計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程論文

　　計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程在高校計算機專業(yè)培養(yǎng)中是一門重要的本科高年級基礎(chǔ)課，一直占有很重要的位置。下面是學(xué)習(xí)啦小編給大家推薦的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程論文，希望大家喜歡!

　　計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程論文篇一

　　《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的困境與思考》

　　摘要：分析計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中存在的困境，提出解決思路，闡述怎樣更“有意義”和更“系統(tǒng)地”呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，怎樣在課程中體現(xiàn)前沿技術(shù)，怎樣開展討論課，同時指出教學(xué)的關(guān)鍵是內(nèi)容的組織。

　　關(guān)鍵詞：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu);教學(xué)困境;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)模式;討論課

　　計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程在高校計算機專業(yè)培養(yǎng)中是一門重要的本科高年級基礎(chǔ)課，一直占有很重要的位置。它主要圍繞計算機結(jié)構(gòu)中整體及各個部分的優(yōu)化技術(shù)以及量化分析方法，將計算機組成原理、編譯技術(shù)、操作系統(tǒng)、高級語言以及匯編語言等軟硬件知識相互貫穿，幫助學(xué)生建立計算機系統(tǒng)的完整概念，其重要性是不言而喻的。無論以后從事的是硬件還是軟件設(shè)計，這門課都能幫助學(xué)生理解軟硬件的關(guān)系，在軟件設(shè)計中理解硬件的結(jié)構(gòu)與發(fā)展趨勢，同時設(shè)計硬件時了解軟件的能力與缺陷。這樣的一門課如果真正發(fā)揮作用，對計算機專業(yè)學(xué)生日后盡早適應(yīng)本領(lǐng)域工作有很大的幫助。而現(xiàn)實情況是，這門課一直以來都是公認的難教、難學(xué)、枯燥無趣，真正將其講好講透并不容易。隨著近十年國內(nèi)廣大教師的努力，這一現(xiàn)象有所改善，但還是存在不少困惑，并未完全體現(xiàn)出該課程的作用。

　　1.教學(xué)困境淺析

　　教學(xué)困境的存在與我國計算機軟、硬件技術(shù)落后于美國等先進國家有很大關(guān)系。雖然現(xiàn)在我國在超級計算機的設(shè)計以及自主知識產(chǎn)權(quán)處理器芯片的設(shè)計上有了長足進步，但在很多方面還存在差距，有些方面的積累幾乎為零。在這樣的情況下，高校的計算機教育更需要正視這個現(xiàn)狀，并盡力從人才培養(yǎng)這個層面為改善這種落后面貌而努力。

　　1.1難教的原因

　　首先這門課對授課教師的要求比較高。教師需要對計算機系統(tǒng)整體設(shè)計有很深的理解，通曉軟、硬件相關(guān)的結(jié)構(gòu)、編譯、操作系統(tǒng)等多方面知識，并能將它們?nèi)跁炌?。而實際上，很少有高校教師真正設(shè)計過計算機系統(tǒng)，甚至接觸過系統(tǒng)級軟件設(shè)計的人都比較少。另一方面，找到一本合適的教材也比較困難。最為經(jīng)典的教材是由美國的Hennessy和Patterson合編的《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——量化研究方法》。這是一本非常好的參考書，但作為教材，對于國內(nèi)讀者來說，由于語言上的障礙，英文版的教材可能不能盡得其妙;而且由于諸多翻譯上的弊病，中文版的國外教材也不理想。我國本土教材可能存在著以下幾種困境：其一，知識陳舊，系統(tǒng)性不強;其二，近10-20年的技術(shù)在闡述上過于抽象，不成系統(tǒng)，難于理解;其三，大而全，有些技術(shù)只在特定時期的特定領(lǐng)域出現(xiàn)過，過于冷僻而且復(fù)雜，與其他部分的知識毫無聯(lián)系。

　　教材的困境也反映了難教的現(xiàn)實。隨著新技術(shù)的涌現(xiàn)，教材總是落后于現(xiàn)狀。并不是說，我們將近年來該領(lǐng)域有影響的論文看一遍，就可將它們拿到課堂上講。一方面，在眾多新技術(shù)中，如何甄別出哪些是有發(fā)展前景?哪些又只是曇花一現(xiàn)?另一方面，如果未在該領(lǐng)域或方向上有較為深入的研究，要透徹理解這些新的技術(shù)也存在困難。如果只是泛泛地講解新的技術(shù)名詞，念念論文的摘要，為的是向?qū)W生或聽課的領(lǐng)導(dǎo)炫耀一下，這可能是一種不負責(zé)的做法。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程需要系統(tǒng)的知識體系，那些無法與現(xiàn)有體系相關(guān)聯(lián)的技術(shù)，講起來益處不大。

