网工专业计算机组成原理与系统结构课程体系改革研究

摘 要：分析了网络工程专业学生对于计算机组成原理和计算机系统结构两门课内容的需求，以及多年来实际教学中存在的问题；然后针对这些问题，提出了采取的措施与改进办法；最后给出了计算机组成原理与系统结构这门课程中各章的主要内容和教学要求。

关键字：计算机科学；组成原理；系统结构；课程体系改革；网络工程

中图分类号：TM391；G642 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）08-0075-04

0 引 言

网络工程专业是从计算机科学与技术专业派生出来的一个新的专业，也是计算机科学与通信技术相结合的一个专业，主要从事各类信息网络的规划设计与建设，从事各种网络理论与新型网络结构的研究与开发，是当今高校中的一个热门专业。根据学校层次和培养目标，可分为研究型、工程建设型与日常运行维护型。对于“211”和“985”重点大学，主要从事网络理论与新型网络结构的研究；对于应用型本科院校，主要从事网络设计、建设与维护；对于高职高专院校，主要从事网络建设中的施工和日常运行与维护。但是，无论哪种类型的学校，在该专业的教学中都少不了要开设计算机组成原理和计算机系统结构这两门专业基础课。当然，也有只开设计算机组成原理一门课的。近年来，选择两门课程都开设的院校越来越多。但是，这两门课怎样开？各开多少学时？各讲哪些内容？就成了值得研究的问题。

最初，最简单的办法就是效仿计算机科学与技术专业，使用相同的教材和相同的学时，做相同的实验。这样，占用的学时势必多了一些。于是，包括西安欧亚学院在内的一些学校就简单地减学时。这样，授课教师也就简单地压缩授课内容。按学时，能讲多少，就讲多少；能讲到哪里，就讲到哪里。这显然是一种不适宜的作法。再到后来，就试图把两门课合并起来。计算机组成原理讲一半，计算机系统结构讲一半，其结果是两门课程都讲不好。近年来，一些出版社也出版了一些这方面的教材，取名为《计算机组成与系统结构》或《计算机组成原理与体系结构》。但是，好不好？原来两门课程的内容各占的比例合适不合适？就值得研究。这，也是我们对这两门课程进行研究改革的出发点。

1 网工专业对计算机组成原理和计算机系统结构的需求分析

最初，网络工程专业开设的计算机课程，除了计算机应用基础、高级语言程序设计之外，主要是计算机组成原理。而这门课原本是为计算机科学与技术（硬件）专业开设的，因此在教学大纲和教材中，一般把二进制数值算法、指令系统设计和指令执行过程讲得很深很细。比如，在讲述原码一位乘除法运算之后，又花费大量篇幅讲述补码一位乘除法、补码二位甚至三位乘除法运算规则。在讲述指令系统设计和指令执行过程中，既讲述指令系统分析和优化设计的方法，又讲述指令执行过程中每一个时钟周期控制信号的产生、流向与控制；既有组合逻辑电路的设计，又有微程序控制器的设计；其中有些逻辑电路或结构图相当复杂，在教材中占的篇幅大，在教学中用的时间长。另外，还有实验。其目的是为了使学生多掌握一些有关运算器设计的基础理论和方法。在此基础上，计算机科学与技术（硬件）专业开设计算机系统结构，主要讲述大型机、巨型机的组成与设计思想，包括存储器体系结构、标量流水技术、向量流水技术与向量处理机、互联网络、并行处理技术与阵列机、脉动阵列机以及大型并行处理机等。这些内容对于计算机科学与技术（硬件）专业，无疑是必要的，以便将来从事微型机、大型机、巨型机的硬软件设计与维护。对于网络工程专业来说，将来主要从事计算机网络理论的研究、网络工程的设计、建设与维护，他们需要懂得计算机组成原理，也需要懂得大型机、巨型机的组成与工作原理。而问题在于这两门课程的内容，他们各需要多少？

