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计算机系统结构课程是分析、设计、评价计算机系统的重要理论课程,也是计算机专业本科的一门十分重要的专业必修课程.计算机系统是一个由软件和硬件/固件构成的一个复杂系统[2].如何能够让学生们更好的认识、学习、理解、设计这一复杂系统成为本课程教学的基本出发点.本课程从高层俯览计算机系统的总体软硬件结构,根据电子技术发展和应用需求的变化,研究如何对计算机系统的软、硬件功能进行合理的分配,使系统达到较高的性价比.
通过本课程的学习,使得学生能够掌握计算机系统设计的基本思想和方法,提高分析问题和解决问题的能力,增强专业素养,培养学生的创新思维和创新能力.同时,通过本课程的学习,学生能够理解计算机几十年快速发展的内在推动力,掌握发展规律,从而进一步把握计算机技术和应用的发展趋势.
计算机系统结构教学存在如下问题:(1)教学内容涉及数字逻辑、计算机组成原理、操作系统、编译原理、数据结构、汇编语言程序设计等专业课,综合性强,概念多而抽象,(2)教材内容无法与新技术发展同步,(3)实验教学缺乏.上述三个问题导致了教师授课难和学生学习难的两难局面.为此,本文将基于理论讲授、专题讨论和开放性实验的“三位一体”教学法引入到计算机系统结构的授课过程中.利用精心组织的课堂讲授解决授课内容综合性强,概念抽象的问题,在授课过程中穿插专题讨论,让学生立足于经典的设计方法,探讨新技术的发展,合理安排开放性实验,理论与实践相结合,进一步提高教学效果.
1授课内容安排和授课方法探讨
计算机系统结构与计算机组成原理在课程内容上有一定的重叠,明确两门课程的授课内容,既避免内容上的重复,又保证课程之间的无缝衔接,是提高授课质量的前提.计算机组成原理主要研究计算机各功能部件的组成和工作原理,以及各部件之间的协同工作.计算机系统结构着重介绍如何最佳、最合理的实现软硬件的功能分配.计算机组成原理强调部件细节,而计算机系统结构强调系统全局,重点阐述高级语言、编译、操作系统和硬件结构的关系,及性能分析中各方面的影响,避免对软件层面的忽视[4].
合理安排系统结构课程的授课过程是提高授课质量的重点.根据授课经验,各知识模块的安排顺序如下:计算机系统结构的基础知识、指令系统、流水线处理技术、存储系统、输入输出系统、多处理机技术.计算机系统结构基础中主要介绍计算机系统结构的概念,包括经典定义和广义定义,计算机系统设计的量化方法,包括Amdahl定律、常见事件优先原则、程序的局部性原理等.指令系统中主要明确指令集在计算机系统中的位置,指令集设计的基本准则,重点介绍RISC和CISC设计的出发点和特点.流水线处理技术中重点介绍流水线性能指标及计算方法,流水线设计时遇到的一些相关和冲突问题,阐述这些问题产生的原因、造成的性能损失和相应的解决方法.存储系统中主要介绍存储层次存在的原因,衡量存储层次的性能指标,Cache优化技术,包括从失效率、失效开销、命中时间等三个方面进行优化的,并在实际中广泛采用的技术,采用一个实例如Alpha21064或者Opteron介绍经典的存储层次,对前面所阐述的各种存储技术和思想进行总结,加深同学们的理解.输入输出系统中重点介绍输入输出系统的重要性以及RAID.多处理机系统重点介绍Cache一致性问题.
采用适当的授课方法,运用合理的教学手段是提高授课质量的灵魂.由于计算机系统结构课程综合性较强,概念抽象,难以理解.采用传统教学方式,学生会感到枯燥无味,无法维持学习兴趣.因此在教学过程中采用了各种方法激发学生的学习兴趣.比如对于在讲解存储系统中Cache的映像规则时,同学们对于“直接映像”、“组相联”、“全相联”这几种映像规则相联度越高,利用率越高,但是查找越复杂的特点不好理解.此时,可以用同学们进入教室时是按照学号入座还是随便坐的例子来很方便的理解这些特点.
2穿插专题讨论
本课程中引入专题讨论主要基于一下两方面原因.
一方面计算机系统结构技术发展很快,方向很多.但是不可能在原有授课体系中加入过多新技术,也没有更多的课时来系统讲授新技术.另外,教学内容中对新技术的补充有时是把“双刃剑”,教学内容既要跟上技术的发展,是知识不致落伍,又有保证教给学生的是立足于经典知识的思维方法,而不是熟练某些技术细节[4].为了解决这个问题,我们可以采用专题讨论的形式.每当完成某一章或者某一部分的讲解之后提出相关知识的讨论题目,同学们基于已经学习的基本技术、基本思想,查阅参考资料,对新知识、新技术进行探究,思考,乃至预测其发展方向,并以文献综述、调研报告的形式总结自己的观点,然后在课堂上交流讨论.题目的选择要适当,既新颖又要注意知识的衔接,比如在微处理器结构方面的“指令融合”、“间接转移预测”,存储结构方面的“混合写回策略”,多处理机结构方面“高性能计算机体系结构发展”等.
另一方面,这也是大学教育中以学生为主体,教师为主导思想的具体体现.并且计算机系统结构课程开设在大三下学期或者大四上学期,具有了一定的专业基础.通过引入专题讨论,可以启发学生独立思考,发展学生的逻辑思维能力和独立解决问题的能力.而当学生经过认真的思考,对讨论题目深入理解后,他乐于将自己的成果与同学们分享,从而感染其他学生进一步提出自己感兴趣的问题参与讨论.这样就可以加深学生对于知识的掌握程度,提高学习兴趣[6].
3实验设计
计算机系统结构课程理论性较强,课程中的流水线技术及相关问题、指令动态调度、存储层次等内容比较抽象,使得学生在学习过程中难以理解,影响学习兴趣.通过实验研究对系统结构进行量化分析,从而更好理解相关内容,是国际上流行的一种方法.
当前国内外存在多种实验方法和手段.有的使用硬件,有的使用软件,有的侧重I/O部分,有的侧重流水部分,有的侧重实际设计,有的侧重理论理解.通过多年的教学研究,本课程组倾向于实验中主要使用模拟器进行模拟实验,帮助学生理解抽象的理论内容,对于流水线、Cache设计实验进行讲解后由学生课下完成.
对于实验内容,以帮助理解理论内容为目的,根据本文第二部分中阐述的课程内容进行安排,主要包括流水线冲突、指令调度、分支延迟、Cache性能分析、Cache一致性协议等.对于具体实验步骤,本文不再展开.
4结语
综上,通过引入三位一体教学方法,在计算机系统结构课程教学中实现了理论和实践相统一,以教师为主导和以学生为主体相统一,新知识新技术与经典思想相统一,较好的解决了该课程教学中存在的部分问题,提高了该课程的教学质量.