系统，编译器和实用程序等系统软件时、需要能够熟悉计算机底层和相关硬件和系统结构，甚至还需要直接与指令系统和计算机硬件打交道。比如：“对各种控制计算器I/O接个口、用户可见集成器直接进行编程和控制、所以系统程序员有时还要直接用汇编语言等低级程序，设计语言编写程序代码，必须熟悉指令系统、及其结构和相关几期功能特性”。

3计算机在应用程序员眼中的存在

计算机系统除了计算机硬件、操作系统提供的编程接口（API）、相应的程序语言处理系统和人机交互界面、还包括实用程序，这是应用程序员所看到的计算机系统。高级程序设计语言（High level programming language）是指面向算法设计得较接近于日常所用的英语书面语言的设计语言，例如BASC、C、FORTRAN、java等，所以大多应用程序员使用高级程序设计语言编写程序。

4系统程序员的程序开发与执行过程

程序的开发和执行设计计算机系统的各个不同层面，因为计算机系统层析话结构的思想体现在程序开发和执行过程的各个环节中。程序开发通过程序编辑软件得到hello.C文件。Hello.c在计算机中以ASCII字符方式存放。然后再将hello.c进行预处理、编译、汇编和连接，最终生成颗执行代码文件。

计算机的控制器自动执行的是指令，每条指令由操作码和地址码两部分组成，操作码是指出操作类型，地址码之处操作数的地址。执行程序世纪上是执行一个指令序列。也就是说不管用什么高级语言编写的程序都能够转换为一个指令序列才能在计算机上执行。任何高级语言源程序和汇编语言源程序都必须转换为机器语言程序才能被计算机执行，通常这种进行转换的软件被称之为“程序设计语言处理系统”。应用程序员和系统程序员都是借助“程序设计语言处理系统”来开发软件。任何一个语言处理系统，都包含一个翻译系统，它能够把一种编程语言表示的程序转换为等价的另一种编程语言程序。翻译程序有以下三类。

（1）汇编程序：也称汇编器，涌来将汇编语言源程序翻译成机器语言目标程序。

（2）解释程序、也称计时器，涌来将源程序中的语句按其执行顺序逐条翻译成机器指令必过立即执行。例如，BASIC解释程序直接气功BASIC源程序执行，不生成目标程序。

篇10

0引言

我校在创建世界一流农业大学的进程中，积极营造交流、开放式、国际化办学的教学氛围，开展深度科研协作，努力实现“产学研紧密结合的世界一流农业大学”。我校自20世纪70年代末开设计算机应用课程以来，曾先后多次调整教学内容，以适应时展的需要。正是在此背景下，在当前信息技术飞速发展的今天，如何开展高等农林院校“计算机组成与系统结构”课程教学，如何改革课程的理论教学、实验教学及课程授课令人深思。

1课程现状

“计算机组成与系统结构”（简称计算机组原）是我校计算机科学与技术、信息管理与信息系统、电子商务和软件工程专业的核心基础课。该门课程呈现出学生难学、教师难教的现象，其原因在于该课程理论性强，概念和知识点繁、杂、抽象。为使学生具备扎实的基础理论和良好的动手实践能力，作者自2006年春开始讲授本门课程，结合多年的教学、教改实践，从以下几方面对该课程的教学进行了一些尝试性探索。

