计算机系统结构方向范文

导语：如何才能写好一篇计算机系统结构方向，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：EDA平台；计算机系统结构；课程实践

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

E-mail：

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摘 要：文章针对美国一流大学的计算机组成与系统结构实验课程进行研究，重点介绍UC Berkeley，MIT，Stanford University，CMU相关实验课程的内容和特色，为我国大学计算机组成与系统结构实验课程今后的改革与发展提供参考。

关键词：计算机组成；计算机系统结构；实验课程

作者简介：王帅，男，讲师，研究方向为计算机体系结构、嵌入式系统；袁春风，女，教授，研究方向为Web信息检索与本文挖掘、多媒体文档处理、计算机体系结构。

1 美国大学计算机组成与系统结构实验课程概况

美国一流大学有着悠久的历史和长期的经验，所以我们深入研究和分析他们近几年在计算机组成与系统结构实验课程上的内容设置与教学变革，希望能够对我国大学的计算机组成与系统结构实验课程今后的改革和发展提供一些参考与启发。

由于院系设立的不同，美国大学与计算机相关的院系一般可分为几类：单独的“计算机科学系”(CS)，与工程相结合的“计算机科学与工程系”(CSE)，和电子工程联合的“电子工程与计算机科学系”(EECS)等。由于院系的类别不同，他们对于计算机组成与系统结构等课程的实验内容和要求也不同，这种不同也是由于师资力量的不同造成的。例如计算机科学系对于计算机组成与系统主要是从整个计算机系统出发，强调从高层(应用和软件)到底层(硬件)的掌握与了解，实验手段一般也是采用高级语言来实现对硬件的模拟。有着工程背景的计算机科学与工程系和电子工程与计算机科学系，一般比较强调对于硬件的深入了解和底层的实现，要求学生采用VHDL，Verilog等硬件描述语言进行一些功能部件和小型系统的设计，并在FPGA等硬件上进行测试验证；有着师资条件的电子工程与计算机科学系还会开设大规模集成电路设计(VLSI)等课程，以加深学生对于计算机系统的全面了解。

虽然学校之间要求不同，但是作为计算机科学的一门核心课程，计算机组成和系统结构在每个学校都有着很重要的地位，而且都会配有相对应的实验课程，使学生有更加直观的认知和实践经验。

2 美国大学计算机组成与系统结构实验课程内容与分析

2.1 UC Berkeley(University of California, Berkeley)

对于UC Berkeley关于计算机组成与系统结构的课程设置，袁春风教授等[1]在《计算机教育》杂志中已经作出深入而详细的总结。CS61C(Machine Structures)[2]作为所有和计算机组成与系统结构相关课程的先修课程，实验部分采用高级语言实现和软件模拟的方法。CS150(Components and Design Techniques for Digital System)[3]的实验采用FPGA实现MIPS指令系统的方式，并由一个游戏程序进行验证。由此可见对于电子工程与计算机科学系(EECS)的UC Berkeley采用了软件和硬件实验并重的方式，使学生能够全面地了解计算机系统。

2.2 MIT(Massachusetts Institute of Technology)

作为又一个EECS，MIT的“电子工程与计算机科学系”也是注重学生对底层硬件的掌握与设计。和计算机组成与系统结构实验相关的课程主要是6.004 (Computation Structures)[4]。课程的内容从基本的信息系统和数字系统的概念，讲到电路中的时序逻辑、有限状态机(FSM)，然后从计算机系统中的流水线、指令集，介绍到机器语言、编译等。后期课程根据计算机系统设计中常见的问题，讨论了例如中断、死锁、流水并行等。整个课程涵盖范围很广，很多地方已经涉及到了编译原理、操作系统等课程的内容，对学生的要求较高。

对于MIT课程6.004配套的实验，开始部分采用了类似于HSPICE的模拟器JSim对基本电路和部件的特性进行模拟和了解，设计了如基本的加法器、算术逻辑单元(ALU)、有限状态机等。然后他们采用了根据课程配套开发的BSim模拟器，来提供对于课程中用到作为实例的Beta 处理器结构(图1)的支持。Bsim可以提供高级语言程序的输入，编译和二进制代码转换，载入代码和模拟执行，并显示结果。学生要求实现手动的编译程序(写出高级语言对应的汇编程序)，用JSim实现对应的Beta Architecture，在原有的指令系统中加入新的指令，最后实现并验证整个系统。由此可见，MIT的实验课程也是强调硬件模拟(JSim)和软件模拟(Bsim)的结合，通过从高级语言到机器执行的整个过程的介绍，让学生有一个全面的了解。

图1 MIT 课程6.004 Computation Structures中的Beta 处理器结构[4]

2.3 Stanford University

Stanford的计算机科学(CS)与电子工程(EE)是两个独立的系，因此他们之间的课程也相对独立。目前和计算机组成与系统结构相关的课程主要有：CS的CS107(Computer Organization and Systems)[5]，EE的EE108a(Digital Systems I)[6]和EE108b(Digital Systems II)[7]。

CS107(Computer Organization and Systems)由于是设立在计算机系(CS)，课程强调从C语言编程的角

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关键词：高级计算机系统结构，流水线技术，指令系统

1流水线技术

1.1 流水线的基本概念

计算机系统结构的国际权威美国Stanford大学的John L.Hennessy和UC Berkely大学的 David A.Paterson在其名著《Computer Architecture-- A quantitative approach》一书别指出：“流水线过去是，而且将来也很有可能还是提高计算机性能的最有效技术之一”[1]

流水线技术（Pipeline technology）是将一个重复的时序过程分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。流水线中的每个子过程及其功能部件称为流水线的级或段（pipeline stage），流水线的段数称为流水线的深度（pipeline depth），段与段相互连接形成流水线。

1.2 流水线的分

从不同的角度和观点，可以把流水线分成多种不同的种类：

1.单功能流水线（single-function pipeline）：只能完成一种固定功能的流水线

2.多功能流水线（multi-function pipeline ）：流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，或者在同一时间完成不同的功能。

3.静态流水线（static pipeline）：在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。

4.动态流水线（dynamic pipeline）：在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。

5.部件级流水线（component level pipeline）：把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各种数据类型进行流水操作。

6.处理机级流水线（processor level pipeline）：把解释指令的过程按照流水方式处理。

7.处宏流水线（macro pipeline）：由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成一项任务。

8.标量流水处理机（Scalar pipeline processor）：处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理。

9.向量流水处理机（vector pipeline processor）：处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元素进行处理。

10.线性流水线（linear pipeline）：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。

11.非线性流水线（non-linear pipeline）：流水线中除有串行连接的通路

外，还有反馈回路。

12.顺序流水线（order pipeline）：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。每一个任务在流水线的各段中是一个跟着一个顺序流动的。

13.乱序流水线（out-order pipeline）：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成（从输出端流出）。

1.3流水线的相关与冲突

相关（correlation）是指两条指令之间存在某种依赖关系。如果两条指令相关，则他们就有可能不能在流水线中重叠执行或者只能部分重叠执行，

1. 结构相关（structure correlation）：当指令在重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，发生资源冲突时将产生“结构相关”；

2. 数据相关（data correlation）：当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就可能引起“数据相关”；

3. 控制相关（control correlation）：当流水线遇到分支指令或其他会改变PC值的指令时就会发生“控制相关”。

流水线冲突（pipeline conflict）是指对于具体的流水线来说，由于相关的存在，使得指令流中的下一条指令不能在指定的时钟周期执行。流水线冲突有三种类型：

1.结构冲突（structure conflict）：因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。解决方法：流水化功能单元；资源重复；暂停流水线。

2.数据冲突（data conflict）：当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结果而发生的冲突。

3.控制冲突（control conflict）：流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令所引起的冲突。

2.指令系统

2.1 指令系统的基本概念

[2]指令系统（instruction system）是指机器所具有的全部指令的集合 ，它反映了计算机所拥有的基本功能。在计算机系统的设计和使用过程中 ，硬件设计人员采用各种手段实现指令系统 ，而软件设计人员则使用这些指令系统编制各种各样的系统软件和应用软件 ，用这些软件来填补硬件的指令系统与人们习惯的使用方式之间的语义差距。计算机指令系统分为两类：复杂指令系统（CISC）和精简指令系统（RISC）

2.2 复杂指令系统 （ CISC ）

2.2.1CISC的产生

早期的计算机 ，存储器是一个很昂贵的资源 ，因此希望指令系统能支持生成最短的程序。此外 ，还希望程序执行时所需访问的程序和数据位的总数越少越好。在微程序出现后 ，将以前由一串指令所完成的功能移到了微代码中 ，从而改进了代码密度。此外 ，它也避免了从主存取指令的较慢动作 ，从而提高执行效率。在微代码中实现功能的另一论点是： 这些功能能较好的支持编译程序。如果一条高级语言的语句能被转换成一条机器语言指令 ，这可使编译软件的编写变得非常容易。此外 ，在机器语言中含有类似高级语言的语句指令 ，便能使机器语言与高级语言的间隙减少。这种发展趋向导致了复杂指令系统 （ CISC ）设计风格的形成 ，即认为计算机性能的提高主要依靠增加指令复杂性及其功能来获取。

