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計算機科學原理范文1

關鍵詞：計算機組成原理；匯編語言；教學改革

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）07-0014-02

一、“計算機組成原理”課程的特點

“計算機組成原理”是研究生入學考試的必考科目。該課程以馮?諾依曼型計算機為基礎，圍繞計算機的運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設備等五大部件詳細介紹它們的工作原理與算法以及具體實現的電路結構。通過學習本課程，要求學生熟練掌握單總線結構CPU的工作原理和設計實現的方法，同時要求學生初步掌握精簡指令系統、流水線結構、多體并行存儲器、中斷的工作原理等知識，為后續課程“微機原理與接口技術”、“計算機系統結構”做好準備。該課程首先講授了8086CPU的編程結構，然后引申出8086匯編語言的尋址方式和指令系統，學生在掌握上述知識的基礎上，進行匯編語言程序設計。匯編語言程序設計可以讓學生加深對程序設計方法的理解，同時程序的編寫和調試使學生對計算機硬件有一個感性的認識， 為以后他們學習“微機原理與接口技術”、“操作系統”等課程做準備。

根據國家教育部高教教執委的新的教學改革精神，結合我院的具體情況，我院將“計算機組成原理”與“匯編語言”兩門課程合并成一門全新的“計算機組成原理”課程。在新的教學體系中，我們將兩門課程有效地結合起來去糟取精刪繁就簡，舍去了兩門課程中的重疊部分而突出重點，形成了一套新的教學體系。

二、“計算機組成原理”與“匯編語言”教學內

容的融合

在傳統的“計算機組成原理”課程中，教師始終圍繞著計算機的五大部件按照運算器、存儲器、控制器、輸入輸出系統這個順序進行講解，在講授過程中經常會用到一些實例進行說明，而很多時候是以匯編語言做例子講解的，兩門課程融合在一起的最大好處就是教師在講授“匯編語言”的部分時，可以更好地兼顧“計算機組成原理”，讓這兩門課程做到無縫對接。

在基礎知識部分，我們首先要介紹馮?諾依曼型計算機的特點。馮?諾依曼型計算機是串行計算機的始祖，所有的串行計算機都要符合馮?諾依曼型計算機的特點，這是“計算機組成原理”基礎知識部分的重點。在課程講授過程中，教師都會畫一幅五大部件的關系圖，通過圖形示意來表示一條指令是如何在五大部件之間流動的，從而使用戶從外部觀察到計算機處于運行狀態。我們考慮從這里引入8086CPU的編程結構，從計算機組成原理過渡到匯編語言，讓指令舉例更加具體化，再結合指令的尋址方式，借機說明8086的匯編語言指令是如何在CPU中執行的。

在接下來的講授過程中，我們將介紹8086匯編語言的尋址方式和指令系統。由于在計算機組成原理課程中也有一章介紹指令系統，我們可以把這個部分與匯編語言的內容合并，以計算機組成原理的部分強調基本概念，以匯編語言的內容來強調具體應用，把內容更加具體化，舉例更具有針對性，可以使學生更好地理解尋址方式和指令系統。在這里我們在教學上做了一點改變，我們考慮到匯編語言指令數目較多的特點將指令分類，每類指令選出一到兩個具有代表性的指令進行詳細說明，其他略講，然后采用寫出指令執行結果的方式進行大量練習，從而鞏固這部分知識。

在講授了匯編語言的程序設計方法之后，再講授計算機組成原理部分的運算器與運算方法部分。在這部分我們可以利用學過的匯編語言知識，結合布斯算法和加減交替法編寫定點數乘除法的匯編語言程序，還可以編寫浮點數運算的模擬程序。在講授控制器的部分時，我們可以設計一個類8086的CPU，把它作為課堂上的CPU設計舉例，這樣把一條8086匯編語言指令放在這個CPU中運行，可以更直觀地反映指令的工作細節，促進學生對控制器的工作原理和匯編語言的理解。

三、“計算機組成原理”與“匯編語言”實驗內

容的融合

“計算機組成原理”與“匯編語言”都有實驗課，由于在講授上先講“匯編語言”的內容，因此相關實驗先進行，然后進行“計算機組成原理”的實驗。我院的“計算機組成原理”實驗課程使用的是由清華大學計算機學院研制開發的TH-union+教學實驗系統，該系統主要用于“計算機組成原理”課程的硬件教學實驗，還支持監控程序、匯編語言程序設計。在硬件上同時實現了硬布線方式和微程序方式兩種控制器結構，既支持用中小集成度的芯片實現CPU的方案，又支持用高集成度的FPGA門陣列實現CPU的方案。在軟件上可實現指令級模擬，也可以軟件模擬硬布線和微程序的操作，為學生學習硬件理論知識起到了重要的輔助作用。但是該實驗系統的匯編語言指令與8086匯編語言是不兼容的，這使學生在短期內很難快速掌握實驗系統的匯編語言指令，因此經課程組全體教師研究決定，另外開發一款新的匯編語言轉換軟件，用來實現兩種不同種類的匯編語言互相轉換。

該軟件是利用linux模擬環境Cygwin開發實現的。Cygwin是cygnus solutions公司開發的一個在windows平臺上運行的類UNIX模擬環境。在這里我們主要使用了Cygwin開發環境里的flex和gcc兩個工具軟件。利用flex工具軟件編寫的源代碼必須轉換成c語言代碼格式，然后由linux下的c語言編譯器gcc編譯成可執行文件，完成最后的開發。

由于TH-union+教學實驗系統的匯編語言指令共48條，采用精簡指令系統，每條指令的尋址方式是固定的，因此不單獨設置關于尋址方式的標志位，當指令進行譯碼操作的時候，實驗系統電路通過分析指令的操作碼既了解了指令的操作功能也了解了指令操作數的尋址方式。而8086匯編語言指令是一個復雜的指令系統，每條指令對應著多種不同的尋址方式，因此我們把教學實驗系統的匯編語言看成是8086匯編指令系統的子集。通過對轉換程序my的使用，幫助學生對比兩種匯編語言之間的相同點和不同點，通過對比學習，學生可以更快速地熟悉實驗系統匯編語言。

在這里對于不可轉換的匯編語言指令可采取兩種處理方式：方式一，發出警告提示并忽略此條指令；方式二，發出錯誤提示并強行結束程序轉換。轉換程序your分析了操作碼之后開始分析操作數的尋址方式。在這里，我們假設所有指令都采用雙操作數，因此在結構體中設置了兩個對應尋址方式的變量。具體操作時，如果分析出該操作數的尋址方式可以被實驗平臺支持，那么就將對應數值保存在結構體的對應變量中以便轉換，如果不是實驗平臺支持的尋址方式，系統將提示用戶：“你的程序中使用了不可轉換的尋址方式”，并強行結束轉換。在尋址方式轉換過程中，有一些特殊情況需要系統自動追加指令。

最后，要對輸入輸出指令單獨處理。輸入輸出操作是后續課程“微機原理與接口技術”的重要知識點。在編寫匯編語言程序過程中，當遇到輸入和輸出操作都是直接調用DOS中斷或BIOS中斷來實現的。但是教學實驗系統沒有任何中斷程序輔助操作，遇到輸入和輸出操作只能由學生自己編寫。在編寫8086匯編語言程序過程中，凡是遇到輸入和輸出操作都通過調用這兩個宏來實現。每次進行輸入輸出操作時必須先對指定的狀態寄存器的標志位進行判斷，以確定硬件是否準備好，是否可以進行輸入輸出操作。具體做法是使標號由英文字母和數字構成，每次產生新的標號，后面的數字部分就加1，保證新標號與舊標號不同。

“計算機組成原理”和“匯編語言”是計算機科學與技術、軟件工程專業的專業課程，這兩門課程存在著很多聯系同時也有一些區別，把這兩門課程合并成一門全新的“計算機組成原理”課是我院一項新的教學改革方案。如何把兩門課程很好地融合在一起就成了課程組面臨的一個新的挑戰，本文結合課程組全體教師的多年教學經驗，拋磚引玉，初步提出了一些在教學和實驗上的改革方案，希望各界同人多提寶貴意見。

參考文獻：

[1]唐朔飛.計算機組成原理：第二版[M].北京：高等教育

出版社，2008.

