基于自主可控需求的《计算机组成原理》教学实践
 
 黄 敏，陈沅涛 
（长沙理工大学 计算机与通信工程学院，湖南 长沙 410114）

 
摘要：从修订人才培养方案，改进课程的教学内容、方法与考核方式，强化实践教学，增加集中实践环节等方面，培养学生具有计算机各部件的设计方法、逻辑实现、建立系统概念及思维的能力，最后达到对信息系统自主可控的需求。
关键词：自主可控；人才培养方案；课前练习；实践环节
基金项目：2018年湖南省普通高等学校教学改革研究项目（湘教通[2018]436号 No.193），2019年长沙理工大学工程教育专业认证示范工程建设项目（高等教育研究所〔2019〕5号 No.11）
作者简介：黄敏，1968年生，女，重庆市江津县人，硕士，长沙理工大学计算机与通信工程学院副教授，研究方向为嵌入式系统与应用，
 
中图分类号：G642.0      文献标志码：A      文章编号：
 

一、研究背景
随着近几年中美贸易摩擦在科技领域的愈演愈烈，尤其是美国对中兴、华为等多家高科技公司的制裁，国内对信息系统自主可控的需求也越来越强烈。《计算机组成原理》作为计算机及其相关专业的一门核心硬件课程，对信息系统自主可控的作用就越来越重要，其教学重点从以前的掌握“计算机各组成部件的工作原理、建立整机概念”逐渐过渡到掌握“计算机各部件的设计方法、逻辑实现、建立系统概念及思维”^[1]。为此，长沙理工大学计算机科学与技术专业从修订人才培养培养方案开始，改进课程的教学内容、方法与考核方式，增加集中实践环节，加强实践动手能力的培养，取得了较好的效果。
二、修订人才培养方案
表1所示是2016级以前与2017级培养方案的对比。由表可知，2017级的培养计划在《计算机组成原理》及其先修、后续课程中，都增加了实验课时，而且在理论和实验课程结束后还增加了2周的集中实践环节《系统能力综合实训》。如此修改的目的就是要加强对学生实践动手能力的培养，尤其是培养学生对计算机硬件部件、直至系统的设计能力，最终实现信息系统软硬件的自主可控的目的。

表1 2016级以前与2017级培养方案对比

2016级以前						2017级
课程		学分	学时	理论	实验	课程	学分	学时	理论	实验
先修课程	汇编语言	3	48	34	14	汇编语言	2	32	32
						汇编语言实验	0.5	16		16
	数字逻辑与数字系统	3	48	48		数字电路与逻辑设计	必修	3	48	48
	数字逻辑与数字系统实验	0.5	16	0	16	数字电路与逻辑设计实验	必修	1	0	30
计算机组成原理		4	64	54	10	计算机组成原理	3.5	56	56	0
						计算机组成原理实验	0.5	16	0	16
后续课程	嵌入式系统	2	32	32		嵌入式系统	2	32	32
	嵌入式系统实验	0.5	16	0	16	嵌入式系统实验	0.5	16	0	16
	体系结构	2	32	28	4	体系结构	2	32	26	6
	接口技术	3	48	32	16	接口技术	必修	2	32	0
						接口技术实验	必修	1	0	30

三、改进理论课程教学内容、教学方法与考核方式
为实现信息系统自主可控的目的，《计算机组成原理》的教学内容^[2]必须增加各部件的设计方法、逻辑实现，最后获得整机系统，为此，各部分的内容调整见表2.

表2 2016级以前与2017级教学内容对比

2016级以前	2017级
数据的表示、运算与校验：定点数与浮点数的表示，非数值数据的表示，定点数与浮点数的加、减、乘、除、移位运算，奇偶 、海明和 CRC的校验原理，运算器的构成、并行进位链的原理	数据的表示、运算与校验：定点数与浮点数的表示，非数值数据的表示，定点数与浮点数的加/减运算及硬件实现、阵列乘/除法及其硬件实现，奇偶 、海明和 CRC的校验原理及硬件实现，运算器的构成、设计与实现
存储层次：三级存储体系，SRAM和DRAM的工作原理，存储容量的三种扩充方法，Cache的工作原理和三种地址映射方法，虚拟存储器的工作原理，硬盘、光盘的工作原理	存储层次：三级存储体系，SRAM和DRAM的工作原理，存储容量的三种扩充方法及其硬件实现，Cache的工作原理和三种地址映射方法，虚拟存储器的工作，硬盘、光盘的工作原理
控制器：指令系统的格式、寻址方式，CPU的功能与组成，时序产生器和控制方式，指令周期，微程序和硬布线控制器的原理、设计方法，流水线的原理	控制器：指令系统的格式、寻址方式，指令系统的设计；CPU的功能与组成，时序产生器和控制方式，数据通路和指令周期，微程序和硬布线控制器的原理、设计方法及其硬件实现，流水线的原理
总线与 I/O 系统：总线，PIO、中断、DMA 和 IOP 等 I/O 模式	总线与 I/O 系统：总线，PIO、中断及其实现、DMA 和 IOP 等 I/O 模式