2.2.2 CISC 的主要特点

CISC指令系统的主要特点是：

（1）指令系统复杂，具体表现在以下几个方面：

①指令数多 ，一般大于 100条。

② 寻址方式多 ，一般大于 4种。

③ 指令格式多 ，一般大于 4种。

（2）绝大多数指令需要多个机器时钟周期方可执行完毕。

（3）各种指令都可以访问存储器。

2.3 精简指令系统 （RISC）

2.3.1RISC的产生

由于CISC技术在发展中出现了问题 ，计算机系统结构设计的先驱者们尝试从另一条途径来支持高级语言及适应 VLSI技术特点。1975年IBM公司 John Cocke提出了精简指令系统（RISC）的设想。到了1979年，[4]美国UC Berkely大学由 Patterson 教授领导的研究组，首先提出了RISC这一术语 ，并先后研制了 RISC-Ⅰ和 RISC-Ⅱ计算机。1981年美国的Stanford大学在Hennessy教授领导下的研究小组研制了MIPSRISC计算机 ，强调高效的流水和采用编译方法进行流水调度，使得RISC技术设计风格得到很大补充和发展。到了90年代初，IEEE的Michael Slater 对于RISC的定义作了如下描述：RISC处理器所设计的指令系统应使流水线处理能高效率执行 ，并使优化编译器能生成优化代码。

2.3.2 RISC 的主要特点

RISC为使流水线高效率执行 ，应具有下述特征：

（1）简单而统一格式的指令译码；

（2）大部分指令可以单周期执行完成；

（3）只有 LOAD 和 STORE 指令可以访问存储器；

（4）简单的寻址方式 ；

（5）采用延迟转移技术 ；

（6）采用 LOAD 延迟技术。

RISC为使优化编译器便于生成优化代码 ，应具有下述特征：

（1）三地址指令格式 ；

（2）较多的寄存器 ；

（3）对称的指令格式。

2.4 RISC和CISC 的比较

2.4.1不同的实现方式

两者的实现方式是不一样的。对于CISC来说，采用的存储结构是比较易于实现的数据和指令合一的方式。采用这种存储结构的原因是CISC具有比较高级的指令语义，同时具有比较长的执行指令的周期。而对于RISC来说，其采用的存储结构是数据和指令相互分离的结构，这是因为其采取了逻辑的硬布线方式，同时对于指令的读取比较频繁。

2.4.2不同的编译器要求

如果时钟频率相同，同时失去编译器，那么RISC与CISC的体系结构的计算机的效率其实并没有差别。而且相对来说，RISC体系结构更加需要编译器对指令的优化。CISC具有很大的市场，同时技术的发展也已经相当成熟。RISC体系结构并不能够直接取代CISC的体系结构。固然，RISC体系结构具有很强的竞争力，但是其逻辑硬布线到目前为止并没有统一的规定。RISC也并不是传统意义上的概念，现代的RISC也具有很多明显的变化，主要表现在：具有分支预测的功能、能够超标量执行，同时还能够乱序执行指令。

3.计算机系统结构的发展势

3.1多线程体系

所谓的多线程技术（multithreading technology）[5]，是一种结合了冯诺依曼的控制流模型以及数据流模型的新兴技术。它能够进行现场的指令级交换以及顺序调度。一般说来，在线程中，如果其中一条指令执行，那么相应后面的指令都会相继执行。线程可以成为计算机中调度执行的基本步骤，同时计算机中可以同时并发运行许多个线程。这样做的好处是：提高了并行度的效果，同时又能相互隐藏延迟的操作。多线程有着许多优点，同时也有一些不足之处。它的优点是能够在很大程度上提高整个处理器的利用效率，在整体上使计算机的性能提高到一个新的档次。多线程技术能很好地隐藏几乎所有的延迟，这是诸如分支预测错误延迟技术等其它技术所不具备的。因此，多线程技术能够在计算机微处理器的结构中具有很高的应用价值。

3.2 高性能计算

[6]高性能计算（high performance computer，HPC）是计算机集群系统，它通过各种互联技术将多个计算机系统连接在一起，利用所有被连接系统的综合计算能力来处理大型计算问题。高性能计算方法的基本原理就是将问题分为若干部分，而相连的每台计算机均可同时参与问题的解决，从而显著缩短了解决整个问题的计算时间。解决大型计算问题需要功能强大的计算机系统，随着高性能计算的出现，使这一类应用从昂贵的大型外部计算机系统演变为采用商用服务器产品和软件的高性能计算机集群体。因此，高性能计算系统已经成为解决大型问题计算机系统的发展方向。其中，混合体系统结构已成为HPC发展趋势。

4.结束语

目前计算机的发展十分迅速，已经在各个方面彻底改变了现代人们的生活方式和工作方式，人们的沟通以及工作的效率得到了很大程度上的提高。本论文简要介绍了计算机流水线技术，指令系统 ，然后提出了两种指令系统（RISC和CISC）并对比了两种不同的体系结构，比较了这两种体系结构中存在的问题，进而提出计算机体系结构的发展趋势。

参考文献：

[1] 郑炜民 汤志忠等译John L.Hennessy， David A.Paterson 计算机系统结构：一种定量方法（第二版）[M] 北京：清华大学出版社，2002

[2] 谈怀江 计算机指令系统的变化及发展 孝感学院计算机科学系 [J]，2014

[3] 李成铮，魏立津 计算机体系结构的发展及技术问题探讨 华中科技大学文华学院 [J]，2008

[4] 刘超.计算机系统结构.[M]中国水利水电出版社，2005.

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摘要：本文对计算机专业“计算机组成原理和系统结构”课程的实验目标、实验内容及其课程设计的目标与内容进行了探讨，并提出了考核方法。

关键词：实验；课程设计；实践教学

中国分类号：G642

文献标识码：B

“计算机组成原理与系统结构”课程综合了“计算机组成原理”和“计算机系统结构”两门课程的要求，是应用型本科计算机专业的专业基础课、计算机硬件与结构方向非常重要的一门课程。其实践课主要是为了让学生建立计算机的整机概念，加深对计算机“时空”概念的理解和对计算机系统性能评测的应用，提高应用集成电路的基本技能，培养和提高独立工作能力、实际动手能力、分析和解决问题的能力。

1实验设备

2003年初我院加大实验室建设投入，全面改善实验室条件，添加了30台西安唐都科教仪器公司推出TDN-CM++计算机组成原理与系统结构教学实验系统。该系统通过对各计算机部件和多种模型计算机的设计及实现而高水平地支持“计算机组成原理”课程的实验教学，并通过对指令设计方法、时空并行性、指令并行性等多种计算机体系结构的设计和研究来开展“计算机系统结构”课程的实验教学。

2实验目标和内容

运算器组成实验目标是要求学生加深理解运算器的基本组成、工作原理，熟悉简单运算器的数据传送通路；掌握算术逻辑部件的功能原理及74LS181的功能；掌握移位电路的工作原理和使用方法；掌握运算器中通用寄存器的工作原理和使用方法；掌握运算器中运算结果判断电路的工作原理和实现方法。实验内容主要是验证运算器的8位加、减、与、移位、进位、直通功能；验证4位乘4位功能。按给定的数据，完成几种指定的算术和逻辑运算。其中大部分属于简单的验证式实验。还可以让学生自行探索实验步骤和任务。比如，学生验证完运算器的加运算之后，再让学生自行探索减法的实验步骤并完成相应任务。

存储系统实验目标是要求学生理解计算机主存储的作用，掌握存储器的构成；掌握半导体静态随机存取存储器(RAM)的工作原理及读写方法；掌握用存储器芯片构成主存储器时，如何进行字/片选技术，了解使用半导体存储器电路时的定时要求。实验内容主要是对存储器存储单元进行先写后读，属于简单的验证式实验。还可以让学生自行设计实现存储器容量的扩展。

控制器实验目标是要求学生加深理解计算机控制器中时序控制部件、指令部件、地址部件、操作控制部件的基本组成和工作原理；掌握微程序控制器的基本组成、微指令格式、设计方法、写入过程、执行过程；掌握硬布线控制器的组成原理和设计方法。实验内容主要是微程序控制器中微指令编制、写入、执行过程；硬布线控制器的指令执行过程。属于有一定难度的验证式实验。还可以让学生根据设备本身的系统结构设计微程序、写入并运行。

总线控制实验目标是要求学生熟悉总线的概念、作用及特性；掌握用总线传输数据的控制原理和方法；掌握总线仲裁的方式及方法。实验内容主要是控制总线实现数据由输入设备通过总线向通用寄存器或者存储器传送。属于验证和设计式实验。

模型计算机实验目标是要求学生通过模型计算机实验理解计算机的工作原理、性能评价标准和方法，以及计算机的“时空”概念。建立计算机的整机概念，为后边的模型计算机的设计打下基础。实验内容主要是基本模型计算机实验，复杂模型计算机实验，用CPLD实现模型计算机实验，基于RISC处理器的模型计算机实验，基于重叠技术的模型计算机实验，基于流水线技术的模型计算机实验。属于验证式实验。