几年前，我们在为网络工程专业开设了计算机组成原理以后，也开设了计算机系统结构。然而在几年的教学实践中，发现了一些问题。一是由于专业不同，学生学习时存在心理障碍，对于一些复杂的二进制算法、复杂的逻辑结构图所展示的指令执行过程感到难以理解，有些厌倦；二是课时不足，最简单的办法就是压缩或浓缩课程内容。这样一来，两方面的原因影响了教学的效果，违背初衷。

传统的《计算机组成原理》，甚至经典之作，其内容包括计算机系统概述、运算方法和运算器、存储器、指令系统、中央处理器、总线技术、输入输出系统与外围设备等。从字面上看，这些内容也是网络工程专业的学生应当学习和掌握的。而实际上，他们将来并不直接从事CPU及其整机的研发与制造，而是更多地从事网络理论和新型网络结构的研究，或者使用计算机去进行网络工程硬软件的开发与设计，或者从事网络工程建设与维护。因此，他们需要懂得一些计算机的内部组成及其工作原理，但是不一定要学得那么深，那么细，不一定要掌握补码二位三位乘除法运算和指令执行过程中的每一个细节。这就如同一个汽车驾驶员一样，他要开好车，需要了解汽车的组成原理与性能，而并不需要学习和掌握汽车的制造工艺与生产过程。

至于《计算机系统结构》，其中讲述的大型机、巨型机的组成方式、工作原理和一些新的体系结构，对于网络工程专业的学生来说，应当是需要的。这是因为各类大型计算机网络都是由大型机或巨型机作为服务器或者进行管理的。比如其中的标量/向量流水技术、互联网络技术、多体并行存储器与磁盘阵列、多CPU并行处理技术与并行处理机、并行算法与并行程序设计语言以及大规模超级并行处理机等，对于网络工程专业的学生来说，无疑是需要的。如果缺乏这方面的知识，若要直接从事未来大型计算机网络及其相应软件的开发与设计，难免会遇到这样或者那样的问题。因此，对于网工专业的学生，若不开设计算机系统结构，显然是不合时宜的。

2 现有教学方法与教材分析

在进入21世纪以后，我们也发现许多学校都在对计算机组成原理课进行改革，其方法有二。

一是在计算机组成原理课中扩充流水线技术和并行处理技术与并行计算机，有的甚至把计算机组成原理改名为计算机组成与体系结构。对此，我们也查阅了多家出版社出版的多种《计算机组成原理》和《计算机组成与体系结构》的教材。其中多数是在原《计算机组成原理》的基础上增加一两章，讲述流水线技术和并行计算机体系结构，对于二进制算法、运算器和控制器的组成与工作原理、指令优化设计及执行过程，依旧篇幅很大，依旧写得很深很细。而对于上述大型机、巨型机的许多新思想、新技术，涉及甚少。总体上看，流水线技术和并行处理机体系结构的篇幅仅占全书的10%左右。

二是为网络工程专业增开一门并行处理技术或并行处理技术与并行计算机，或者也像我们一样开设计算机系统结构。由于增加了一门课程，无疑对学生的知识结构起到了很好的补充作用。但是，前导课程计算机组成原理依旧，许多内容对于网工专业未必需要。另外，计算机系统结构中的许多概念和内容与前导课程计算机组成原理中的内容重复。删去不讲，学生会提意见，厚厚一本书，删去那么多的内容，何必要我们买这本书呢？因此，这就需要研究如何取舍，如何把《计算机系统结构》与《计算机组成原理》融为一体。

3 合理取舍和组合

3.1 合理取舍

由于网络工程专业不同于计算机科学与技术专业，他们大多数人将来不从事计算机及其体系结构的研发设计或生产，因此可对传统的计算机组成原理课中的许多内容进行压缩，可把有些原本要求学生记忆掌握的内容，改为了解，比如二进制数的各种繁琐算法与运算过程、指令执行的细微过程、微程序控制器的编码方法与设计等，这些内容只需要了解或者理解就行了。有些内容可与计算机系统结构中的相关内容融合，比如计算机的层次结构、数据表示、指令系统与优化设计、总线技术、数据输入输出系统、存储器工作原理与体系结构等。这样，一方面删去一些繁琐内容，有利于教师授课，有利于学生学习、理解和记忆；另一方面，也避免了一些内容在两门课程中重复出现重复讲授的现象。出于这样的指导思想，我们把计算机组成原理和计算机系统结构合为一门课，即计算机组成原理与系统结构。