在2016级以前的培养方案中，《计算机组成原理》课程的教学重点是掌握“计算机各组成部件的工作原理、建立整机概念”。采用传统的老师课堂讲授为主的教学方法，考核方式以期末考试为主，占总成绩的80%；辅以课堂提问加作业，占总成绩的10%；实验占总成绩的10%。这样的比例分配导致大部分学生在临近考试前才开始背题目、背概念，真正掌握计算机工作原理的人并不多。
在2017级的培养方案中，《计算机组成原理》课程的教学重点是掌握“计算机各部件的设计方法、逻辑实现、建立系统概念及思维”。《计算机组成原理》课程的特点是理论性强、概念多，仅靠老师讲、学生记都很难理解，而且与软件类课程不一样，可以通过编程来验证自己的理解是否正确，硬件类的概念只能通过做题和大量实践来验证理解是否正确。为此，理论课程的教学采用学生课前练习加老师课堂讲授的方式，即每次课均有课前练习，主要采用考研真题中的选择题为主，运用已学习过的理论知识来解决一些实际问题，而且每个题目都涉及多个知识点的综合应用。学生做完之后，老师公布答案，并给予解释。对学生理解原理和概念有很大帮助。比如这个题目：“某字长为8位的计算机中，已知整形变量x、y的机器数分别为[x]_补=1 1110100,[y]_补=1 0110000。若整形变量z=2*x+y/2，则z的机器数为多少。”涉及到机器字长、数值数据的编码、移位运算、溢出判断等多个知识点，而且与软件编程相结合，让学生认识到硬件知识对软件编程是非常有用的，而不是纯粹、枯燥的概念。课前练习是针对已学过的内容来出题的，一方面督促学生课后复习以提高答题准确率；另一方面也将《计算机组成原理》很多难于理解的概念、原理分散到每节课，减轻学生期末考试的负担，让学生不再认为这门课是最难学的课程。课前练习在学校的网络教学平台完成，客观题可以自动评阅并记录成绩，作为平时成绩占总成绩的20%，课后作业占总成绩的15%，课堂提问占总成绩的5%，期末考试占总成绩的60%。期末做了问卷调查，100%的学生都认可课前练习，对理解枯燥的概念、原理有很大的帮助。
四、强化实践教学，创新实践教学环节
2016级以前的实验是课内实验，10学时，采用SLJZ-1型计算机组成原理教学实验箱，共开设5个实验，分别是：静态随机存储器实验、算术逻辑运算器实验、数据通路实验、微程序控制器实验和基本模型机设计与实现，均是验证性实验，配有实验指导书，只要设备没问题，跟着步骤做，实验基本都能完成，对理解各功能部件的工作原理有一定帮助。但实验箱的硬件设计已固定，初学的学生难以在短时间内熟悉设计及其原理，且设备老化后故障也比较多。每个实验2学时，设备一旦出现故障，学生很难排除，导致稍微复杂一点的两个实验（微程序控制器实验和基本模型机设计与实现），只有少数学生能完成。而且部分学生因为设备陈旧和老化而难以完成，索性就不去做实验，最后也能获得这门课程的学分，因为实验成绩只占总成绩的10%。这样的实验对培养学生分析问题、解决问题能力的培养收效甚微。
2017级的实验独立设课，单独考核，0.5学分，16学时。采用Logisim仿真平台，开设的实验项目及成绩比例见表3。

表3 2017级的实验项目及其学时分配、成绩比例

序号	实验项目	学时分配	占课程成绩比例	评分标准
1	Logisim平台使用/求补器的设计	2	10	对每个实验的成绩，实验报告和完成情况（包括演示实验结果和解释实验原理、设计思路）各占50%
2	多位串行进位且加/减可控的加法器设计	2	15
3	多位并行进位/BCD码加/减运算器的设计	4	25
4	字、位扩展存储器的设计	4	25
5	MIPS单周期CPU的设计	4	25

通过这种考核方式得到的学生成绩，超过90%的学生都认为是合理的，认可实验有收获，掌握了计算机各部件的工作原理和逻辑设计方法。
针对2周的集中实践环节《系统能力综合实训》，要求每个学生选取8条以上的MIPS指令，设计微程序或硬布线的多周期CPU，需设计数据通路，划分时序，设计各阶段各部件的控制信号，用微程序或硬布线的方式在Logisim仿真平台实现，最后用冒泡排序或选择排序的程序给予验证。考核方式是：题目完成情况的演示与答辩占50%，报告占50%。如果演示没通过，不管报告如何都不能及格。
五、结语
针对《计算机组成原理》课程对信息系统自主可控需求的重要性，从修订人才培养方案，改进课程的教学内容、方法、考核方式，强化实践教学环节等方面进行教学改革和尝试，得到了学生的认可，获得了较好效果，能够培养学生具有从计算机部件到系统的设计能力，对其他专业课和专业基础课的教学具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]王志英,周兴社,袁春风等. 计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J]. 计算机教育, 2013(9): 1-6.
[2]白中英, 戴志涛. 计算机组成原理（第5版）[M]. 北京: 科学出版社, 2013.3:6-11
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[5]柳星,袁景凌，饶文碧等.计算机组成原理实验改革方法探讨[J].计算机组教育. 2018(5):5-9
[6]高小鹏.计算机专业系统能力培养的技术途径[J].中国大学教学, 2014(8): 53-57.