[2]王誠，劉衛東，宋佳興.計算機組成與設計：第三版

[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3]沈美明，溫冬嬋.IBM PC匯編語言程序設計：第二版

[M].北京：清華大學出版社，2001.

計算機科學原理范文2

關鍵詞:計算機;組成原理;教學

中圖分類號:G642文獻標識碼:A

1前言

自2009年起,“計算機組成原理”課程已被列入全國研究生入學考試必考科目之一,而且分值與“數據結構”課程相同,占總分的30%,這一新的情況給該課程的教學提出了新的要求。作為教師,如何在有限的學時內給學生講清要點,明確目標;作為學生又如何以最高的效率掌握要點,靈活運用;這是教學雙方都期S實現的理想。然而,理想的實現不僅要付出辛勤的勞動,而且要有正確的教學方法,只有方法得當,才可能達到事半功倍的效果。筆者20年來一直從事該課程的教學工作,同時擔任學生班主任工作,在教學實踐和與學生的直接接觸過程中,對該課程的教學有一些切身體會,作為拋磚引玉,希望對學習該課程的學生有所幫助,同時也希望得到執教該課程的同行們的共同商榷,以便實現共同的理想。

2把握重點,突出主線

“計算機組成原理”是計算機類專業的主干課之一,本課程的研究重點是討論單臺計算機完整硬件系統的基本組成原理與內部運行機制。教學目標是用層次結構的觀點并以信息的加工、處理為主線研究計算機硬件結構及工作原理,具體任務是使學生掌握計算機硬件系統中運算器、控制器、存儲器、輸入/輸出設備等部件的組成原理、邏輯實現、設計方法及互連構成整機的技術;培養學生對硬件系統的分析、設計、開發、使用和維護方面的能力,既為后繼課程的學習打好基礎,同時也能夠積累應對研究生入學考試及各種水平考試的必備知識。

3運算方法與運算器

(1) 定點數加、減法運算及溢出判斷

定點數的加、減運算都是以補碼形式進行的,只所以用補碼,其原因由于補碼可以使符號位與數據一起參加運算,只要運算結果沒有發生溢出,結果的符號和數據可直接獲得。

在定點數的加減運算過程中,無論是定點小數還是定點整數,運算結束后都存在一個溢出判斷問題,但是這種判斷首先應該在一個基本概念清楚的基礎上。溢出是由于運算結果超出了定點數據格式的表數范圍而引起,所以兩個符號相異的定點數做加法運算或兩個符號相同的定點數做減法運算,其結果一定不會發生溢出,即使是兩個符號相同的定點數做加法運算或兩個符號相異的定點數做減法運算,其結果也不一定會發生溢出,但必須做溢出判斷。

設操作數之一是A0A1…An,另一操作數是B0B1…Bn,運算結果為S0S1…Sn,運算過程中各位發生的進位為CfC0C1…Cn-1,運算結果溢出判斷的方法有三種:如果是雙符號位,溢出判斷可根據運算結果的兩個符號位來確定,即當運算結果的兩個符號位S0和S1不相同則發生了溢出,用表達式可表示為:V=S0S1;對于單符號位的運算有兩種判斷方式,方法之一是:若兩個操作數的符號位相同而運算結果的符號位與其相反,則發生了溢出,用表達式可表示為:V=A0B0 + S0(其含義是兩個負數相加結果的符號為正或兩個正數相加而結果的符號為負);對于單符號位運算的另一種判斷方式是:根據最高數字位與符號位的進位來判斷,如果最高數字位的進位C0與符號位的進位Cf不相同,則發生了溢出,用表達式表示為:V=C0Cf。

(2) 浮點數加、減法運算步驟及溢出判斷

浮點數的運算步驟可分為:對階、尾數加/減運算、結果規格化、舍入處理、溢出判斷等5個步驟。對階的過程就是移動小數點的過程,對階過程如何實現,方法不應死記,只要概念清楚,想一下就知道,尾數加、減是進行小數運算,所以對階后不應該讓尾數變大,只能變小,所以對階只能讓小階向大階看齊,即右移階碼小的數的尾數,每右移一位,階碼加1,直至兩數階碼相等為止。

浮點數的溢出不是由尾數運算結果決定的,而是由階碼決定的,因為尾數溢出可以通過向右規格化來處理。

(3) 定點數的乘、除法運算

定點數的乘法運算方法有兩種,其一是通過將乘法運算轉換成移位操作和加法運算來實現,補碼一位乘法的典型算法是Booth算法;另一種方法是通過陣列乘法器來實現,掌握的重點概念是符號位的負權概念。定點數的除法運算方法也有兩種,其一是通過將除法運算轉換成移位操作和減法運算來實現,另一種方法是通過陣列除法器來實現。

(4) 浮點數的乘、除法運算

浮點數的乘、除法運算可以變成兩種定點數的運算來實現,即指數的定點整數加/減運算和尾數的定點小數乘/除運算來實現。所以只要掌握了定點數的運算方法,就不難推廣應用到浮點數的乘、除運算過程中。

(5) 運算器

與運算方法相應,運算器也有定點運算器和浮點運算器兩種。運算器的核心部件是ALU,典型的ALU芯片有74181和2901,與其配套的二級先行進位芯片有74182和2902,作為學習者,不僅要掌握單個芯片的工作原理,而且要掌握用多個芯片構成位數更多的具有多級先行進位功能的ALU的方法。

典型的浮點運算器是與8086CPU配套使用的協處理器8087。

4存儲器及其體系結構

(1) 存儲器體系的構成

過去的計算機存儲器是由二級體系構成的,即主存儲器與輔助存儲器。隨著軟、硬件技術的不斷發展以及CPU速度的提高,計算機對存儲器的要求也越來越高,具體來說就是存儲空間越大越好,存取速度越快越好,單位價格越低越好。為了獲取最高性價比,現在的計算機存儲體系已增至三級,即高速緩沖存儲器(Cache)、主存儲器和輔助存儲器。其中,Cache與主存儲器構成了計算機系統的內存,Cache的容量比主存小得多,但其速度數倍于主存。由于程序運行存在局部性,通過Cache控制器將目前程序運行所需的內容由主存調入Cache,并自動實現兩者之間的換進換出,可使CPU訪問Cache的命中率達90%以上,從而使計算機擁有一個速度與Cache相當、容量與主存相同的內存。主存儲器與輔助存儲器可通過軟、硬件結合來實現虛擬存儲器,從而使計算機可以運行大小超出主存容量的程序。

(2) 不同存儲芯片的區別

存儲芯片可分ROM和RAM兩大類。兩者的主要區別是:ROM在正常工作時是只讀的,常用于存放固定不變的信息,其內容不受斷電的影響。RAM中的信息是可隨時更新的,但一旦斷電,其內容則不復存在。ROM又可分為EPROM和EEPROM等多種形式,其主要差別是擦除方式不同。RAM又可分為SRAM與DRAM兩種,其主要差別是前者的存儲元由雙穩態觸發器構成,所以只要有電源,其存儲內容是不會丟失的,不需要刷新,而后者的存儲元由電容來存放信息,由于電容的電荷會隨時間的推移而泄漏,所以需要定期刷新。

(3) 根據存儲器結構類型不同區分的兩種計算機體系結構

根據存儲器結構類型不同可將計算機體系結構分為兩大類:馮•諾依曼(Von Neumann)結構和哈佛(Harvard)結構。

馮•諾依曼結構的主要特點是指令和數據使用單一的存儲器空間,因此簡化了計算機的設計,但由于存儲器資源的唯一,所以一次只能訪問指令和數據中的一個。這種體系結構由美國賓夕法尼亞(Pennsylvanis)大學的馮•諾依曼在1943―1944年開發的ENIAC電子計算機首次使用。