3课程设计的目标和内容

在学期快要结束的时候，专门留出来一两周时间让学生进行“计算机组成原理和系统结构”的课程设计，主要内容是模型计算机的设计。要求根据设备情况，自行设计指令系统(包括算术逻辑运算指令、访存指令、转移控制指令、I/O指令和停机指令)的微程序来控制模型计算机实现功能。并且要求各组课程实践人员设计的指令系统各不相同，基于的设备或技术也不相同。比如设计指令系统实现基本模型计算机、基于CPLD的模型计算机、基于RISC处理器的模型计算机、基于重叠技术的模型计算机、基于流水线技术的模型计算机。

4考核方法

实验报告主要包含预习报告、原始记录和总结报告三部分。学生在做实验之前自己组织时间查询资料书写实验预习报告(包括实验的目的、要求、内容和步骤)。在实验室做实验前，指导教师根据预习报告书写情况给出相应等级的成绩并记录在实验报告上(包括教师签名和日期)，然后指导教师讲解本次实验的目的、步骤及注意事项。实验过程中，要求学生认真填写实验记录(包括实践/调试过程，实验结果)，在实验结束前10分钟由指导教师在实验报告上给出成绩(包括教师签名和日期)。实验结束后学生在实验报告上写出本次实验的总结报告(包括实验结论，实验讨论，实验清单)，下次做实验时再交上实验报告，由指导教师填写学生该次实验的最终成绩(包括教师签名和日期)。实验成绩占本课程最终成绩的20%。

课程设计的考核内容分四大项。系统程序设计情况(占20%)，主要是针对系统程序的可用性、实用性、通用性和可扩充性。学生动手能力(占20%)，主要是针对学生设计思路的开扩性和创新能力。报告总结(占10%)，主要是针对学生资料完成、条理清晰情况。答辩情况(占50%)，主要是程序能正确运行情况(10%)，设计错误的改正情况或按要求改变执行结果(20%)，问题回答情况(20%)。由至少两位课程设计指导教师同时参与答辩，并对答辩情况量化。课程设计单独另算一个学分。

参考文献

[1] 钟荣柏. 应用型本科计算机专业课程体系的探讨[J]． 科教文汇,2007,(4).

[2] 柴志雷． “计算机组成与体系结构”教学初探[J]． 考试周刊,2007,(27).

[3] 白中英. 计算机组成原理(第三版・网络版)[M]. 北京:科学出版社,2001.

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关键词：硬件 芯片 性能

中图分类号：TP302.1G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0031-01

新一代计算机硬件是把信息采集存储处理、通信和人工智能结合在一起的智能计算机系统。它不仅能进行一般信息处理，而且能面向知识处理，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，将能帮助人类开拓未知的领域和获得新的知识。目前，随着计算机技术的不断发展，计算机有着越来越方便、越来越人性化、越来越自动化、越来越容易操作的趋势。

虽然计算机的制作技术已经发生了极大的变化，但在基本结构上，一直沿袭着冯.诺依曼的传统架构，即计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本构件组成。计算机硬件体系结构的发展主要体现在两个方面的发展，一个是研制新型的计算机体系结构，提高并行计算和处理能力，其次是以硬件或固件为发展主线的大规模集成电路的研制和开发。

（1）软、硬件的功能分配是计算机系统结构的主要任务，而软件和硬件在逻辑功能上又是等效的。从原理上讲，软件的功能可以用硬件或固件完成，而硬件的功能也可以由软件模拟实现。提高硬件功能的比例可提高解题速度，减少程序所需存储空间，但会增加硬件成本；提高软件功能的比例可减低硬件成本，提高系统的灵活性，但解题速度会下降，而且软件设计费用和所需的存储器用量也要增加。计算机硬件成本不断下降，软件成本的不断上升，计算机的硬件越来越便宜，软件越来越昂贵，因此，计算机系统朝着硬件比例越来越大的趋势发展。

（2）硬件的发展就是在不断的追求体积更小巧、集成度更高、性能更好、生产更快速、价格更低廉的芯片。现在处理器的发展真可谓日新月异，CPU对于计算机对计算机性能的发挥起着至关重要的作用，所以不断的提高CPU的性能将对电脑的性能起到巨大的推动作用。计算机硬件的核心技术是微电子技术和光电子技术。从1995年以来，芯片制造工艺的发展十分迅速，新的生产工艺可以提高芯片的集成度。在不增加芯片面积的情况下，使用更精细的生产工艺可以比老工艺大大增加的晶体管数量，并可以扩展新的功能采用最新制造工艺后，相同晶体管会占据更小的面积，使一块晶元能够切割出更多处理器，使整体处理器成本降低，直接结果就是单颗处理器售价降低。同时，速度越来越快，功耗越来越小。纳米技术的运用也使这些电器产品更加智能化，功能更多。整合性的东西越来越多，如声卡、显卡、网卡都地整合到主板上，这样可以使电脑的价格更加便宜。

随着信息时代的到来，各层次的电脑用户对电脑的性能提出了更高的要求。在市场需求上看，无论是企业用户，还是个人用户，多任务、多线程的应用越来越广泛，传统的单核处理器在同时处理多个线程的时候显得力不从心，提升处理器多任务处理能力是迫切需要解决的问题。双核和多核处理器能大幅度提高了PC的工作效率。这也就表明双核和多核也是未来科技发展的必然需要。

（3）存储器的发展也具有容量大，体积小、价格低的趋势。随着信息量的不断增加，对数据的存储需求提出了更高的要求。存储器的发展将更多的关注速度和可靠性的提高，要具有更好的扩展性。借助于先进的工艺优势，存储芯片的封装尺寸更小，也决定了存储器的低电压特性，更促进了便携式产品的发展。

（4）随着微电子技术的飞速发展，计算机的体积越来越小，速度越来越高，容量越来越大，功耗越来越低，可靠性越来越好，输入输出设备也朝着高性能、多样化、智能化和多媒体方向发展。同时，随着计算机输入、输出设备的发展，人机界面越来越友好。一方面设备中也已越来越多地嵌入微处理器和软件进行控制以达到智能化和高性能的目标，另一方面也常常将原属于设备或设备控制器的部分功能直接设计进CPU，以便降低成本和改善性能。

迅猛发展的计算机硬件技术，为计算机软件的不断更新创造了良好的平台。未来计算机的发展，应更进一步缩短高级语言与机器语言、操作系统与系统结构，程序设计环境域系统结构之间的语义差距，这些差距是用软件来填补的，语义差距的大小实质上取决于软、硬件功能的分配，差距小了，系统结构对软件的支持就加强了。软件跟上硬件的发展步伐还需要时间。目前，随着数字模拟融合、微机电融合、电路板硅片融合、硬软件设计融合的趋势，新一代集成电路技术和IP核产业的发展势在必行，嵌入式整机的开发工作也从传统的硬件为主变为软件为主，嵌入式软件的发展将成为主流，会有超长的生命周期。

参考文献

[1] 耿增民.计算机硬件技术基础[M].2版.人民邮电出版社，2012.

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关键词：单片机；嵌入式系统；开发

随着社会经济的快速发展，在强大的经济实力支持下，近年来我国科学技术领域也获得了长足的进步，科学技术的快速发展及其在社会各个领域的广泛应用，在极大的提升各领域生产力及生产效率的同时，也为各领域创造了巨大的社会经济效益，其对于保障社会各领域建设事业的健康可持续发展等有着重要作用。信息技术是21世纪发展最为迅猛的科学技术之一，信息技术的快速发展，也开启了信息时代的大门，随着信息技术在社会多个领域的广泛渗透，以计算机信息技术为基础的单片机技术领域也获得了极大的发展，基于单片机的嵌入式系统的开发也成为了人们研究的热点领域之一。基于单片机嵌入式系统的研发之所以能够吸引业界如此多的注意力，究其原因主要是该系统的功能的强大性，及适用的广泛性，基于单片机的嵌入式系统能够应用到社会多个领域中，如信息家电，及手持设备等领域，不仅能够有效地提升这些领域的工作效率，为企业创造巨大的社会经济效益，还能有效地实现产品的智能化及多功能化发展，因而加大对单片机嵌入式系统开发的相关研究，有着积极意义。接下来对嵌入式系统进行简要的概述，在此基础上，对基于单片机的嵌入式系统开况进行详细的探讨。

1嵌入式系统概述

随着信息技术的不断发展，计算机系统在结构及性能方面，也在发生着重大的改变，原有的计算机系统已难以适应社会发展的需要，以及人们日益升高的对系统性能的要求，因此加大对计算机系统的研发，就显得尤为必要了。嵌入式系统便是在这样的社会大背景下应运而生的，其对于提升计算机性能，提升计算机系统的智能化水平等，有着重要作用。嵌入式系统，顾名思义是一种基于计算机技术，以实际应用为目标，可以实现对软硬件剪裁，同时在系统的安全稳定性、体积及成本和性能等方面，有着更高要求的专业计算机系统。基于嵌入式系统的优异性能，该系统已广泛应用于我国社会的多个领域，如信息家电领域，甚至在我国的国防工业领域，该系统也有着广泛的应用。