3.2 合理组合

针对网络工程专业，本课程应属专业基础课，是学生在学习数字逻辑与电路以后可开设的一门课程。其目的在于使学生学习了解计算机的基本组成原理，包括计算机层次结构、数据表示、数值编码与简单二进制运算、运算器与控制器的组成与工作原理、指令系统及指令优化设计、存储器体系结构、数据输入输出系统及常用外围设备等；在此基础上，再去学习和掌握有关计算机系统结构的相关内容，包括标量流水技术、向量流水与向量处理机、互联网络技术、并行处理技术与阵列机、脉动阵列机、并行处理技术与大规模和超大规模处理机的组成与工作原理。这样，在同一门课程中使学生既学习单一CPU的计算机组成原理，又学习计算机系统结构。在编排顺序上，把计算机层次结构等内容融入到计算机组成原理中去，避免一些内容交叉重复，使学生在学习单一CPU组成及工作原理的同时，学习和了解计算机系统结构的有关知识和概念。

4 各章主要内容与教学要求

该门课程和相应的教材共分为13章，其中前8章以传统的计算机组成原理为主，结合章节内容融入原本属于计算机系统结构的知识和内容；后5章以传统的计算机系统结构的内容为主，也可谓是对计算机组成原理的扩展或者补充。

第1章 计算机概述。主要讲述计算机系统组成、性能指标、层次结构、计算机应用与其系统结构的发展。其改进是把计算机系统结构中的计算机层次结构、系统结构的类型、系统性能分析的方法等列入第1章，使学生一开始就接触到计算机系统层次结构的概念、计算机系统性能指标与性能分析方法、多CPU结构，认识和理解在计算机层次结构中的每一层就是一台计算机的含义，了解计算机系统结构、计算机组成与计算机实现三者之间的关系，学习和掌握计算机系统的性能与性能分析的方法。

第2章 逻辑代数与数字电路。主要讲述逻辑代数、门电路与触发器、组合逻辑电路、 时序逻辑电路等。其目的是为没有开设数字电路课程的学生铺垫一些计算机硬件基础知识。如果学生在先导课程中开设了数字电路，该章可以从略。

第3章 计算机中的数据表示与编码。主要讲述数值型数据表示、IEEE754编码标准及非数值型数据表示，使学生学习和了解计算机中的各种数据类型及表示方法，包括整型数据（原码、补码、反码）表示、浮点数据表示、向量数据表示、自定义数据表示、逻辑型/字符型/中文汉字/多媒体信息数字化数据表示及IEEE754编码标准，为学生学习有关算法和信息处理打下基础。其改进是把IEEE754标准，向量数据表示、自定义数据表示等融入其中，使学生在学习基本数据表示的同时，了解到大型并行处理机中数据表示的方法以及IEEE754标准。

第4章 运算方法与运算器。主要讲述定点数加减乘除法运算规则与电路实现、浮点数加减乘除运算过程。由于网络工程专业的学生一般将来不去设计这部分电路，因此只需了解计算方法和实现过程就可以了。其改进是简化一般《计算机组成原理》对于运算方法和运算器过细描述的内容，比如略去补码一位两位乘除法运算、指令执行过程中的细节以及一些复杂的逻辑电路图，重点讲述补码加减法运算与实现、定点数原码一位乘除法运算与实现、浮点数加减乘除运算方法，然后介绍一种简单运算器的工作过程，使学生建立起运算器整体工作的概念。

第5章 指令与指令系统设计。主要讲述指令的定义、指令格式、指令类型、指令系统设计、地址分配与寻址方式、按内容寻址方式、CISC/RISC计算机的风格特点与发展、RISC计算机的新技术与指令系统举例。主要改进是融入指令码优化设计（即霍夫曼编码）、按内容寻址和CISC/RISC计算机的风格特点与发展。这样，把指令系统设计与优化设计方法融为一体，使学生在学习指令系统一般设计规则的同时，了解指令码优化设计的方法、按内容寻址的方法以及CISC/RISC计算机的风格特点与发展。