哈佛結構的主要特點是對于程序和數據使用各自獨立的存儲器,由于程序和數據分開存放,所以可以實現對指令和數據的并行訪問。這種體系結構由哈佛大學的物理學家Harvard Aiken于1930年開發,1943年在Harvard Mark計算機上實現。

(4) 存儲器與CPU的連接

存儲器與CPU的連接無非是將存儲器芯片的地址線、數據線和讀、寫控制線與CPU的相應線相連,在連接之前,必須根據存儲器的容量和單片存儲芯片的容量計算出所需的芯片數,同時還必須明確位擴展與字擴展的方法。一般而言,若存儲器容量為M單元×N位,而存儲器芯片容量為m單元×n位,則整個存儲器所需的字擴展為M/m組,而每組的位擴展芯片數為N/n。對于同一組而言,其地址線的連接是將相同位序的地址線連到一起,而數據線則分別連接到CPU的不同數據線上。不同組之間,其地址線和數據線的連接是相同的,也就是低位地址范圍相同,只是片選信號的連接不同。片選信號的作用是區分不同的地址段,分段的依據取決于對應地址段的高位地址值,所以片選信號的產生是根據高位地址的譯碼來實現的,需要多少位高位地址取決于組數,兩組可用一位高位地址線選即可,四組則需二位高位地址經一個2-4譯碼器產生4個片選信號,依此類推。

(5) 虛擬存儲器的原理與應用

虛擬存儲器的實質是利用程序執行過程中的局部性原理,對內存按頁或段方式進行管理,即將要運行的程序分頁或分段調入內存,從而使計算機可以運行超過實際內存空間的程序,好像擴充了內存空間一樣。由于這一特性是建立在將外存作為內存的后備來實現的,實際的內存空間并沒有改變,所以叫虛擬存儲器。

在教學過程中,初學者對虛擬存儲器的概念通常難以掌握,所以應該有一個讓初學者容易接受的教學方法。有效的教學方法之一可借助于PC機中的某些設置來說明。例如,通過雙擊“我的電腦”可以看到系統盤上的總大小和可用空間。如圖1可見當前的C盤可用空間是15.5GB。關閉該窗口后,右擊“我的電腦”,在快捷菜單中選擇“屬性”進入系統屬性對話框,再選擇“高級”頁面,如圖2所示。再單擊“性能”框中的“設置”按鈕進入“性能選項”對話框,再選擇“高級”頁面,如圖3所示,單擊其中的“更改”按鈕,進入“虛擬內存”設置對話框,如圖4所示,從中可見C盤目前的自定義頁面大小初始值為1024MB,最大值為2048MB,若將初始值由1024改為2048,而最大值由2048改為4096,重新啟動計算機后,再雙擊“我的電腦”,如圖5所示,由圖可見C盤的可用空間由設置前的15.5GB變成了設置后的14.5GB。之所以少了1GB,就是因為剛才將虛擬內存初始頁面大小由1GB(1024MB)改為2GB所致。這就說明,虛擬內存實際上只是從硬盤中劃出的一部分外存空間作為內存使用,好像擴充了內存,而這種內存的擴充是建立在外存減小的基礎上的,并需要相應的軟件支持。

5指令系統與CPU

(1)RISC與CISC

按指令系統可將計算機分成兩大類,精簡指令系統計算機(RISC,Reduced Instruction Set Computers)和復雜指令系統計算機(CISC,Complex Instruction Set Computers)。CISC是在為了便于進行軟件制作,特別是編譯,而將可能硬件化的部分都交給硬件處理的原則下設計的。其主要特點是指令長度不等,指令執行時間不等,指令集龐大,訪問模式非常多而靈活,指令功能大多用微程序實現。與CISC相比,RISC的特點是大部分指令可以在一個時鐘周期內完成,指令的長度相等,指令集是由簡單的指令組成,如存儲器只能用Load/Store指令來訪問,訪問模式少,減少了依賴于處理器的控制,指令功能大多使用硬布線邏輯實現。

(2) 典型指令系統

典型指令包括:數據傳送、算術運算、邏輯運算、程序控制和輸入輸出。其中輸入輸出指令只有在獨立編址方式中才有,對于統一編址方式,則輸入輸出與數據傳送相同。

(3) 指令尋址與數據尋址方式

指令的尋址方式只有順序與跳躍兩種,其中跳躍尋址又有相對跳轉和絕對跳轉兩種。數據的尋址方式則較多,典型的數據尋址方式有:隱含尋址、立即尋址、直接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、基址變址尋址等,重點掌握各種尋址方式的原理及其相應指令的具體用法。

(4) 控制器

控制器是計算機的硬件系統中的決策機構,擔負著協調和指揮整機各個功能部分有條不紊地進行工作的重任。

控制器有組合邏輯型、存儲邏輯型和混合型三種。組合邏輯型控制器的基本思想是把控制器看作為產生專門固定時序控制信號的邏輯網絡。其設計目標是使用最少元件和最高操作速度來實現指令功能。隨著CPLD和FPGA的功能和應用的拓展,組合邏輯型控制器越來越多地得到了應用。存儲邏輯型的基本思想是以設計軟件的方式來設計硬件,即仿照設計解題程序的方法,把執行機器指令所需的操作控制信號編成相應的微指令序列存放在只讀存儲器里,當機器運行時,逐條地讀出微指令,從而產生全機所需要的各種微操作控制信號,使相應部件執行規定的操作,完成指令功能。混合邏輯型是兩者的結合。

(5) 現代CPU與傳統CPU的區別

傳統的CPU由運算器和控制器構成,現代的CPU除了運算器和控制器外,還增加了高速緩沖存儲器(Cache),Cache還可能分為多級,增加Cache的目的不僅是利用程序執行過程中的局部性原理來提高程序執行速度,而且有可能在CPU內部改變計算機的體系結構。比如現在廣泛使用的奔騰CPU就通過其內部將Cache分為數據Cache和指令Cache,從而使PC機的馮•諾依曼體系結構在CPU內改變成了哈佛結構。

(6) 流水線的概念及要點

流水線已被廣泛應用于計算機系統的多種功能部件中。除了運算器流水線外,在控制器中流水線結構已得到廣泛應用。

流水線要發揮最大效率,基本條件有二,一是流水線結構中的各個過程段的操作周期應大致相等,二是流水線應盡可能保持不發生斷流現象。

可能導致流水線發生斷流的因素有三:一是資源相關,二是數據相關,三是控制相關。奔騰CPU只所以在其內部將Cache分為數據Cache和指令Cache,其主要原因就是為了數據和指令的并行訪問,避免資源相關。數據相關可以通過特設運算結果緩沖器及向前傳送技術來緩解,控制相關可通過延遲轉移和轉移預測來解決。

6總線

如果將計算機硬件系統中的各個部件比作一顆顆的珍珠,那么總線在系統的作用,就相當于連接珍珠的繩索,通過這根繩索,就可將一顆顆的珍珠聯接成一個整體,成為一個漂亮的項鏈。總線是計算機系統中公共的信息傳輸通道,存在多個主部件同時要求使用總線的可能,要將總線資源合理地分配給多個要求使用總線的主部件之一,這就存在著總線的仲裁問題。總線的仲裁可分為集中式和分布式兩類,集中式仲裁又分三種:鏈式查詢、計數器定時查詢和獨立請求。對于這三種集中式總線仲裁方式必須掌握其工作原理、主要優缺點以及應用場合。