具体来说，嵌入式系统相较于以往的计算机系统，其具有如下主要特点：（1）体积小特点。随着信息技术的不断发展，人们对计算机系统在体积方面也提出了更高要求，为了更加方便人们的携带及使用，当前系统的研发有向小体积方向发展的趋势，而嵌入式系统就是一种具有较小体积的计算机系统，为了有效降低系统的体积，该系统将其部分控制部件，巧妙地安装进系统中，从而在有效的缩小系统体积的同时，也极大地提升了系统空间的利用率，降低了系统生产成本；（2）高性能特点。该系统相较于以往的计算机系统，具有更好的系统稳定性，及更高的运算速率，同时该系统在开发周期方面，也得到了急剧的降低，因而较高的性价比，也是该系统的主要特点之一；（3）存储容量不高。由于该系统不具有以往计算机系统的硬盘设备，其在数据信息的存储方面，主要借助FLASHmemory，及ROM等储存介质实现数据信息的保存，因而其存储容量不高；（4）实时性特点。该系统对时间较为敏感，在部分应用软件中，其对时间有一定的限制，若在某项操作中，其超过了规定的时间，其就不能达到预期的效果，因而该系统具有很强的实时性特性[1]。

2基于单片机的嵌入式系统开发

2.1单片机概述

随着计算机信息技术的快速发展，近年来我国单片机技术领域也获得了迅猛的发展，单片机，又可被称为微型计算机，其是一种将RAM，ROM，CPU等设备，采用高度集成的方式，将其全部设计在同一芯片上的一种微处理器。当前随着单片机技术的不断发展，其超大规模的集成技术领域，也获得了长足的进步，同时随着单片机在低质量、小体积方面的不断发展，当前我国单片机已形成了一套相对成熟的技术体系，在性能及功能性方面，也获得了极大的提高，因而单片机技术在当前社会的多个领域，诸如工艺控制，仪器仪表，以及通信领域等，已获得了广泛的应用，并取得了显著的成效，相信在不久的将来，其在社会的多个领域都有着良好的应用前景。

2.2操作系统微内核

2.2.1微内核结构

单片机作为一种微处理器，其是嵌入式系统最为核心的部分，其对于系统功能的充分发挥，发挥关键作用。嵌入式操作系统，其微内核在结构上主要由以下几个部分组成：（1）任务管理和调度模块。该模块的主要功能是，实现对任务的有效的控制及其调度，同时该模块还能有效实现各任务间的数据通信，以及对任务数据信息进行储存等；（2）硬件抽象层模块。该模块的主要功能是，在一定的硬件平台下，实现对某些硬件的有效映射，从而发挥系统的相关功效。嵌入式操作系统微内核的以上结构设计，不仅能够有效地降低系统核心的负荷，提升其运行效率，保障系统性能的充分发挥，还能有效地提升系统的可扩展性，及可剪裁性等方面的性能，因而系统的微内核结构，对于保障系统的正常运转，提升系统运行效率等，有着重要作用[2]。

2.2.2微内核结构对系统性能的作用

在嵌入式操作系统中，设计微内核结构，对提升系统的性能有着重要作用，也正是基于此，微内核结构的设计，已广泛地应用于系统开发中，然而随着人们嵌入式系统性能要求的不断提高，及系统应用领域及环境的不断拓展，当前的微内核结构设计已难以适应社会发展的需要，因而研发出体积更大，性能更高的微内核，对于满足社会对嵌入式系统的性能需要，就显得尤为必要了。然而增大微内核的体积，这也引起了当前社会各界的普遍争论，一部分人的观点是，在核心结构系统中，可以使用客户/服务器形式，如此一来，不仅会提高系统的开发成本，对系统性能也会造成较大影响；另一部分人则认为，微核心理论之所以存在较大问题，其主要原因是受到以往系统内涵理论的局限，因而如果在结构设计上不合理的话，将会极大地影响系统的性能。因此为了提升嵌入式系统的功能，加大对其微内核结构及性能的相关设计研究，有着重要作用[3]。

2.3EOS51系统结构

当前在基于单片机的嵌入式系统中，微内核基本上是EOS51系统结构，其实现过程大致是这样的，通过对任务实施有效的控制，并进行相应的切换，同时对任务间的互斥控制以及通信控制等，采取相应的时机控制操作，由此保障微内核引擎工作的正常进行。在运转中，当系统实施电的连接时，就能够通过系统存储器，获得相关的地址信息，然后再得到相关指令后，可以实现对系统的初始化，而剩下的存储设备，则由用户自行处理。如此一来的话，就能有效地保障系统的正常启动，同时其外部硬件设施等，用户也能够依照自身需求情况，进行适当的拓展，因而基于单盘机的嵌入式系统的开发，不仅具有较高的系统灵活性，同时其微内核结构的设计，也具有更广泛的适用性[4]。

3结语

由以上可以看出，基于单片机的嵌入式系统，相较于以往的计算机系统，具有更小的体积和质量，同时在性价比方面，也有着更高的竞争优势，因此加大对基于单片机的嵌入式系统开发的相关研究，有着深远意义。

参考文献

[1]陈丽芳.基于单片机的嵌入式系统开发[J].电子测试，2015（10）：13-14.

[2]张璐璐.单片机温度测量和控制系统的设计与实现[D].吉林：吉林大学，2014.

[3]刘玉良，李刚，康凯.基于MATLAB的嵌入式系统软件开发[J].天津大学学报，2012（5）：593-596.

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关键词：Linux 网络计算机 JAVA语言 优化设计 运行效率

网络计算机是信息技术和计算机技术共同发展进步的结果，随着当前信息网络技术的不断升级和广泛运用，无论是技术水平和计算机系统结构都在不断演变，积累着革命性的能量从而在未来实现质变与突破。当前，网络计算机技术在我国各行各业已经普遍无论，无论是从行业发展、服务角度而言，还是从应用性实践研究角度而言，网络计算机技术带来的革命性便利与突破都决定了其在国民经济、社会生活中的关键地位，所以，加强网络计算机应用性研究势在必行。

网络计算机系统结构原本主要是以网络、WEB服务器和浏览器三层架构为主，但是随着应用语言JAVA的出现，三层架构模式被优化、改善，无论是应用性能还是合理性能都得到提升，所以基于JAVA语言的计算结构设计和应用成为了网络计算机应用发展中的主流。对于网络计算机系统而言，它的构成主要以NCOS和NCServer为主，前者主要在网络计算机上运行，后者则集中在服务器上运行，这两个部分无论哪个，JAVA语言都占有关键地位，所以，基于网络计算机的JAVA虚拟机运行效率的技术研究能够很大程度上提升运行性能和效益，对服务性能的改善产生极为显著的影响，对于应用性能方面的探索而言十分重要[1]。

一、基于Linux的Java虚拟运行优化设计

Linux是当前主流操作系统，也是进行JAVA虚拟运行优化设计的主要平台。优化设计要在明确优化对象的基础之上，从硬件和软件两个方面保证优化条件，然后根据具体实践情况合理应用多种优化技术为其服务，最终设计出性能合理的优化方案，并在此技术上解决各类问题或者技术改良实现优化运行设计与实践。

首先是明确优化对象。优化对象可以选择Kaffe，它作为一个源代码开放的软件包而言，是一个较为优越且应用广泛的语言环境，作为优化对象来说很有价值，关于其优化的操作设计，要在深入分析语言运行环境的基础上进行设计操作。Kaffe的开发本身就是以类Unix系统为参考基础，这一特性决定了它能够能够在JAVA环境下进行一定程度的移植，对比其他结构来说优化设计难度要低了不少；Kaffe在语言环境规范上完全均从JAVA架构且十分完整，在运行方面能够顺利接入各种网络设备或者嵌入式系统等，应用性能和范围十分优越；解释器switch-case模式的性能决定了此优化设计在应用适用性方面效果卓越；以模块为基础的实现方式决定了其收缩性与高效性有一定程度的保障[2]。

其次是优化条件。优化条件包含硬件和软件两方面，硬件方面为满足一般用户有效应用需求，终端多采取地段硬件配置，这样在成本控制方面就有了一定优势，目前一般情况下硬件配置方案为低主频CPU、小容量FlashROM以及CF卡、内存等；在这些硬件条件基础上，对终端机存储器和CPU应用条件以及JVVA执行效果进行充分考虑，然后以此为考量进行Java虚拟运行优化设计。

优化技术方面目前主要以两大主流为主，分别是解释执行技术和编译执行技术的优化。解释执行技术的优化主要通过应用解释器实现，目前常用的有三种，分别是线索式、直接线索式以及内嵌线索式。编译执行技术优化主要包含三项内容，分别是即时编译、自适应优化和提前编译，这三项内容（技术）在各自的JAVA环境下运行前（时）对字节码进行编译操作使其成为本地机器码，通过缩短执行时间来实现运行环境的优化，在优化技术方面，只要通过消除、内嵌公共子表达式完成优化过程。

