单位文秘网 2022-03-01 08:07:57 点击: 次
摘 要 本文以全新的观点和有效的方法介绍了计算机组成原理课程的教学改革思路和目标。论文的主要贡献是,在这门课程的教学和研究中首先提出并实施了三大教学理念。
·掌握设计CPU的方法、步骤和具体的技能
·具备逻辑上设计计算机的能力
·熟悉现代微机所采用的新技术,了解下一代CPU发展的新动态
为体现深入浅出的教学方法,本文提出了对通用CPU进行分类的观点,以达到更好的教学效果。
关键词 教学改革设计CPU
1计算机组成原理课程的教学现状
计算机组成原理教学大纲都有以下或类似的描述:“计算机组成原理课程是计算机科学各专业的一门核心课程,本课程的任务是使学习者掌握计算机系统中硬件部分的组成原理,掌握计算机的基本工作原理、计算机各主要部件的硬件结构、相互联系和作用,从而对整个计算机系统从硬件角度有完整的了解,为本专业后继课程的学习打下基础。”
显然这样的教学大纲很难培养大学生的创新能力,更不能满足我国“十一五”规划关于提高自主创新能力的长期战略目标对人才的需求。毫无疑问,所有“211工程”高校应为国家培养出大批具备创新能力的合格人才。
2改革的思路和目标
现代电子数字计算机,包括专用电子数字计算机、通用电子数字计算机(简称计算机或电脑),都是基于冯·诺依曼机(Von Neumann)的理论设计并发展而成的。
冯·诺依曼机主要由以下五部分组成:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
现代通用计算机和冯·诺依曼机之间的最大区别是:冯·诺依曼机以“运算器为中心”,现代通用计算机以“存储器为中心”。
冯·诺依曼机的CPU仅包括运算器和控制器。随着集成电路平面制作工艺的出现,这两大部分往往集成在同一芯片上。因此,通常将它们合起来统称为中央处理器(Central Processing Unit),简称CPU。虽然经历了60年的发展,CPU的内部结构发生了很大的变化,但其实现的功能(指令控制、操作控制、时间控制和数据加工)是不变的。
计算机的核心是CPU,要想真正掌握计算机工作原理,首先要懂得CPU的工作原理。而要懂得CPU的工作原理最有效的途径就是掌握设计CPU的方法、步骤和具体的技能。同理,掌握计算机工作原理最有效的方法是学会在逻辑上设计计算机的技能。为了进一步结合实际和拓展同学们的视野,我们分析和讲述了当前市场上最先进的CPU及微机所采用的新技术,如CPU的字长、Cache 的大小和级数、最大和实际的寻址空间、拥有的流水线条数、超线程、工艺制程和核心电压、支持的最高频率和指令集、最新南北桥主要技术指标及前端总线(FSB)的速度和内存带宽等,拉近了与同学们的距离并激发了同学们的学习兴趣。根据这一思路,提出学习这门课程应达到如下目的:
·掌握设计CPU的方法、步骤和具体的技能;
·具备逻辑上设计计算机的能力;
·熟悉现代微机所采用的新技术,了解下一代CPU发展的新动态。
讲述设计CPU知识,首先要解决同学们的思想认识问题。不要一谈到CPU就只想到Pentium 4甚至双核CPU Pentium D。因为CPU有通用、专用、嵌入式系统等多种类型。对于已经发展了60年的通用CPU大致可分为如下几类:
① 冯·诺依曼型CPU
运算器、控制器
② 现代简单CPU
运算器、控制器、寄存器(专用和通用)
③ 现代较复杂CPU
运算器、控制器、寄存器(专用和通用寄存器堆)、Cache、流水线
④ 现代复杂CPU
运算器、控制器、寄存器堆、多级Cache、多条流水线
⑤ 双核(多核)CPU
我们要求掌握的是现代简单CPU设计方法、步骤和技能,而非高端产品Pentium 4的技术。在此基础上为日后开发出拥有自主知识产权的专用CPU(如专用于空调机、微波炉、洗衣机等)和嵌入式系统的CPU(用于手机或小汽车等机电一体化)奠定基础。据预测到2010年我国对这两类CPU的需求消耗量将达到6000亿元人民币。这样,同学们的视野就开阔了。更重要的是学习兴趣和自信心都大大提高了。这样一来,就自然会把同学们被动接受知识转变为主动的学习状态。从而激发了他们强大的学习动力,为能达到这样的学习目标,他们会认真搜集有关资料,会努力配合老师的讲课内容和进度做预习和复习。在充分调动了同学们的学习积极性后,为加强同学之间的合作精神,我们布置了一个基于RTL(寄存器描述语言)由两人一组完成的大作业——“设计一个现代简单CPU”(指令集根据需要而确定。分别用硬布线和微程序两种方法,并比较两者的优缺点)。
完成这个课题后,同学们马上就会想到如何提高CPU的速度和功能等问题,通用寄存器、新的数据表示、新的指令(保证向上兼容)、双总线、三总线、Cache、流水线……这正是他们今后能够深入并有能力解决的问题。