7I/O系統與I/O方式

I/O系統由I/O接口與I/O設備構成。I/O方式可分為主要由程序實現的程序查詢方式和程序中斷方式以及主要由附加硬件實現的DMA方式和通道方式。

程序查詢與程序中斷方式的共同特點是兩者都是通過CPU執行I/O指令來實現的輸入/輸出。只是前者是由CPU主動查詢外設就緒后執行的輸入/輸出,而后者是CPU通過被動響應外設的I/O請求來實現的輸入/輸出。主動查詢需要占用CPU機時,所以只能實現CPU與外設的串行工作,而中斷方式可以實現CPU與外設的并行工作。

中斷有單級中斷和多級中斷。單級中斷不是只有一個中斷源,而是所有中斷源同屬一個級別,一旦CPU響應某個中斷源,必須等待該中斷服務程序執行完畢才有可能響應新的中斷請求。多級中斷不僅是中斷源有多個,而且分成多個優先級別,高優先級的中斷源可以中斷正在執行的低優先級的中斷服務程序,從而實現中斷的嵌套。中斷優先級還可以分中斷響應優先級和中斷處理優先級,中斷響應優先級是由硬件排隊電路決定的,而中斷處理優先級是可以通過對中斷屏蔽寄存器的設置來改變的。

DMA雖是程序中斷傳送技術的發展,但它在硬件邏輯機構的支持下,以更快的速度、更簡便的形式傳送數據。

兩者之間有以下明顯區別:

(1) 中斷方式由CPU響應中斷后執行中斷服務程序來實現數據傳送,而DMA方式直接靠DMA控制器來實現。

(2) CPU對中斷的響應是在執行完一條指令之后,而對DMA的響應則可以在指令執行過程中的任何兩個存儲周期之間。

(3) 中斷方式不僅具有數據傳送能力,而且還能處理異常事件。DMA只能進行數據傳送。

(4) 中斷方式必須切換程序,要進行CPU現場的保護和恢復操作。DMA可以只挪用一個存儲周期,不改變CPU現場。

(5) DMA請求的優先權比中斷請求高。CPU優先響應DMA請求,是為了避免DMA所連接的高速外設丟失數據。

DMA和通道控制方式最基本的相同點是把外設與主機交換數據過程控制權從CPU中接管,使外設能與主機并行工作。但它們之間也存在以下主要的不同。

(1) 工作原理不同。DMA完全采用硬件控制數據交換的過程,速度較快;而通道則采用軟、硬件結合的方法,通過執行通道程序控制數據交換的過程。

(2) 功能不同。通道是在DMA的基礎上發展來的,因此,通道功能更強。在DMA中,CPU必須進行設備的選擇、切換、啟動、終止,并進行數據校驗,CPU在輸入輸出過程中的開銷較大,通道控制則把這些工作都接管下來。

(3) 控制的外設類型不同。DMA通常只控制速度較快、類型單一的外設,而通道支持多種外設。

8結束語

隨著大規模集成電路技術和計算機體系結構的不斷發展,計算機組成原理的基本內容還在發展演變過程中。例如指令周期、機器周期和時鐘周期的概念隨著流水線技術的不斷提高而變得越來越模糊,過去強調一個指令周期由若干個機器周期構成,一個機器周期包含若干個時鐘周期,而現在的CPU,一個時鐘周期就可能執行一條指令甚至是多條指令。CPU的結構除了引入多級Cache外,還引入了多核結構,這就使得傳統的教學方法和體系必須改進,相應的教材和實驗設備有待更新,以便適應新的體系結構的變化,同時,也需要我們教學人員共同努力,不斷創新,才能培養出適應形勢發展的人才。

Discussion on the Course of Principles of Computer Organization

SHAO Ping-fan

(College of Computer Science & Technology, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)

計算機科學原理范文3

?掌握設計CPU的方法、步驟和具體的技能

?具備邏輯上設計計算機的能力

?熟悉現代微機所采用的新技術，了解下一代CPU發展的新動態

為體現深入淺出的教學方法，本文提出了對通用CPU進行分類的觀點，以達到更好的教學效果。

關鍵詞　教學改革設計CPU

1計算機組成原理課程的教學現狀

計算機組成原理教學大綱都有以下或類似的描述：“計算機組成原理課程是計算機科學各專業的一門核心課程，本課程的任務是使學習者掌握計算機系統中硬件部分的組成原理，掌握計算機的基本工作原理、計算機各主要部件的硬件結構、相互聯系和作用，從而對整個計算機系統從硬件角度有完整的了解，為本專業后繼課程的學習打下基礎。”

顯然這樣的教學大綱很難培養大學生的創新能力，更不能滿足我國“十一五”規劃關于提高自主創新能力的長期戰略目標對人才的需求。毫無疑問，所有“211工程”高校應為國家培養出大批具備創新能力的合格人才。

2改革的思路和目標

現代電子數字計算機，包括專用電子數字計算機、通用電子數字計算機（簡稱計算機或電腦），都是基于馮?諾依曼機（Von Neumann）的理論設計并發展而成的。

馮?諾依曼機主要由以下五部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。

現代通用計算機和馮?諾依曼機之間的最大區別是：馮?諾依曼機以“運算器為中心”，現代通用計算機以“存儲器為中心”。

馮?諾依曼機的CPU僅包括運算器和控制器。隨著集成電路平面制作工藝的出現，這兩大部分往往集成在同一芯片上。因此，通常將它們合起來統稱為中央處理器（Central Processing Unit），簡稱CPU。雖然經歷了60年的發展，CPU的內部結構發生了很大的變化，但其實現的功能（指令控制、操作控制、時間控制和數據加工）是不變的。

計算機的核心是CPU，要想真正掌握計算機工作原理，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徑就是掌握設計CPU的方法、步驟和具體的技能。同理，掌握計算機工作原理最有效的方法是學會在邏輯上設計計算機的技能。為了進一步結合實際和拓展同學們的視野，我們分析和講述了當前市場上最先進的CPU及微機所采用的新技術，如CPU的字長、Cache 的大小和級數、最大和實際的尋址空間、擁有的流水線條數、超線程、工藝制程和核心電壓、支持的最高頻率和指令集、最新南北橋主要技術指標及前端總線（FSB）的速度和內存帶寬等，拉近了與同學們的距離并激發了同學們的學習興趣。根據這一思路，提出學習這門課程應達到如下目的：

?掌握設計CPU的方法、步驟和具體的技能；

?具備邏輯上設計計算機的能力；

?熟悉現代微機所采用的新技術，了解下一代CPU發展的新動態。

講述設計CPU知識，首先要解決同學們的思想認識問題。不要一談到CPU就只想到Pentium 4甚至雙核CPU Pentium D。因為CPU有通用、專用、嵌入式系統等多種類型。對于已經發展了60年的通用CPU大致可分為如下幾類：

① 馮?諾依曼型CPU

運算器、控制器

② 現代簡單CPU

運算器、控制器、寄存器（專用和通用）

③ 現代較復雜CPU

運算器、控制器、寄存器（專用和通用寄存器堆）、Cache、流水線

④ 現代復雜CPU

運算器、控制器、寄存器堆、多級Cache、多條流水線

⑤ 雙核（多核）CPU

我們要求掌握的是現代簡單CPU設計方法、步驟和技能，而非高端產品Pentium 4的技術。在此基礎上為日后開發出擁有自主知識產權的專用CPU（如專用于空調機、微波爐、洗衣機等）和嵌入式系統的CPU（用于手機或小汽車等機電一體化）奠定基礎。據預測到2010年我國對這兩類CPU的需求消耗量將達到6000億元人民幣。這樣，同學們的視野就開闊了。更重要的是學習興趣和自信心都大大提高了。這樣一來，就自然會把同學們被動接受知識轉變為主動的學習狀態。從而激發了他們強大的學習動力，為能達到這樣的學習目標，他們會認真搜集有關資料，會努力配合老師的講課內容和進度做預習和復習。在充分調動了同學們的學習積極性后，為加強同學之間的合作精神，我們布置了一個基于RTL（寄存器描述語言）由兩人一組完成的大作業――“設計一個現代簡單CPU”（指令集根據需要而確定。分別用硬布線和微程序兩種方法，并比較兩者的優缺點）。