优化方案设计：对比分析解释技术和编译技术的运行优化效果来看，在满足相对条件、且能够取得令人满意的优化效果方面，解释器的应用是最理想成本下的选择，其中直接线索式解释器的应用是最佳方案。以此为指导进行JAVA虚拟机运行优化的设计，需要通过压缩数组以节约空间，那么可以通过合并操作数、地址跳转的方式来实现。比如32位CPU中，原本标号地址占用容量为4B，操作码长度0B-10B，在进行合并、空间节约和地址转化之后，容量占用缩减为2B，无疑能够显著提升Java虚拟机运行效率。

总之，基于Linux网络计算机的Java虚拟机运行效率的提升要根据优化目标和需求进行合理优化设计，在明确优化对象、达到优化条件的基础上应用各种技术方案进行设计，以保证达到优化目标。

参考文献：

[1]李允，罗蕾，雷昊峰，熊光泽.嵌入式Java虚拟机的性能优化技术[J].计算机工程.2011；18

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关键词：计算机专业；工程教育；系统能力；系统课程

1.计算技术发展特点分析

计算技术在20世纪个人机普及和Internet快速发展的基础上，从初期的科学计算与信息处理进人21世纪的以移动互联、物联网、云计算和大数据计算为主要特征的新型网络时代。在这一过程中，计算技术的发展特点呈现出“四类新型计算系统”和“四化主要特征”，这对计算机专业人才的知识结构与创新能力提出更高的要求。

1.1四类新型计算系统

1）嵌入式计算系统。

在移动互联网、物联网、智能家电、三网融合等行业技术与产业发展中，以嵌入式计算为主要形态的计算系统——嵌入式计算系统有着举足轻重和广泛的作用，并日益呈现网络化的开放特点。

2）移动计算系统。

在移动互联网、物联网、智能家电以及新型装备中，均以移动通信网络为基础，移动计算成为关键技术，它将使计算机或其他信息智能终端设备在无线环境下实现数据传输及资源共享，其作用是将有用、准确、及时的信息提供给任何时间、任何地点的任何客户，这将极大地改变人们的生活方式和工作方式。

3）并行计算系统。

随着半导体工艺技术的飞速进步和体系结构的不断发展，多核/众核处理机硬件日趋普及，这使得昔日高端的并行计算呈现出普适化的发展趋势；多核技术对计算系统微体系结构、系统软件与编程环境均有很大影响；同时，云计算也是建立在由廉价服务器组成的大规模集群并行计算的基础之上，因此，并行计算将成为各类计算系统的基础技术。

4）基于服务的计算系统。

无论是云计算，还是其他现代网络化应用软件系统，均以服务计算为核心技术。服务计算是指面向服务的体系结构（Service，orientedArchitecture，SOA）和面向服务的计算（Service oriented Computing，SOC）技术，是标识分布式系统和软件集成领域技术进步的里程碑。服务作为一种自治、开放以及与平台无关的网络化构件，可使分布式应用具有更好的复用性、灵活性和可增长性。Web服务技术是当前SOA的主流实现方式，已经形成规范的服务定义、服务组合以及服务访问。

1.2“四化”主要特征

1）网络化。

当今的计算系统必然与网络相关。尽管各种有线网络、无线网络所具有的通信方式、通信能力与通信品质有较大区别，但它使得与其相联的计算系统能力得以充分延伸，更能满足应用需求。网络化对计算系统的开放适应能力、协同工作能力等也提出了更高的要求。

2）多媒体化。

多媒体具有计算机综合处理多种媒体信息的集成性、实时性与交互性特点。计算机通过多媒体技术可以处理人类生活中最直接、最普遍的信息，从而使计算机应用领域及功能得到极大的扩展，使计算机系统的人机交互界面和手段更加友好和方便，非专业人员也可以方便地使用和操作计算机。

3）大数据化。

从各种类型的数据中快速获得有价值信息的能力称为大数据技术。大数据具有体量巨大、类型繁多、价值密度低、处理速度快等特点。大数据时代的来临给各行各业的数据处理与业务发展等带来重要变革，也对计算系统的新型计算模型、大规模并行处理、分布式数据存贮、高效数据处理机制等提出新的挑战。

4）智能化。

智能化将影响计算系统的体系结构、软件形态、处理算法以及应用界面等。例如，智能手机的智能搜索引擎是结合了人工智能技术的新一代搜索引擎，不仅具有传统的快速检索、相关度排序等功能，还具有用户角色登记、用户兴趣自动识别、内容的语义理解、智能信息化过滤和推送等功能，其追求的目标是根据用户的请求，从可以获得的网络资源中检索出对用户最有价值的信息。

2.系统能力的主要内涵及培养需求

2.1主要内涵

计算机专业学生的系统能力核心是在掌握计算系统基本原理基础上，熟悉如何进一步开发构建以计算技术为核心的应用系统。这需要学生更多地掌握计算系统内部各软件/硬件部分的关联关系与逻辑层次，了解计算系统呈现的外部特性以及与人和物理世界的交互模式。系统观的教育体现出工程教育特征，相比较其他专业学生的计算机基础和应用能力，计算机专业更强调对学生计算机系统能力的培养。因此，计算机专业学生的知识体系不仅需要更新与扩展，而且其系统设计创新能力必须得到强化与提升。

2.2培养需求

随着计算机科学与技术的不断进步，信息产业形态发生重要变化，新型计算系统应用日益深化，计算机专业人才培养也必须“与时俱进”，体现计算技术与信息产业发展对学生系统能力培养的需求。教育思想要突显系统观教育理念，教学内容要体现新型计算系统原理，在实践环节中展现计算系统平台技术。

我们要深刻理解系统化专业教育思想对计算机专业高等教育的影响。系统化教育和系统能力培养要采取系统科学的方法，不但要夯实系统理论基础，使学生构建出准确描述真实系统的模型，并能够用模型预测系统行为；而且要强化系统实践，培养学生有效地构造正确系统的能力。从系统观出发，计算机专业的教学应该注意教学生怎样从系统层面思考（如设计过程、工具、用户和物理环境的交互），应该讲透原理（基本原则、架构、协议、编译以及仿真等），强化系统性的实践教学培养过程和内容。

3.相关研究

3.1ACM/IEEE CS2013重视系统能力培养

ACM/IEEE最新公布的CS2013是在组织众多计算机教育专家深入调研分析、开展专题研究的基础上，给出的新的教学调整方案。它不仅对原有14个知识域进行适度调整，还增加了4个新的知识域，分别是系统基础SF、并行和分布计算PD、基于平台的开发PBD、信息保障和安全IAS。这些都涉及系统级内容，由此可见，ACM/IEEE CS2013的重点是进一步强调系统知识和系统能力的培养。

3.2专业教指委已开展相关研究

教育部计算机专业教学指导分委员会已经组织了对计算机专业学生能力培养和实践教学体系的研究，重点是如何使学生增强系统能力，全局地掌控一定规模系统。研究提出：①教学必须树立系统观，培养学生的系统眼光。学生学会站在不同层面上去把握不同层次上的系统，并全面考虑系统各部分及其与外界的逻辑与联系，完成一定规模的系统设计。②明确了计算思维能力、算法设计与分析能力、程序设计与实现能力以及系统能力为4大专业基本能力。其中系统能力占总能力的75%，包括系统认知、系统设计、系统开发和系统应用能力。

目前国内少数高等学校，如南京大学、复旦大学、北京大学、北京航空航天大学、浙江大学、西北工业大学、国防科技大学等，正在不同程度上积极进行这些方面的探索和实践。

4.系统能力培养中存在的问题

在PC时代背景下所设置的课程体系、教学及其实验内容，对学生的系统能力培养存在以下问题。

（1）课程体系中缺乏一门独立的能够贯穿整个计算机系统的基础课程。有些学校虽然有计算机系统概论课程，但是，课程内容太散太多，没有系统性，并没有围绕一个完整计算机系统框架组织内容。

（2）课程之间的衔接和关联考虑不够。目前课程设置大多按照计算机系统不同层次上的内容独立开设课程，相应的教材内容和课堂教学内容中很少体现本层次的内容与其他层次内容之间的关联，学生难以形成对计算机系统的全面认识。

（3）教学内容比较陈旧，较少涉及近年来出现的多核/众核处理器、分布式和并行计算模式等实际工作中遇到的内容，特别是对于后PC时代的学生所需的关于嵌入式系统、移动终端系统、大型数据中心云计算系统等的系统知识体系的教学还很薄弱。

（4）课程体系缺乏对系统设计和应用能力培养的整体考虑，如公共的计算机系统基础课程及内容的设置，计算机系统核心课程及内容的设置，对于不同应用系统和相关平台所需的设计和应用人才的培养应设置哪些课程（包括课程实验）等。