2教学优化过程及实践

2．1优化教学内容，突出重点、难点，补充科技前沿知识由于该课程具有概念繁杂和内容抽象的特点，且每节内容都可扩展开独自形成完整的知识体系，在有限的教学时间内不可能对计算机系统的五大部件和实现技术都进行详细讲解，为此学院及系部每年组织各类教研活动，如集体备课，集体讨论教学大纲，研讨教材重点、难点和疑点，确定实践环节；组织教师之间互相听课，取长补短；新任教师试讲等。2．2强化实验教学设计，提高动手实践能力实验教学是本课程的重要实践环节，是抽象理论的科学验证，有助于提升学生对理论的认知，可激发学生的学习兴趣。我校采用清华大学教学实验机TEC－XP，以验证性实验为主，在实验过程中增加附加的设计型教学实验任务。在授课过程中讲解实验机中的设计思想，让学生清楚了解硬件的连接及程序的实现过程，在实验过程中，通过实验内容逐级深入的方法，使教学试验机的设计思想逐渐渗透，最终实现教学目标。2．3因材施教，运用灵活多变的教学方法及手段为使课堂授课丰富愉悦、内容饱满活泼，为使学生能尽快融会贯通，这就必须对教学内容进行精心设计，多种教学方法相结合并贯穿授课始终。作者结合多年的教学经验总结，极大地提高了学生学习兴趣，极大地提升了教学质量。2．3．1培养学生学习兴趣的互动式板书与PPT教学手段结合教材内容，充分运用现代网络技术，利用图片、动画、视频等多媒体素材设计PPT，帮助学生理解枯燥的计算机组成原理概念，提高学习效果。如第一章计算机系统概论中讲授计算机执行ax2＋bx＋c，以学生熟悉的C语言知识，板书介绍非常重要的地址概念，引导学生熟悉用户程序存放的内存单元地址、自定义变量地址，PPT动画展示运算器的加、乘运算的基本过程。2．3．2客观真实的案例教学法对感性认识不强的计算机组成概念，使用案例教学法可帮助学生消除对计算机的神秘感。如在讲解多体（存储器）交叉存储系统时，通过下述案例，以科技文献及图片素材让学生逐渐了解并掌握大型机（或巨型机）中多体交叉的知识点，有助于后续Cache命令率的学习。2．3．3科学地利用教师的主导作用，运用生活化、形象化的类比教学法作为专职专业课教师，任何时候都可通过课堂中的点滴小事与学生交流，询问他们是否已理解了授课内容和难点、重点知识。作为授课中“人类灵魂的工程师”，真诚关注、鼓励、教育学生注重专业修养，提高综合素质。为避免学生“知其然，不知其所以然”，避免死记硬背，结合日常生活中的实例，采用类比教学法，形象生动、由浅入深地让学生理解计算机中艰涩的概念，最后达到深入浅出的教学效果。如存储器，犹如仓库，计算机中用于存放指令和数据；“按地址寻访”，是指计算机根据地址寻找内存单元和IO部件，地址的概念正如现实生活中区别某人的身份证号码，或现实中的座机号码，或计算机网络中的IP地址。总线中的异步串行通信犹如食堂排队买饭、火车站排队买票等，逐比特的传输；应答信号如通信双方握手一样，成对出现。Cache与主存地址映射过程是本课程的难点和重点，将Cache与主存的地址映射比作火车座位的对应机制，有助于学生对Cache地址映射的理解。讲解寻址方式时，以去宿舍找学生作类比，若已知学生的具体宿舍号，则为直接寻址；若询问宿管办阿姨，则为寄存器间接寻址。介绍运算器的功能时，指出运算器只做一件事，即算术逻辑运算，其余均不参与；控制器的功能就是大总管，控制并管理计算机所有的行为和操作等等。2．3．4强化重点，当堂消化难点，采用专项典型习题讲解法我校采用的教材是由唐朔飞老师主编的国家“十一五”规划教材《计算机组成原理》（第2版）。由于该课程具有很强的理论性以及学生考研的需求，通过对大纲的重点难点知识第四章CPU与存储器的连接、高速缓冲存储器，第六章计算机的运算方法及第十章CU的设计的典型例题、习题进行讲解，能有效巩固、加强学生对所学知识的理解。同时，预留少且精的课后题，以再次加深对知识点的理解，培养学生的思维能力。

3鼓励个性化发展，完善考核方式

课程考核是教学过程的重要组成部分，是实现教学目标和检测学生学习成果的一种手段，贯穿授课及实验过程的始终。本门课程考核的主要内容是学生对整机的基本组成及工作原理的理解程度，以及对基本概念、基本知识的掌握程度。经过多年的教学经验总结，课程考核基本由以下三部分组成。（1）随堂测验（占总成绩的10％）。为了督促和鼓励学生对课程的学习，在重点章节后进行随堂测试，主要考核学生对重点难点内容的理解及掌握情况，随时发现学生在学习过程中存在的各类问题，及时调整教学方向。（2）验证实验及设计型实验（占总成绩的20％）。规范实验教学，严格考勤制度，采用单人单机的形式，主要看重实验过程、实验结果，轻实验报告成绩。对学生的实验验证报告、设计型实验的完成状态以实验截图的形式提交，实验完成后当场验收并给出验收成绩。在所有实验完成后，提交相关代码及实验文档，并给出实验报告成绩。实验成绩由三部分构成：验收成绩占50％，报告成绩占30％，实验考勤占20％。（3）期末考试（占总成绩的70％）。该课程一直沿用闭卷理论考试；课程全部结束后，进行期末考试，全面考核学生对基础理论、基本原理的掌握程度与分析水平。

4总结

鉴于我校地处西北及正处于“创建世界一流农业大学”战略时期，以及计算机组成与系统结构课程的特殊性、重要性，这就决定了该课程的教学改革与实践是一项大工程，需要从理论授课、实验验证、课程考核等多方面同时进行教学优化，以上整个教学过程优化的思考与实践，已取得了较好的效果。作为高等农业院校，我院的本科毕业生受到了国内知名IT公司的好评和青睐，在华为、阿里巴巴、百度、迅雷、网易、美团网、去哪网等公司就业，不少已是部门负责人，连续四年一次性就业率达98％，年薪10万元以上的毕业生每年在12人次以上。虽然取得了一些成绩，但距离世界一流农业大学的创新型人才培养还有一些距离。“计算机组成与系统结构”的课程教学优化需要做的工作还有很多，各种教学方法、教学手段也并不是一成不变的。随着网络技术、信息技术的不断发展，专业教师只有不断进行学习、更新、优化、探索、总结，才能持续有效地提高教学效果、教学质量，持续有效地满足新时代下学生不断增长的求知需求。

作者:黄铝文 陈 勇 李书琴 张志勇 单位:西北农林科技大学

参考文献:

［1］陈仁甫，邓名万．IBM370系统结构及其发展［J］．计算机工程与应用，1985（5）：1－7．

［2］刘彬让．研究型农业大学国际化办学问题的思考———以西北农林科技大学为例［J］．高等农业教育，2013（6）：30－33．

［3］唐朔飞，刘旭东，王诚，包健，熊桂喜．“计算机组成原理”课程教学实施方案［J］．中国大学教学，2010（11）：42－45．

［4］王革，张景书，杨胜良．对产学研紧密结合办学特色的认识与实践［J］．中国高教研究，2005（1）：14－17．