完成這個課題后，同學們馬上就會想到如何提高CPU的速度和功能等問題，通用寄存器、新的數據表示、新的指令（保證向上兼容）、雙總線、三總線、Cache、流水線……這正是他們今后能夠深入并有能力解決的問題。

關于設計計算機，我們可以考慮給出一個完整的但不十分復雜的計算機主機板部分作為范例，至少必須包括有CPU、存貯器、I/O端口。這樣同學們就更容易、更具體地掌握CPU和存貯器連接的三類線(數據線、地線線、控制線)；體會到存貯器組織的幾種方法（存貯器的位擴展、字擴展、位字同時擴展）；由于有I/O端口，可分別考慮I/O統一編址和I/O獨立編址的設計。通過上述兩個綜合應用的實例能很好地解決同學們普遍存在的“對于課本的內容拆開來都能理解，但合起來就不知所云了”這類致命的學習問題。

絕大多數同學在做完設計CPU課題后寫出了感想，大家的感受都體現了努力后的那“一分耕耘，一分收獲”的成就感和滿足感，且這種感受是無法用語言表達的。同時又發現設計CPU不像原先想象中的那么“難以靠近”。2002級4班有一位同學這樣寫到：“由于以往對硬件方面的學多數只停留在理論，或者是去實驗室作簡單的實驗，而并沒有聯系實際，去體會它們的工作原理。特別是像CPU這么核心的技術，光懂得原理的話，可能過一兩年又會忘得差不多了。但是現在，不但可以更深刻地體會和學習CPU的工作原理，而且還掌握了一門實踐性很強的技術，我想所有人過十年，二十年后還是不會忘記的。理論離開了實踐，永遠只是虛無的理論，猶如紙上談兵。在目前普遍缺少實踐指導的學習上，老師要求我們增強實踐能力，是反映了同學的心里期望的。盡管這個學期任務非常重，但是大家沒有半句怨言。所以，這說明了設計計算機，設計CPU是我們心里非常想學的東西。因此，我強烈希望這樣的措施可繼續實施下去，辛苦老師了。”

3實施的成效

計算機組成原理課程教學改革的思路和目標在我們學院已實施了兩屆（第一次是在2002級）。2005年12月5日開始，教育部對我校進行本科教學工作水平評估，并聽取了我講授2003級的該門課程，得到專家組的一致肯定。此外，還可從這兩屆學生的體會、反應和圖1數據得出，教學的效果非常理想，教學的目標基本實現。2006年9月在2004級也實施這一改革理念。

為了準確掌握這一改革的真實情況，對2002級（1～6班，回收問卷191份）、2003級（1～5班，回收問卷207份）全級都作了如下的問卷調查：“你認為本學期所進行的《計算機組成原理》課程的教學改革是否有必要？”四選一回答：很有必要、有必要、無意見、無必要。

結果是：回答很有必要 302人、有必要 89人、無意見 5人、無必要 2人。參看圖1。

4結束語

上述強調的“自主知識產權的CPU”在非常時期對國家的安全起到了關鍵性的作用，以導彈和導航系統為例，必須用“有自主知識產權的CPU”才能從根本上完全掌握和控制其發射和運行軌道的正確性和可靠性。

中國科學院院長路甬祥院士在廣州舉行的“第七屆海內外設計與制造科學會議”作報告時指出：“如過多依賴國外的先進技術而沒有自己的創新，自給率低；高層次人才嚴重缺乏，特別是能參與國際競爭的戰略科學家太少。目前制造業的許多領域還停留在國際價值鏈分工的低端，改變這種狀況必須在制造業領域創造中國人自己的設計理論、方法和先進制造工藝技術，創造具有中國自主知識產權的裝備、儀器、工程系統。長期從事計算機應用及研究的專業人士指出“微處理器的研發絕對是一個國家的計算機水平的尖端體現”。

大家是否有發現，形形的 OEM和并非少數的ODM其實是我國IT產業的“”。尤其是在硬件方面幾乎處處出現了瓶頸。究其原因使我們不能不正視產業中的核心技術――CPU!!!

中華民族創造的古老文明，可以說是地球上唯一歷數千年而不衰的文明。然而，我們也面臨著嚴峻的挑戰，審視我們的科學發現和技術發明，唯獨缺少誕生在這片土地上的創新貢獻。問題出在哪里？其中一個因素應該是我們的大學到現在還沒有培養出能掌握這一核心技術的大量合格人才，離創新的路就更加漫長了。

我們正是基于這一目的而邁出的第一步。只要堅持不懈，中華民族設計的各類CPU終有一日能達到世界先進水平。

參考文獻

[1] 孫強南，孫昱東．計算機系統結構［M］．北京：科學出版社，1997．

[2] 白中英．計算機組成原理［M］（第三版）．北京：科學出版社，2001．

[3] 廣州日報.2004-1-19（5）．

[4] 廣州日報.2006-6-21（5）．

[5] 郝柏林，張淑譽．數字文明物理學和計算機［M］．北京：科學出版社，2005．

計算機科學原理范文4

關鍵詞：獨立學院；課程體系；“3+1”模式；CBE；理實一體化；課程開發方法

1 獨立學院計算機專業面臨的挑戰和機遇

自2009年起，參加高考的人數急轉而下，嚴重的生源危機使得全國眾多獨立學院步入了發展的數九寒冬。另外，據教育部第26號令，自2008年起所有獨立學院將以自身名義發放學位證書，不再頒發母體學校的學位證書。獨立學院在學位授予上失去母體學校光環的庇佑，可能會對生源逐漸減少的現狀產生進一步的負面影響。

南通大學杏林學院計算機科學與技術專業（以下簡稱計算機專業）于2006年成立，起步較晚，是一個年輕的專業，其發展不可避免地受到生源危機的影響。然而，信息產業在中國一直是朝陽產業，迅速發展的信息產業對高素質計算機專業人才一直保持著較高的需求率，這對計算機專業而言是發展的好機遇。為了抓住機遇，應對危機，南通大學杏林學院計算機專業自2008年起開始了特色改革之路，在辦學模式、培養模式和課程模式等多方面不斷推陳出新，尤其在課程開發方面，通過自身積累、多方借鑒形成了一套適合本三學生的課程體系。

2 原有課程體系的不足及原因分析

杏林學院計算機專業在成立初期，放眼校內外，獨立學院課程開發方面的理論和經驗幾乎是空白的，短時間內從無到有來開發課程難度太大，因此照搬了母體學校相同專業的課程體系。在隨后實施過程中，為進一步突出應用型人才的培養，適應本三學生的特點，在原有課程群保持“三段式”結構不變的情況下作了細微調整。例如適當增加實踐課時數，刪減個別理論過于晦澀的科目，增加一些實用前沿的科目，但調整過的課程體系執行效果并不是很理想，經分析總結，主要原因有下面幾點：

1）學科式的課程體系使本三學生難以完成從知識到能力的轉換。學科式課程以使學生系統地掌握該學科的相關知識點為教學目的，按照課程之間的邏輯關系，劃分成三段：公共基礎課、專業基礎課和專業課。雖然每一段都會有相應的實踐環節予以輔助，但實踐環節的主要目的是為了驗證學科中的知識點，并非培養學生的綜合能力。加之對于基礎相對薄弱的本三學生而言，將知識點內化成綜合素質的能力明顯弱于本一和本二學生，這就造成了相同或相近的學科式課程體系在獨立學院不能取得較好效果。

2）課程開發缺乏清晰的定位、科學的指導思想和有效的開發方法。首先，雖然定位于著力培養應用型人才，但沒有搞清楚此應用型人才和普通本科以及高職院校培養的應用型人才在知識結構和能力結構上有哪些差異。其次，課程開發的指導思想——“適應本三學生，突出實踐”顯得過于籠統。另外，根據此指導思想，采用移植本二相關專業課程體系，并在一定程度上削弱難度和加強實踐環節的課程開發方法，也顯得太過簡單。