由于教学中对系统能力培养重视不够，所以学生在系统能力方面存在以下问题：

（1）大部分学生不能很好地建立计算机系统完整概念，缺乏系统观，只能解决局部的编程和应用问题，对于系统层面问题的解决无法胜任。

（2）大部分学生对于计算机系统的核心内容掌握不够，难以胜任复杂的涉及软/硬件协同设计的任务。

（3）由于没有很好地建立课程之间内容的关联，学生对于很多核心内容通常只知其然不知其所以然，所以其综合分析、设计和应用能力也较差，对于需要综合运用多个跨课程的概念才能解决的问题一筹莫展。

（4）教学缺乏系统性的综合实践环节，这使学生理论上一知半解，实践动手能力较差。

5.系统能力培养课程体系设置总体思路

为了更好地培养适应新技术发展的、具有系统设计和系统应用能力的计算机专门人才，我们需要建立新的计算机专业本科教学课程体系，特别是设立有关系统级综合性课程，并重新规划计算机系统核心课程的内容，使这些核心课程之间的内容联系更紧密、衔接更顺畅。

为此，我们调查了若干国外高校的本科生教学在计算机系统能力培养方面的一些做法和思路，借鉴国外大学的经验，结合我国高校计算机人才培养的特点，提出了适合于我国高等教育计算机专业系统能力培养的课程体系总体设置思路，并对相关的主要课程内容及其实验内容进行了规划。课程体系改革的思路如图1所示。

我们建议把课程分成3个层次：计算机系统基础课程、重组内容的核心课程和侧重不同计算系统的若干相关平台应用课程。

第1层次核心课程包括：程序设计基础（PF）、数字逻辑电路（DD）和计算机系统基础（ICS）。

第2层次核心课程包括：计算机组成与设计（COD）、操作系统（OS）、编译技术（CT）和计算机系统结构（CA）。

第3层次核心课程包括：嵌入式计算系统（ECS）、计算机网络（CN）、移动计算（MC）、并行计算（Pc）和大数据并行处理技术（BD）。

基于这3个层次的课程体系中相关课程设置方案如图2所示。

图2中左边部分是计算机系统的各个抽象层，右边的矩形框表示课程，其上下两条边的位置标示了课程内容在系统抽象层中的涵盖范围，矩形的左右两条边的位置标示了课程大约在哪个年级开设。虚线框、实线框和粗线框分别表示第1、第2和第3层次核心课程。

从图2中可以看出，该课程体系的基本思路是：先讲顶层比较抽象的编程方面的内容；再讲底层系统具体实现的基础内容；然后再从两头到中间，把顶层程序设计内容和底层电路内容按照程序员视角全部串起来；在此基础上，按顺序分别介绍计算机系统硬件、操作系统和编译器的实现细节。至此的所有课程内容主要介绍单处理器系统的相关内容，而计算机体系结构主要介绍不同并行粒度的体系结构及其相关的操作系统实现技术和编译器实现技术。第3层次的课程没有先后顺序，可以是选修课，课程内容应体现第1和第2层次课程内容的螺旋式上升趋势，即第3层次课程内容涉及的系统抽象层与第1和第2层次课程涉及的系统抽象层是重叠的，但内容并不是简单重复，而是讲授在特定计算系统中的相应教学内容。例如，对于嵌入式计算系统（ECS）课程，虽然它所涉及的系统抽象层与计算机系统基础（ICS）课程涉及的系统抽象层完全一样，但这两门课程的教学内容基本上不重叠，前者着重介绍与嵌入式计算系统相关的ISA设计、操作系统实现和底层硬件设计等内容，后者着重介绍如何从程序员的角度来理解计算机系统设计与实现中涉及的基础内容。

与传统课程体系设置相比，最大的不同在于，新的课程体系中有一门涉及计算机系统各个抽象层面的能够贯穿整个计算机系统设计和实现的基础课程——计算机系统基础（ICS）。该课程讲解如何从程序员角度来理解计算机系统，可以使程序员进一步明确程序设计语言中的语句、数据和程序是如何在计算机系统中实现和运行的，让程序员了解不同的程序设计方法为什么会有不同的性能等。

此外，新的课程体系强调课程之间的衔接和连贯，主要体现在以下几个方面。

（1）计算机系统基础课程可以把程序设计基础、数字逻辑电路2门课程之间存在的计算机系统抽象层中的“中间间隔”填补上去并很好地衔接起来。这样，到2年级上学期结束时，学生就可以通过这3门课程清晰地建立单处理器计算机系统的整机概念，构造出完整的计算机系统的基本框架，而具体的计算机系统各个部分的实现细节再通过后续相关课程来细化充实。

（2）数字逻辑电路、计算机组成与设计和嵌入式计算系统3门课程中的实验内容能够很好地衔接，可以规划一套承上启下的基于FPGA开发板的综合实验平台，让学生在一个统一的实验平台上从门电路开始设计基本功能部件，然后再以功能部件为基础设计CPU、存储器和接口，最终将CPU、存储器和I/O接口通过总线互连为一个完整的计算机硬件系统。

（3）计算机系统基础、计算机组成与设计、操作系统和编译技术4门之间能够很好地衔接，构成了一组计算机系统能力培养最基本的核心课程。新课程体系中计算机系统基础和计算机组成与设计2门课程对原来的计算机系统概论和计算机组成原理课程内容进行重新调整和统筹规划。计算机系统基础、计算机组成与设计、操作系统和编译技术的关系体现为：

①计算机系统基础课程以Intel x86为模型机进行讲解，它为操作系统课程（特别是Linux内核分析）提供了很好的体系结构基础。同时，在计算机系统基础课程中为了清楚地解释程序中的文件访问和设备访问等问题，会从程序员角度简单引入一些操作系统中的相关基础知识。

②计算机系统基础课程会讲解高级语言程序如何进行转换、链接以生成可执行代码的问题。

③计算机组成与设计中的流水线处理等也与编译优化相关，而且以MIPS为模型机进行讲解，而MIPS模拟器可以为编译技术的实验提供可验证实验环境。

从计算机系统基础课程的内容和教学目标以及开设时间来看，位于较高抽象层的先行课（如程序设计基础、数据结构等课程）可以按照原来的内容和方式开设和教学，而作为新的计算机系统基础和计算机组成与设计的先导课数字逻辑电路，则需要对传统的教学内容，特别是实验内容和实验手段进行修改和完善。

有了计算机系统基础和计算机组成与设计课程的基础，学生将更容易从计算机系统整体的角度理解操作系统、编译原理等后续课程。这些后续课程在内容方面不需要大的改动，但是操作系统和编译器的实验要以先行课程实现的计算机硬件系统为基础，这样才能形成一致的、完整的计算机系统整体概念。

6.结语

系统观教育对于计算机专业的所有培养方向均适用，它对专业核心课程任课教师提出了更高要求，因此必须强化计算机专业的教师培训工作，特别是重视以系统观为核心的新教材的编写工作，以便使计算机专业人才培养和教育跟上学科、技术和产业的发展步伐。

本系统研究组由国防科学技术大学、西北工业大学、南京大学、南开大学、天津大学、武汉大学、北京大学有关教授组成，他们共同进行了关于计算机专业学生系统知识、系统能力和系统课程的研讨。本研究得到机械工业出版社华章公司的大力支持。

参考文献：

[1]The Joint Task Force on Computing Curricula of ACM/IEEE，Computer Science Curricula 2013 Ironman Draft（Version 0.8）[EB/OL].[2013-03-26].http：//ai.stanford.edu/users/sahami/CS2013/.

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关键词 创新 实践 业绩定律 实验教学

中图分类号：G520 文献标识码：A

Research on Talents' Ability Cultivation

Abstract The goal of "innovative country"， the unprecedented ability to cultivate talents highlights. This paper summarizes two authors' more than 40 years' experience and ideas in the culture of human capacity， the purpose is to promote the growth of talents.