关于设计计算机,我们可以考虑给出一个完整的但不十分复杂的计算机主机板部分作为范例,至少必须包括有CPU、存贮器、I/O端口。这样同学们就更容易、更具体地掌握CPU和存贮器连接的三类线(数据线、地线线、控制线);体会到存贮器组织的几种方法(存贮器的位扩展、字扩展、位字同时扩展);由于有I/O端口,可分别考虑I/O统一编址和I/O独立编址的设计。通过上述两个综合应用的实例能很好地解决同学们普遍存在的“对于课本的内容拆开来都能理解,但合起来就不知所云了”这类致命的学习问题。
绝大多数同学在做完设计CPU课题后写出了感想,大家的感受都体现了努力后的那“一分耕耘,一分收获”的成就感和满足感,且这种感受是无法用语言表达的。同时又发现设计CPU不像原先想象中的那么“难以靠近”。2002级4班有一位同学这样写到:“由于以往对硬件方面的学习大多数只停留在理论,或者是去实验室作简单的实验,而并没有联系实际,去体会它们的工作原理。特别是像CPU这么核心的技术,光懂得原理的话,可能过一两年又会忘得差不多了。但是现在,不但可以更深刻地体会和学习CPU的工作原理,而且还掌握了一门实践性很强的技术,我想所有人过十年,二十年后还是不会忘记的。理论离开了实践,永远只是虚无的理论,犹如纸上谈兵。在目前普遍缺少实践指导的学习上,老师要求我们增强实践能力,是反映了同学的心里期望的。尽管这个学期任务非常重,但是大家没有半句怨言。所以,这说明了设计计算机,设计CPU是我们心里非常想学的东西。因此,我强烈希望这样的措施可继续实施下去,辛苦老师了。”
3实施的成效
计算机组成原理课程教学改革的思路和目标在我们学院已实施了两届(第一次是在2002级)。2005年12月5日开始,教育部对我校进行本科教学工作水平评估,并听取了我讲授2003级的该门课程,得到专家组的一致肯定。此外,还可从这两届学生的体会、反应和图1数据得出,教学的效果非常理想,教学的目标基本实现。2006年9月在2004级也实施这一改革理念。
为了准确掌握这一改革的真实情况,对2002级(1~6班,回收问卷191份)、2003级(1~5班,回收问卷207份)全级都作了如下的问卷调查:“你认为本学期所进行的《计算机组成原理》课程的教学改革是否有必要?”四选一回答:很有必要、有必要、无意见、无必要。
结果是:回答很有必要 302人、有必要 89人、无意见 5人、无必要 2人。参看图1。
4结束语
上述强调的“自主知识产权的CPU”在非常时期对国家的安全起到了关键性的作用,以导弹和导航系统为例,必须用“有自主知识产权的CPU”才能从根本上完全掌握和控制其发射和运行轨道的正确性和可靠性。
中国科学院院长路甬祥院士在广州举行的“第七届海内外设计与制造科学会议”作报告时指出:“如过多依赖国外的先进技术而没有自己的创新,自给率低;高层次人才严重缺乏,特别是能参与国际竞争的战略科学家太少。目前制造业的许多领域还停留在国际价值链分工的低端,改变这种状况必须在制造业领域创造中国人自己的设计理论、方法和先进制造工艺技术,创造具有中国自主知识产权的装备、仪器、工程系统。长期从事计算机应用及研究的专业人士指出“微处理器的研发绝对是一个国家的计算机水平的尖端体现”。
大家是否有发现,形形色色的 OEM和并非少数的ODM其实是我国IT产业的“毒品”。尤其是在硬件方面几乎处处出现了瓶颈。究其原因使我们不能不正视产业中的核心技术——CPU!!!
中华民族创造的古老文明,可以说是地球上唯一历数千年而不衰的文明。然而,我们也面临着严峻的挑战,审视我们的科学发现和技术发明,唯独缺少诞生在这片土地上的创新贡献。问题出在哪里?其中一个因素应该是我们的大学到现在还没有培养出能掌握这一核心技术的大量合格人才,离创新的路就更加漫长了。
我们正是基于这一目的而迈出的第一步。只要坚持不懈,中华民族设计的各类CPU终有一日能达到世界先进水平。
参考文献
[1] 孙强南,孙昱东.计算机系统结构[M].北京:科学出版社,1997.
[2] 白中英.计算机组成原理[M](第三版).北京:科学出版社,2001.
[3] 广州日报.2004-1-19(5).
[4] 广州日报.2006-6-21(5).
[5] 郝柏林,张淑誉.数字文明物理学和计算机[M].北京:科学出版社,2005.
[6] 唐朔飞.计算机组成原理[M].北京:高等教育出版社,2000.
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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