3 課程培養目標的定位

獨立學院是本科層次學校，但學生基礎薄弱，學習能力和自制力較差，這就決定了獨立學院要培養的人才既具有本科特點，又具備高職特點。職教院校、獨立學院和普通本科院校人才培養特點如表1所示。

結合以上分析，將杏林學院計算機專業課程培養目標定位為培養綜合素質高、基礎牢固、實踐能力強、具有一定創新精神和良好職業道德、滿足社會需求的從事計算機系統（含軟件）開發、應用和服務的軟件服務外包人才。

4 課程開發的指導思想

4.1 立足本科人才培養要求，突出綜合職業能力，兼顧創新能力

獨立學院是本科層次學校，因此其課程體系結構必須首先滿足本科人才培養的基本要求，即系統掌握專業知識。

在該前提下，南通大學杏林學院突出綜合職業能力的培養，兼顧學生晉升學歷的需求和創新能力培養。為在實踐能力培養上區別于培訓機構和高職院校，我們強調培養學生的綜合職業能力，即在真實工作環境中整體化地解決綜合性問題的能力和相應的思維方式和職業道德，而不是僅僅局限于某個工作崗位或工作環節的技能，這使得培養出的人才可以勝任技術性較強的多個相近崗位，并促進人才的職業生涯發展。

4.2 校企合作，共同開發

堅持“工學結合、校企互動”的方式進行課程開發，尤其是實踐課程的開發。高校人才培養如果不和企業人才需求緊密聯系，培養出的人才將得不到企業的青睞，高職院校已經認識到這點。“校企合作”在高職院校中成為普遍現象，越來越多的本科院校開始在人才培養的各個方面和企業合作。

南通大學杏林學院計算機專業自2008年起和上海杰普軟件科技有限公司等共7家IT企業建立合作關系，組成了一支由企業專家、教育專家、資深教授組成的教學指導委員會。

4.3 模塊化開發

堅持模塊化開發方法，提高課程體系面對變化時的彈性。計算機專業知識更新快，IT行業專業人才需求的變化也快，這就對課程體系的應變性提出較高要求。采用模塊化開發方法，可以通過模塊的插拔使其不斷適應變化的專業和行業。

5 課程體系結構的選擇

根據教學目標不同，課程體系結構分為學科本位和能力本位兩種模式，兩者各有特點，并有相應的課程開發方法，如表2所示。

在對不同模式的課程體系結構分析的基礎上，根據課程開發指導思想，計算機專業的課程總體框架采用了基于“3+1”模式的課程體系結構（見圖1），并就增強綜合職業能力等方面對其進行改造。“3+1”模式是一種較為傳統的本科教學模式，是指學生前3年在學校進行計算機基礎理論及專業知識等方面的學習和實踐，第四年到有關單位進行“真刀真槍”式的實訓與畢業設計，該模式可以較好地保證學生專業知識的系統性。在此基礎上，為突出綜合職業能力培養和兼顧創新能力培養，將“3+1”模式分成若干模塊，不同模塊有不同的培養側重點，輔之以不同的開發方法。

6 課程開發方法的選擇

由于在“3+1”模式中，專業基礎模塊和職業綜合能力模塊在教學形式和教學目標上均不同，所以必須采用不同的課程開發方法。

6.1 專業基礎模塊的課程開發

專業基礎模塊包含兩類課程群：基本課程群和崗位課程群，每個課程群都包含理論環節和實踐環節。該模塊旨在使學生掌握較為系統的專業基礎知識，具備基本的實踐能力。

基本課程群重點考慮專業知識的全面性和系統性，需基本覆蓋學科內容，該課程群的開發方法宜采用傳統的教學簡化（Didactical Reduction）方法。教學簡化法是典型的學科本位課程體系開發方法，即從學科知識中選擇合適的內容并按照教育對象的實際情況進行簡化。計算機專業作為全國高校最為普遍的專業之一，覆蓋其學科知識的課程群很容易找到，在此基礎上結合本三學生的特點，降低大部分課程的深度，刪減一些較難的課程（如編譯原理等）和某些與就業關聯不大的課程（如可編程邏輯控制器、自動控制原理等），從而得到該課程群。基本課程群主要包含以下課程：模擬電路、數字電路、數據結構、計算機組成原理、操作系統原理和離散數學等。

由于本三學生將抽象知識轉換成實踐技能的能力較差，所以只有基本課程群還不夠，須增加崗位課程群幫助學生完成知識到技能的轉化。崗位課程群包含與單項崗位能力關系密切的課程，采用CBE方法開發。CBE（Competence-BasedEducation）即能力本位教育，產生于二戰后的美國，現廣泛應用于北美國家的職業教育中，是一種較為先進的職業教育模式，在培養學生崗位能力方面有很好的效果。其核心是從職業崗位的需要出發，確定能力目標。其工作基礎為職業分析，職業分析的目的是將一個職業劃分成若干個崗位，再將每一個崗位劃分為若干個任務，從而確定對應于各個職責的綜合能力和對應于各任務的專項能力，然后根據各專項能力設置相應的課程。以計算機專業就業比例最高的軟件職業為例，CBE開發崗位能力課程群的步驟如圖2所示。

6.2 職業綜合能力模塊的課程開發

通過專業基礎模塊的培養，學生已初步具備系統的專業基礎知識和若干單項崗位能力，但與“零距離”就業依然存在能力差異，這個差異就是綜合職業能力。專業基礎模塊中基本課程群是典型的學科本位課程，根本不以綜合職業能力為目標，而采用CBE開發的崗位能力課程群，雖以若干單項崗位能力為目標，但綜合職業能力并不等于若干單項崗位能力的簡單疊加，這也正是CBE課程開發方法的硬傷。

綜上所述，為培養綜合職業能力，增設職業綜合能力模塊，我們采用“工學結合、理實一體”的課程開發方法。該課程開發方法是由在國內外享有盛名的職業教育大家趙志群教授發明，該方法認為人的職業綜合能力只有在工作過程和工作情境中才能得到促進和發展，一句話概括，即“學習的內容是工作，通過工作實現學習”。“工學結合、理實一體”開發職業綜合能力模塊的開發過程如圖3所示，以職業綜合能力模塊開發為例。

6.3 職業能力強化模塊的開發

職業能力強化模塊由合作企業開發，學生主要在企業導師的指導下完成真實項目，另外，在學院導師的指導下參加技能競賽。通過該模塊，學生的職業綜合能力進一步得到提升，同時創新能力也有所加強。

計算機科學原理范文5

關鍵詞關鍵詞：虛擬仿真實驗；遠程實驗；虛擬實驗軟件平臺

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2013）008018703

作者簡介作者簡介：于斌（1970-），女，碩士，武漢科技大學城市學院信息工程學部計算機科學與技術系工程師，研究方向為高性能網絡和軟件開發；余紅珍（1970-），女，碩士，武漢科技大學城市學院信息工程學部計算機科學與技術系副教授，研究方向為計算機控制技術及應用。

1 構建虛擬網絡實驗室

網絡實驗室是計算機網絡教學的實踐場所，目前城市學院實驗中心還沒有建成專門的網絡實驗室。網絡實驗室建設投入較大，建設周期長，在目前教學任務緊迫的情況下，唯有加強網絡虛擬平臺建設。虛擬實驗平臺主要依賴于軟件和較少的配套硬件，使實驗室的維護費用和工作量大大降低。