Key words innovation； practice； results law； experimental teaching

1 知识、智力、能力

1.1 知识与知识结构

所谓知识，就是人们在改造客观世界的实践中所获得的认识与经验的总和。

要使学生具有合理的知识结构，必须注意知识的使用价值和智力价值。使用价值是指所学知识在后续课程的学习和实践中的作用和效果，而智力价值是指所学知识对人的智力发展所起的促进作用大小，我们在为学生设计合理的知识结构时，必须把这两者有机地结合起来，使在有使用价值的知识体系中包含有科学的智力价值体系。

1.2 智力与智力结构

智力是指感知到思维的心理过程特征，是人认识客观事物并运用知识解决实际问题的能力，因此，它属于个体心理特征中能力的范畴。一个人的智力是在掌握人类知识经验和从事实践活动中发展的，但又不等于知识和实践。

智力是由观察力、注意力、记忆力、想象力、思考力等一般能力要素所构成的具有一定结构的系统。用数学语言描述，就是智力因数I是5种能力要素Ci的函数。即

I = f （CO，CN，CR，CO，CT） （1）

式中：

I为智力因数，它综合反映一个人的智力品质。

CO为观察力，CN为注意力，CR为记忆力，CI为想象力，CT为思考力。

智力因数在个体身上的表现，就是反映了个体的智力品质，它以智力超常、正常、低常为主要标志。我们通常所说的“聪明”与“笨”，就是对一个人智力品质的定性评价。人才学把人才分为创造型、发现型、继承型三种类型，创新型的人才大都是智力超常的人。

智力品质包括敏捷性、灵活性、深刻性和独创性，敏捷性表征的是智力活动的速度；灵活性表征的是智力活动的创造精神。爱迪生一生中之所以能有数以千计的发明创造，在很大程度上依靠了他超常的独创性的智力品质。

1.3 能力与能力结构

能力总是同成功地完成某项活动或某项任务相联系，因此能力是指一个人完成某项活动或任务的综合本领。

对大学生来讲，在教学实践中应当经常性和有针对性地培养上面所述的5种能力：

CO——观察力，它是个体精细感知事物的特性、辨别相似现象和新异现象的能力。

CN——注意力，它是个体组织自己心理活动，使之有效地指向和集中于某个认识对象的能力。

CR——记忆力，它是个体保持和再现，再认识以往对客观事物的反映内容和主观体验的能力。

CI——想象力，它是个体根据已有知识经验创造性地形成新事物的形象、推测其结构、特性及其变化的能力。

CT——思考力，它是个体合乎逻辑地对客观事物形成概念、作出判断、进行推理思维的能力，它进一步又可分为分析能力，综合能力、比较能力，概括能力和抽象能力。

1.4 业绩定律公式

一个人的智力品质对其一生的业绩有着决定性的作用，如果我们用A代表业绩，I代表智力因数，t代表勤奋度（用时间体现），那么可以写出如下业绩公式：

A=It （2）

公式表明：业绩A与智力因数I成正比，也与勤奋度t成正比，其关系可用图1表示。

业绩A可以广义地理解，在学生时期可以看作学习成绩，在科学研究中可以看做研究成绩。图1（a）告诉我们，两个人智力因数不同时，在同样的时间（勤奋度）条件下，智力因数高的人所取得的成绩就大。然而，图1（b）也告诉我们，智力因数低的人采取“笨鸟先飞”的办法，更勤奋一些（花更多的时间），那么也能取得和智力因数高的人一样的成绩。因此，从某种意义上来讲，勤奋度和智力品质有着同样的价值。爱迪生说“百分之一的灵感和百分之九十九的勤奋”，就是兼指这两者。

图1 业绩与智力因数、勤奋度的关系

智力是遗传素质、环境和教育、个人努力三方面因素相互作用的产物，是遗传和环境的对立统一。智力的发展不是由先天的遗传简单的“命定”，也不是由环境与教育机械地决定。遗传素质仅提供了智力发展的可能性，而环境和教育、个人努力则规定了人的智力发展的现实性。环境，尤其是有计划有目的的教育，对智力的发展起着决定性的作用。

我们认识环境和教育对智力发展的决定作用，目的在于创造有利于学生智力发展的环境条件（教师、图书馆、实验室），建立合理的智力结构，促使学生智力的发展并锻炼超常的智力品质，成为创造型的人才。

2 实验教学的定位和组织

2.1 实验教学的目标——发展智力培养能力

前面讲述了学生的知识、智力与能力的结构。但更重要的是，如何在整个教育过程中去实现这个结构。

传授知识，发展智力和培养能力，这三者是相互联系，相辅相成的。

传授知识，这是对教学的起码要求。“知识就是力量”这句名言，充分说明了知识的作用和价值。但我们培养的学生，不仅是人类科学文化的继承者，而且是人类科学文化的创造者，而要创造，要发展，就要依靠知识、智力和能力，三者缺一不可，如果说人对社会最终的报答是贡献，那么智力能力将起决定性的作用。因此，我们必须转变教学思想，从只重视传授知识转变到重视发展智力和培养能力方面来，这既是教育的任务，也是时代的要求。

智力也是一种能力，不过是脑的功能而已。一定的智力是掌握知识的前提，超常的智力可以使学生获得更多的知识，获得更多的能力，而知识增多了，又可促进智力的发展和能力的提高。

智力是通过对知识的掌握过程而形成的。但是不能认为知识就是能力。知识是能力的基础，能力是知识的集中体现。“无知必然无能，无能很难有知”，足以说明知识与能力之间的辩证关系。能力是要经过专门训练的，要靠培养，要靠发展。能力总是与成功地完成某项活动或任务相联系，是在实践活动中发展的。“实践出智慧，实践长才干”，就是这个道理。

从表达式（1）可知，智力因数I是能力要素Ci的函数，要发展智力，必须重视培养能力。而能力总是同成功地完成某种活动相联系，要培养能力，必须重视实践性教学环节。我们不能因为能力的发展与知识的获得有联系，就认为学生的能力培养，可以在教学过程中自发地实现。有鉴于此，在教学中应该明确地提出培养能力的要求和目标，并且有计划地自觉地去实现这个目标。

2.2 实验教学队伍

高素质的实验教学队伍建设是落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要》的重要任务之一，也是培养创新型人才的必要条件。高素质的实验教学队伍应具备：（1）热爱和忠于教师职业；（2）具有相应的学术水平和丰富的实践教学经验；（3）富有创新精神；（4）富有奉献精神。

长期以来，高校实施的考评体系并没有对实验教学队伍有多少倾斜政策，例如职称问题，聘岗问题，要求数，要求科研经费数。然而实际上每个具体承担实验教学任务的老师工作量十分繁重。这些政策的后果是：实验课教师感觉低人一等，教改无极积性，整天忙于日常的实验教学。试问：没有优秀的实验教学队伍，何谈高水平实验？何谈培养创新型人才？

高素质实验教学队伍的建设需要进一步落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要》，即使没有倾斜政策，至少要做到公正公平。例如实验教学队伍中为什么不设置国家级和省级“实验名师”，以改变他们在社会和学校中的地位呢？

2.3 三种实验类型和三个结合点

（1）三种实验类型体现三大台阶：

基础验证型：巩固书本知识，培养基本动手能力。

综合设计型： 综合运用课程知识，全面培养实验能力。

研究创新型：超出课程要求，发挥学生观主动性，启发提高实验水平。

前两种实验面向所有学生，第三种实验只面向少数优秀学生。

（2）三个结合点有效组织实验的过程：

课程要求：面向全体学生的基本要求。

实验项目：分组综合实验，培养团队精神。

因材施教：专业/非专业；不同层次/不同基础/不同兴趣。

2.4 计算机学科基础实验教学的设计

（1）计算机学科基础12门核心课程——三硬三软三系统三理论：

三硬：数字逻辑，计算机组成原理，计算机系统结构。

三软：数据结构，数据库原理，编译原理。

三系统：操作系统，计算机网络，嵌入式计算机系统。

三理论：离散教学，形式语言与自动机，算法分析。

计算机学科是一个实践性很强的学科，包括计算机科学与技术、计算机科学、计算机工程、软件工程、信息安全等诸多专业，上述课程中大部分为专业基础课，必须有实验教学手段做支撑。图2 示出计算机学科实验教学的课程群分类体系。公共基础是全校性的基础课，如C语言程序设计。

图2的实质表示计算机学科学生能力培养路线图。能力培养目标是“先立地后顶天”，“立地”是单门课程实验，“顶天”是计算机系统级实验。

（2）计算机硬件基础课程群的实验教学设计：

计算机硬件基础课程群包括数字逻辑、计算机组成原理、计算机系统结构、接口技术四门课程。有些专业方向偏软的院校将后两门课合而为一，取名为计算机组成与体系结构，如图3所示。

①数学逻辑：技术基础课

基本实验：要求学生掌握基本门器件；常用组合逻辑和时序逻辑功能部件设计；存储逻辑E2PROM应用，大容量可编程器件应用；EDA设计工具和VHDL语言。

综合实验：要求学生用EDA技术完成至少4个以上的中型设计课题。

②计算机组成原理：专业基础课。

基本实验：要求学生掌握运算器；双端口存储器；数据通路；微程序控制器；并用它们组一个CPU整机，且用单步或连续方式执行指令周期实验。

综合实验：要求学生用EDA技术设计一个硬布线控制器实现的CPU，并单步或连续方式执行验收程序。

③计算机系统结构：重要的专业课。

课程重点讲述计算机时间并行技术和空间并行技术。前者用流水技术实现，后者用多CPU技术实现。考虑技术复杂性和实验成本，教学实验采用如下两种方式：

硬件形式：采用TEC-8实验系统，实现一个流水CPU。

软件形式：采用仿真软件，实现一个流水CPU。

④计算机组成与体系结构、专业基础课。

基本实验、综合实验：要求与计算机组成原理相同。

⑤计算机硬件技术基础：高职高专计算机专业、理工类非计算机专业必修课。

基本实验：剖析一个简单CPU（TEC-6实验系统）

基本实验：用《片上系统单片机》进行编程和接口设计（TEC—6B实验系统）。TEC-6B实验系统也用来完成计算机学科的《接口技术》课程实验。

（3）计算机学科实验教学实施原则：

实施原则总结为十六字方针——四年不断，课程为界，先分后合，构建系统。

所谓四年不断，就是从大一到大四都安排有实验教学。

所谓课程为界，就是实验设计执行课程教学大纲，不要越界。

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关键词：计算机科学导论；课程体系；独立学院

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)19-4768-02

Study on Curriculum System of Computer Science Introduction in Independent College

WANG De-chao

(College of Fundation Education, Sichuan Normal University, Chengdu 610066, China)

Abstract: A case study of Arts and Sciences College of Sichuan Normal University, deals with the teaching characteristic of independent college for the courses of introduction to computer science, and from the many years of teaching practice, summarized the course of teaching methods, according to the contacts between this curriculum and other courses in the professional, was proposed for introduction to computer science curriculum structure of independent colleges. Displayed from the nearly three-year teaching, this curriculum structure is in line with training objectives of independent college for this course.