第6章 存储器与存储器体系结构。主要讲述存储器的基本概念、存储器分类与层次结构、主存储器的基本组成与技术指标、半导体RAM/ROM存储器工作原理、主存储器与CPU的连接与容量扩展、磁盘存储器的组成与工作原理、光盘存储器的组成与工作原理、多体并行存储器与磁盘阵列、高速缓冲存储器Cache的组成与工作原理、虚拟存储器的基本概念与管理方式、虚拟地址快速变换法及保护措施。主要改进是融入多体并行存储器与磁盘阵列、Cache组成与工作原理、虚拟存储器的基本概念与管理方式、虚拟地址快速变换法及保护措施。这些，一般是在计算机系统结构中才能讲到，这里与计算机组成原理中的存储器工作原理结合起来，使学生在学习一般存储器组成原理的同时学习大型机、巨型机中存储器的组成及工作机理，同时也避免了一些内容在两门课程中重复讲述。

第7章 控制器与总线结构。主要讲述控制器的功能、分类、组合逻辑控制器硬件组成、时序与指令执行过程、微程序控制器的组成和工作过程、总线结构与分类、总线的组成与连接方式、总线操作时序与控制方式等。这里，对于时序与指令执行过程，仅讲述指令执行过程中的时序控制，简化指令执行的详细过程与复杂逻辑电路；对于微程序控制器，以讲清微指令与微程序的基本概念以及微程序执行过程为原则。同时，融入总线结构，以助于学生理解运算器的整体结构与控制过程。

第8章 输入输出系统。主要讲述I/O接口的组成与工作原理、CPU与外部设备连接、I/O接口寻址与I/O控制方式，包括直接程序控制、中断控制方式、DMA方式、输入输出处理机方式以及外围处理机（Peripheral Processor Unit，PPU）方式。

第9章 标量流水线技术。主要讲述标量流水线工作原理、标量流水线分类与性能分析、流水线主要障碍与控制、流水线动态调度、指令级流水线、超级标量流水线、超长指令字、展开循环体后调度、软件流水法以及超级标量流水机举例等。

第10章 向量流水与向量处理机。主要讲述向量流水的概念与工作原理、向量处理机的基本组成、向量启动时间与结果流出时间、向量操作长度控制与向量访问步长、向量处理与增强向量处理性能的方法、向量化编译技术、向量处理机举例等。

第11章 互连网络。主要讲述互连网络的功能与特征、互连函数、静态互连网络、静态互连网络结构与特性、动态互连网络、总线互连方式、交叉开关互连方式、多级网络互连方式等。

第12章 并行处理技术与阵列机组成原理。主要讲述并行处理的概念、并行性的开发途径、SIMD阵列机的基本结构与特点、阵列机并行算法、并行存储器无冲突访问、典型SIMD阵列机举例、脉动阵列机的组成原理与特点、面向特定算法的脉动阵列机的结构形式、通用脉动阵列机的结构等。

第13章 并行多处理机。主要讲述并行多处理机的基本结构与类型、紧耦合并行多处理机、松耦合并行多处理机、并行多处理机中Cache的一致性、程序并行性分析与并行程序设计语言、并行多处理机操作系统的概念、并行多处理机调度策略、并行多处理机的发展趋势、大规模并行处理机、并行向量多处理机、机群以及大规模MPP机举例等。

5 结 语

通过以上组合，把原本两门课的内容合为一门。在计算机组成原理方面，删繁就简，有利于网工专业的学生学习。把计算机系统结构的内容与计算机组成原理合并，可使学生仅通过一门课程，就能学习和掌握单CPU计算机以及各类大型机、巨型机的组成原理、实现技术与特点，减少内容重复，节省课时。

参 考 文 献

[1]包健. 计算机组成原理与系统结构[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]张晨曦. 计算机组成与结构[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]陈建铎. 计算机系统结构教程[M]. 北京：中国铁道出版社，2010.

[4]王诚， 宋佳兴. 计算机组成与体系结构[M]. 北京： 清华大学出版社， 2011.

[5]王绪宣. 计算机系统结构和组织[M]. 北京： 国防工业出版社，1985.

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