虛擬實驗是通過虛擬實驗室進行的。虛擬實驗室一般是指在不具備真實實驗環境的情況下，在網絡環境下用軟件平臺模擬真實實驗環境，利用虛擬現實技術生成進行虛擬實驗的實驗系統，包括相應實驗環境、相關的實驗儀器設備、實驗對象以及實驗信息資源等。網絡虛擬實驗室可以是某一現實實驗室的真實實現，也可以是虛擬構成的實驗室。與現實的實驗室相比，虛擬實驗室的特點如下：①仿真性。在虛擬現實技術支持下，虛擬實驗室與真正的實驗室同等完美，虛擬儀器與實際儀器功能相同，操作方法也一樣，實驗者在虛擬實驗室里做實驗、訓練技能和汲取知識，與在現實實驗室里同樣方便；②開放性。虛擬實驗室可以給任何實驗者在任何地點任何時間廣泛地提供賴以學習、工作和研究的實驗場所；③超時空性。利用網絡虛擬實驗室，可以徹底打破空間的限制；④可操作性。實驗者可以通過使用專門設備，用人類的自然技能實驗對虛擬實驗室的物體或事件進行操作。

利用計算機相關軟件，在現有對等網基礎上構建虛擬實驗室，就可以充分完成計算機網絡課程的實踐教學目標。虛擬實驗室環境需求：①硬件需求：51臺計算機（50臺學生機，1臺教師機，1G以上內存，CPU速度1GHz以上），4臺交換機。為教學方便，教師機安裝多媒體電子教室服務端，建議計算機安裝Windows Server 2003標準版（或Windows XP雙系統），構建常規教學所用的對等網；②軟件需求：Windows Server 2003標準版系統光盤、Windows XP（sp3）系統光盤、Linux系統光盤、Microsoft Virtual PC 2007、Boson NetSim for CCNA（v6.0）、SmartSniff數據包捕獲軟件，以及光盤工具軟件、克隆軟件等。虛擬實驗室虛擬目標硬件：利用Microsoft Virtual PC 2007虛擬PC機或服務器，利用Boson NetSim for CCNA軟件虛擬路由器、交換機和PC機。

在虛擬實驗平臺上可以開展豐富的模擬實驗，包括計算機網絡拓撲結構設計、子網劃分、網絡設備的選型配置、網絡設備物理連接和連通測試、網絡的綜合管理和維護等。

2 選擇網絡虛擬實驗平臺

網絡虛擬實驗平臺是在能夠進行網絡通信的基礎之上將計算機網絡上虛擬的各種計算機、通信設備按實驗要求組建成一個完整的虛擬實驗網絡，模擬實現各種計算機網絡試驗和測試，并能重復演示實驗過程。需要選擇合適的網絡虛擬平臺，進行優化和合理的實驗設計，達到提高學生實踐動手能力的目的。Labview、Packet Tracer、Virtual Machine、Virtual PC、Boson NetSim都是構建虛擬實驗室的軟件平臺和網絡學習輔助工具。

Labview是美國儀器公司推出的一種基于圖形方式的集成化程序開發環境，由前面板和流程圖兩部分構成。用于《數字信號處理》、《信號與系統》有關信號檢測與分析的一系列實驗仿真特別合適。Packet Tracer是由Cisco公司的一個輔助學習工具，為學習思科網絡課程的初學者設計、配置、排除網絡故障提供網絡模擬環境。虛擬機（Virtual Machine、Virtual PC）指通過軟件模擬的具有完整硬件系統功能的、運行在一個完全隔離環境中的完整計算機系統。Packet Tracer和Virtual Machine兩款虛擬網絡平臺的功能相互補充。Packet Tracer主要模擬網絡的拓撲圖、交換、路由和網絡測試。而Virtual Machine主要用來模擬網絡服務、通信和測試。如按照OSI七層模型來劃分，則Packet Tracer模擬網絡層的工作，Virtual Machine模擬主機層工作。Boson NetSim是目前最流行的、操作最接近真實環境的模擬工具。與真實實驗相比，它省去了制作網線連接設備、頻繁變換CONSOLE線、不停地往返于設備之間的環節。同時，它的命令也和Cisco最新的IOS保持一致，它可以模擬出Cisco的中端產品35系列交換機和45系列路由器。它還具備一項非常強大的功能，那就是自定義網絡拓撲結構及連接。通過Boson NetSim，我們可以隨意構建網絡，PC、交換機、路由器都可被模擬出來，而且它還能模擬出多種連接方式（如PSTN、ISDN、PPP等）。Boson NetSim帶有中文使用手冊，可用于局域網組網技術、計算機網絡基礎知識及交換機和路由器技術等課程的實驗教學，不過Boson是一款付費軟件。

3 改進實驗教學模式

計算機網絡傳統實驗內容大多局限于實驗環境，脫離工程實際，實驗效果不好，起不到對學生創新能力的培養，導致學生畢業后從事工程實踐時，很難將實驗功底轉化為從業能力。在我們傳統的教學過程中，雖然在實驗環節也采用了分組進行模式，但在具體的操作過程中，由于學生水平參差不齊，有部分學生并沒有真正參與，也就談不上團隊意識和協作學習。網絡虛擬實驗平臺，可以拓展和改善學習環境和氛圍。

教學方法的改革，其唯一目的是使學生在實際應用時能夠靈活地將理論與實踐相結合，培養學生運用知識分析問題解決問題的能力。除了傳統的行之有效的教學方法之外，還應該采用一些有專業特色的教學方法，與時俱進。

（1）在網絡虛擬平臺上，將傳統的實驗題目改編為自主型實驗題目。針對設計型實驗的實驗內容和具體要求，根據機房環境和網絡虛擬平臺精心設計相關題目和題目的梯度任務或將原有實驗題目進行改造，形成與實驗要求相對應的自主型實驗題目系列。將實驗教學中傳統的特定環境實驗題目改為以問題為主線的任務情境，使學生自主選擇合理的任務并進行自主設計，培養學生創新能力。

對于服務器的配置和使用維護、網絡設備的物理連接和連通測試以及網絡設備選型配置和維護，設定任務情境，對實驗任務的選擇可以具有梯度，更貼近工程應用。教師制定學習目標，學生可以自己設定任務情境，根據實際情況完成。例如，在網絡設備的選型配置試驗中，學生可以自主設計網絡拓撲結構，進行設備選型，進行模擬設備配置，以提高學生興趣和實踐動手能力為導向，鼓勵學生自主學習。

圖1 用Boson NetSim構建的網絡拓撲圖

下面是一個虛擬實驗案例：實驗室有多臺高性能PC機，能同時供多名學生和教師使用。這些PC機通過高速交換機相互連接，每臺都裝有Windows Server 2003標準版和Windows XP雙系統，Boson NetSim和Virtual Machine網絡虛擬平臺，都配置相同網段的IP地址、相同的子網掩碼、默認網關和DNS，構成了一個小型的局域網絡并且和因特網相連。實驗的拓撲圖（圖1）是使用Boson NetSim構建的網絡拓撲圖。圖中有3個不同的網絡或子網。PC1和PC2在左邊的子網中，通過交換機Switch0和路由器Router0連接，PC3和PC4位于右邊的子網中，通過交換機Switch1和路由器Router1連接。兩個子網通過Router0和Router1連接。實際上，學生可以自主設計自己的網絡拓撲圖，進行設備選型，進行模擬設備配置。

這個實驗的主要目的是教會學生如何構造一個小型局域網絡，理解局域網通信的過程和原理。主要教學內容和目標有：①對網絡進行規劃，會選擇合適的終端和網絡設備以及線纜構建網絡；②配置終端接口、路由器接口以及服務器接口的IP地址和子網掩碼；③配置路由表，使整個網絡達到連通狀態；④使用Ping命令測試網絡；⑤理解局域網通信的過程；⑥理解ARP、ICMP、CSMA/CD以及網關在網絡通信中的作用；⑦理解交換機和路由器的工作原理以及在網絡通信中的作用。

實驗的組織和管理：在實驗開始時，教師介紹實驗的要求和目的，以及實驗使用的工具、方法和命令，然后由學生自己動手來完成實驗。學生可以獨自完成實驗也可以結對完成實驗。為了防止網絡上IP地址發生沖突，學生實驗所采用的IP地址可規定為192.168.X.0/24的形式，X為每個學生的學號。這樣不僅解決了IP地址的沖突問題，也能很容易知道是誰的IP地址，方便學生查找錯誤，使實驗能順利進行。

