“计算机组成原理”课程教学改革的思路和目标.doc

“计算机组成原理”课程教学改革的思路和目标 　　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