Key words: introduction to computer science; course system; independent institute

《计算机科学导论》是计算机科学与技术相关专业的引导性专业基础课程，其课程体系结构设置，是计算机教育界的热门论题。在1991年ACM和IEEE-CS攻关组提交的CC1991(Computing Curricula 1991)报告中，明确提出了构建计算机科学导论课程体系的具体要求和重要性，由此引发了计算机教育界有关如何设置计算机科学导论课程体系结构的讨论热点。在2002年我国计算机科学与技术学科教程研究组提出的“中国计算机科学与技术学科教程2002”（China Computing Curricula 2002，简称CCC2002）[1]中，明确指出了计算机科学导论课程的基本内容纲要，为我国构建计算机科学导论课程体系结构提供了重要依据。通过我国多年的教学实践表明，在CCC2002纲领性精神指导下，本课程体系的设置既要结合专业的培养方向，又要考虑学生的具体知识背景情况，辅以灵活多样的教学方法才是实现本课程目标的关键。

《计算机科学导论》是计算机科学与技术专业学生的第一门重要的专业基础课。其主要教学目标是让学生了解计算机发展的历史及其应用领域，了解计算机学科的各个专业方向，掌握计算机的基础知识和基本操作技能，了解计算机学科研究的领域和科学思维方法，明确计算机专业需要学习的主要课程及今后的职业生涯中需具备的职业道德和专业素养。

《计算机科学导论》教学内容的设置方面，由于生源和地区差异，还有不同高校专业培养目标差异等因素，计算机科学导论内容体系的构成存在较大的随意性。当前我国各高校计算机科学导论教材内容主要有两种情况，一种是将《计算机科学导论》完全等同于非计算机专业的《大学计算机基础》或称为《大学计算机文化基础》课程；一种是将《计算机科学导论》课程当成计算机科学与技术专业学生在大学期间所学专业核心课程的浓缩，面面具到，等同于将今后4年要学的主要核心专业课程均学过遍。笔者认为，这两种计算机科学导论课程均存在程度不同的不足之处。第一种过于简单，失去专业导向性课程的特征，专业本身需具备的知识基础和操作技能素养会丢失；第二种因内容广而散和概念多而杂，教学内容的深度和广度难以把握，学生难以接受，教学效果最差。这两种类型的计算机科学导论均不适合独立学院的应用型人才培养目标特点，难以达到本课程应实现的教学目的。下面从独立学院人才培养目标出发，提出了适合独立学院的《计算机科学导论》课程体系结构。

1 独立学院的培养目标与计算机科学导论的教学目标

我国普通高校学生生源基础划分为三个层次：一本层次主要是211或985高校，其生源基础最好；二本层次主要是除一本院校外的所有公立高校，由于平行志愿的普及，其生源基础水平较平均地处于中等；三本层次主要是民办院校、公办民助二级学院及民办独立学院，是利用非国家财政性经费举办并实施本科学历教育的高等学校，其生源基础应该是最差的。尽管独立学院可以依托母体学校充裕的教学资源，由于其办学机制模式与普通本科院校不同，同时，独立学院因其招生的限制，对学生的培养与定位也存在着一定的差异。一般来说，独立学院的学生知识基础和学习意志力相对薄弱，缺少自主学习习惯。因为需要依托母体学校的教学资源，专业教师与学生的沟通受到限制。在学习或生活的诸多方面，独立学院学生都会表现出自我约束力不强，独立性较差等特点。学风是一所大学的灵魂，也是立校之本。现在已经有主要针对三本院校(独立学院等)学风建立的学生上课出勤情况考勤系统与网络管理平台[2]。因此，三个层次院校具有不同的人才培养目标。一本院校主要培养科学研究与创新型人才；二本院校主要培养工程型人才；三本院校主要培养应用型人才。有了独立学院应用型人才培养目标，相应地就确立了计算机科学导论课程的教学目标。计算机科学导论主要目标是对计算机专业完整知识体系的概览，通过该课程的学习，让学生对计算机的发展史、计算机科学与技术专业的基本知识及知识体系、计算机学科方法论及计算机专业人员应具备的能力素质和职业道德有一个基本的掌握，了解计算机硬件软件系统知识，数据与编码知识等，能熟练地使用并能简单维护计算机，并且能够初步树立起计算的思维方式，为今后深入学习计算机相关课程做铺垫。

2 独立学院计算机科学导论教学方法

在课程的教学中，应更多地考虑如何培养学生对所学专业的浓厚兴趣。计算机科学导论的教学对象是刚步入大学的学生，普遍不具备良好的计算机基础知识和计算机基本操作技能，甚至对计算机一无所知。在教学过程中应善于通过形象而生动的举例来引导学生理解计算机学科中的抽象概念。同时要充分利用多媒体教学手段，以图文并茂的方式形象而生动地演示较为抽象或难以用语言描述的教学内容。如在讲授计算机系统工作过程等时可用视频或Flas来生动地演示其执行过程。由于独立学院学生的特点，可采用“任务驱动”和“案例驱动”的教学方法，循序渐近地培养学生的独立自主学习和勤思维的习惯。考虑到本课程理论性较强，抽象概念多而杂等特点，以及接受本课程的学生多数是初次认识电脑等因素，笔者提出了理论课与上机实训计划各32学时的计算机科学导论课程体系结构如下。

3 独立学院计算机科学导论课程体系结构

3.1 计算机科学导论理论课程体系结构

理论课程体系结构分为四个部分[3]，在多媒体教室借助图片、视频等多种媒体形式，以“案例驱动”模式进行教学：

1) 计算机系统基础知识：计算机系统组成、工作原理、数制和编码、运算基础、逻辑代数与逻辑电路。这部分完成的教学目标：掌握计算机的发展历程，计算机构造模型、组成及工作原理；掌握常用组合键和功能键的使用，熟练掌握双手指法，会一种中文盲打技术；熟练掌握计算机科学中四种数制间的相互转换，计算机内部二进制数的定点和浮点表示方法，三种机器数间的相互转换原理；掌握字符ASCII码、数的8421码、汉字的三种编码及可靠性编码中的各种校验码；熟练掌握二进制的四则运算，补码的加法运算，十进制的8421码运算，逻辑运算，逻辑代数中的基本概念，公式及基本运算；熟练掌握计算机中基本逻辑电路及组合逻辑电路的功能、逻辑表达式、真值表及电路符号等；掌握6种基本逻辑部件的功能、特性及其分类等。

2) 计算机系统的硬件：中央处理器、存储器、输入/输出系统、整机结构、系统结构。

3) 计算机系统的软件：算法与数据结构、程序设计语言、数据库系统、编译原理、操作系统、软件工程。

4) 计算机系统的应用：计算机网络、多媒体技术、虚拟现实、人工智能、计算机控制系统、计算机信息安全与职业道德。

3.2 计算机科学导论上机实训计划

上机实训在具有网络教学功能的计算机房中进行，先由教师网络广播教学，再让学生完成指定题目，教师讲授一个主题，学生便相应地完成一个实训任务。这种“任务驱动”实训教学模式要完成的课程计划如表1所示[4]。其中DOS操作系统实训任务主要让学生掌握常用的DOS命令操作，如表2所示，为后续计算机网络课程的学习奠定基础。

4 结束语

计算机科学导论教学内容体系结构，一直以来，是计算机教育界讨论的热点。该文分析了独立学院学生的特点，及独立学院应用型人才培养目标，论述了本课程教学方法，并按“案例驱动”模式和“任务驱动”模式提出了独立学院计算机科学导论的理论体系结构和上机实训计划方案，供本课程体系结构建设参考。

参考文献：

[1] 中国计算机科学和技术学科教程2002研究组. 中国计算机科学和技术学科教程2002[M]. 北京:清华大学出版社，2002.

[2] 姜韦钰. 从课堂考勤析独立学院的学风建设――以北京邮电大学世纪学院计算机科学与技术系为例[J]. 民办高等教育研究,2010,7(2):34-37.

[3] 王玉龙，付晓玲，方英兰. 计算机导论[M].3版.北京:电子工业出版社，2010.