實驗的數據分析和原理講解：實驗不僅要求學生掌握局域網的規劃、組建和配置，更重要的是讓學生理解局域網的通信原理，相同網段主機之間和不同網段主機之間通信的過程，網關、交換機和路由器的工作原理和作用，局域網通信的相關協議等概念知識。如果僅憑教師講解，學生則很難理解這些概念知識。

但虛擬和現實是有差距的，同學們可以嘗試使用各種型號的設備，但同時告訴學生“夠用為度”的原則。通過調查發現，虛擬實驗激發了學生學習計算機網絡的熱情，他們比以往更加喜愛這門課程了。

（2）實驗教學增強了學生團隊意識。利用網絡虛擬實驗平臺拓展和改善學習環境和氛圍。在傳統的分組模式基礎上，根據學生水平結合自愿原則分組，鼓勵學生制定不同梯度的任務作為目標，適時引導和有效監督，讓學生體會到團隊合作的重要性，培養竭誠合作的精神。此時，教師的引導作用很重要。

（3）利用網絡虛擬實驗平臺，改革實踐課程考核。引入網絡管理員考試和相關網絡培訓內容，精心組織學生進行專項訓練。實驗考核中，學生要在規定時間內獨立解決問題，確保實踐考核的實時性、公開性和準確性。這樣的學習考核方式，使學生學習有目標、有壓力，因此使學生在課前能認真做好準備，課后強化相關考試和培訓內容，調動學生的學習興趣，從而達到提高學生解決實踐問題能力的教學目的。

（4）積極尋求校企合作，鼓勵學生參加相關網絡實踐。讓學生了解網絡管理員考試、網絡工程師考試和CCNA等相關網絡培訓的情況，樹立參加這類考試的信心，鼓勵學生參加相關考試和CCNA等相關網絡培訓。在學校有限的實驗條件下，積極尋求校企合作，鼓勵學生參加相關實習實踐培訓，為畢業生順利就業和后續擴大專業招生打下良好的基礎。

4 對虛擬實驗教學的再思考

目前，虛擬仿真技術在教學中得到了廣泛運用。虛擬實驗和物理實驗各自有自己的優缺點。除去經濟因素，在講授計算機網絡課程的過程中筆者深深感受到虛擬實驗最大的好處是方便、靈活、安全、容易實施和擴展。學生只要有一臺筆記本電腦并且安裝了這些虛擬軟件，無論在什么地方都可以進行學習和實驗，從而擺脫了真實實驗環境的束縛，學習效果得到了極大提高。但是，在教學過程中也發現，采用虛擬實驗講授計算機網絡課程，最關鍵的一點是要讓學生快速理解“機器中的機器、網絡中的網絡”這一概念，讓學生具備虛擬學習的思維。學生完成虛擬實驗一般用兩種方式：①每個學生在一臺物理機上打開多個虛擬軟件獨立完成網絡實驗，這種實驗方式是通過一臺物理機來完成的，這種方式學生比較容易理解；②把一個實驗劃分為多個模塊，這些模塊分布在不同的物理機上，學生通過協同方式來完成實驗，這種實驗方式是通過多臺物理機和真實的網絡平臺來實現的。只要物理網絡連通，學生就可以在物理網絡里隨意組建虛擬網絡，學生對這種實驗方式通常理解得會慢一些。另外，學生最終要工作在一個真實的環境中，因此，還需在一個真實網絡環境中來驗證學生在虛擬環境中學到的知識。

綜上，這套虛擬實驗用在計算機網絡課堂教學和學生的課后學習中，學生對這些實驗的評價令人鼓舞，這些評價表明該實驗方便、好用，能幫助學生更好地理解計算機網絡。在今后的教學中，將開發出更多的虛擬實驗并完善相應的驗證體系，并將這種教學方法應用在其他課程的教學之中。

參考文獻參考文獻：

[1] 李華，孫智勇，吳中福.虛擬計算機網絡組網平臺的設計與實現[J].計算機應用研究，2006，23（8）：258260.

[2] 田海江.網絡組網虛擬實驗系統設計與實現[J].重慶郵電大學學報：自然科學版， 2008，20（Z1）.

[3] 吳文鐵.基于Web的計算機網絡課程虛擬實驗室探索[J].福建電腦，2008（4）：138139.

計算機科學原理范文6

1 引言

《計算機組成原理》是一門偏硬的學科，是計算機與科學技術專業的一門核心專業基礎課[1]，主要學習計算機內部的各部件的組成結構、工作原理及相互間的聯系。隨著計算機技術及電子技術的飛速發展，計算機內部部件的高度集成化，復雜化，很多學生普遍感覺《計算機組成原理》這門課程難學、難懂，概念抽象、感性認識差等，如果用傳統的教學方法很難達到教學的目標；同時這門課程還是很多院校計算機專業研究生入學考試的考查科目，所以應該找到一種切合實際的教學模式，在達到本科教學目標的同時能夠讓學生們感覺研究生入學考試這門課程對于他們來說不是一種屏障。鑒于此，我們針對這門課程的特點，從教學內容、方法、手段及實踐四個方面做了改革，并取得了較好的效果。

2 教學內容的改革

在教學內容上，主要遵循本科教學大綱來循序漸進該課程的講授工作，同時要借鑒每年的考研大綱，找出其出入部分，重點內容要重點詳盡地講述，以典型例題來加深學生的理解，難點問題要找到切入點，讓學生找到頭緒，步步為盈，例如信息通路部分，可以先畫一個單總線結構的計算機系統來講解信息在各部件間的流動過程，然后再針對某一復雜具體機型的計算機來疏導它的信息通路，學生理解起來就會容易的多。對于考研與本科大綱的出入部分作為擴展內容講解，主要針對有精力或是有考研目標的同學。例如輸入輸出部分的幾種數據傳輸方式[2]，要深入到每種方式的具體實施過程，而不是局限于表面的了解。

3 教學方法的改革

在教學方法上，采用啟發式教學和習題檢測等相融合的方法，注重重點的突出、難點的突破。另外，留給學生實踐作業，采用課堂鼓勵等方式調動學生的興趣及積極性。使學生能夠理解單處理器計算機系統中各部件工作原理、組成結構及相互連接方式，具有完整的計算機系統的整機概念，掌握指令集體系結構的基本知識和基本實現方法，最終能運用課堂所學理論知識對有關計算機硬件系統中的理論和實際問題進行計算和分析，并能對一些基本部件進行簡單設計。

4 教學手段的改革

教學手段上主要采用板書加多媒體及Proteus仿真軟件并用的方式進行教學。板書盡量用言簡意賅的詞語來描述問題，讓學生學起來達到簡單易懂的效果。對于將計算機的比較抽象復雜些的內部結構可以采用多媒體課件及Proteus仿真軟件將其工作原理和工作過程直觀形象地演示出來。

5 實踐教學環節的改革

實踐教學環節主要由實驗和課程設計兩部分組成，因為實驗學時有限，可以設計一定數量的實驗項目、驗證性實驗，加深學生對各計算機部件的組成和工作原理的進一步理解； 在課程設計期間可以因材施教，讓學生綜合運用所學計算機組成原理知識，采用Proteus仿真軟件，人為模擬各部件單元中的控制信號實現常用部件電路及之間的信息通路的設計，對于有能力且勇于創新的同學，可以利用EDA技術，自主設計一個組合邏輯控制器模型機，因為EDA技術很多學校計算機專業學生未開設此門課程，所以此實驗需要學生有一定的EDA基礎才能實現。通過實踐教學環節，進一步加強學生理論知識與應用相結合的實踐和鍛煉，培養了學生分析問題、解決問題和設計的能力。