　　1.2枯燥難學(xué)的原因

　　學(xué)生難學(xué)只能在教師身上找原因。因為沒有教不好的學(xué)生，只有不會教的老師。原因可能有幾個方面：首先，早先選用的教材，知識較為陳舊，50年前的技術(shù)離現(xiàn)實較遠，學(xué)生不知上課講的東西有什么用，教師講起來其實也覺無味。這方面大家已經(jīng)意識到并有了很大的改善;其次，有些先進的技術(shù)或算法本身不是很好理解，需要學(xué)生集中精力聽，并積極思考才能有所領(lǐng)悟;再者，由于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所涵蓋的內(nèi)容過于豐富，教師在講解時必然會將其簡化和抽象，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)時有時會感到枯燥。

　　1.3解決問題的思路

　　作為該領(lǐng)域的教師，只有承認困境，正視現(xiàn)實，才有可能找到解決問題的方法。最為重要的是教師要有改善現(xiàn)狀的強烈愿望和責(zé)任感。下面筆者將從內(nèi)容組織、教學(xué)方法以及教與學(xué)互動幾個方面給出自己教學(xué)中的做法與感受。

　　2.內(nèi)容的組織

　　內(nèi)容的組織是核心。筆者認為教學(xué)過程中真正吸引學(xué)生的是內(nèi)容，因為有意義的教學(xué)內(nèi)容本身就有吸引力。學(xué)生對有意義的知識本能地有著較強的學(xué)習(xí)興趣，教師只需要將知識系統(tǒng)地呈現(xiàn)給他們即可。

　　2.1教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在邏輯性與現(xiàn)實性

　　關(guān)鍵是教師如何讓內(nèi)容“有意義”且“系統(tǒng)地呈現(xiàn)”。這兩點是關(guān)聯(lián)的，一方面，知識與現(xiàn)實要有關(guān)聯(lián)，這樣就有了意義和價值;另一方面知識要體現(xiàn)前后的邏輯性，這就是系統(tǒng)性。

　　比如，對于處理器結(jié)構(gòu)，一般會講解指令流水線的工作原理、性能分析及流水線相關(guān)知識點。而有一些教材在講指令流水線時，只用偽指令(用算術(shù)操作符表示)，這部分內(nèi)容本來就抽象，指令也沒有具體的形式，使學(xué)生很難理解指令流水線的關(guān)鍵思想。因此首先給出一個精簡的MIRS指令集是相當(dāng)有益處的，當(dāng)然也可以是任何其他的精簡指令集。一方面，學(xué)生能夠直觀地體會前面講解指令系統(tǒng)設(shè)計中諸多抽象的原則，同時也更容易理解在指令流水線中為什么這么設(shè)計。在講解后續(xù)指令流水的相關(guān)及沖突時，具體的指令形式也有利于教師講清楚各種沖突問題。只有搞清楚問題是怎么出現(xiàn)的，才可能理解后面的旁路技術(shù)或沖突檢測方法等;只有對分支指令在流水線中的沖突有了比較直觀的理解，后續(xù)的靜態(tài)分支預(yù)測、動態(tài)分支預(yù)測、硬件推測執(zhí)行等才有可能變得有意義。

　　在講完流水線技術(shù)的原理、性能評價和沖突及其解決方法后，這一章似乎可以結(jié)束了。但是如果在最后加上流水線的實現(xiàn)這一節(jié)，會是一個非常好的處理。給出具體的一個指令流水線的數(shù)據(jù)通路，并給出不同指令在每一流水段的操作，試圖引導(dǎo)學(xué)生給出旁路檢測及控制的方法，通過設(shè)計多路選擇器的控制信號來理解流水線設(shè)計中的旁路實現(xiàn)。這部分內(nèi)容引領(lǐng)學(xué)生直觀理解指令流水線的實現(xiàn)，還將前面學(xué)習(xí)的計算機組成原理中的控制器設(shè)計內(nèi)容聯(lián)系起來，讓設(shè)計的計算機更進一步接近現(xiàn)實中使用的機器結(jié)構(gòu)。

　　互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)部分內(nèi)容的組織一直是比較令人費神的，教學(xué)效果不好。一部分教材只是介紹了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基本概念及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典拓撲結(jié)構(gòu)等。就算是由美國的Hennessy和Patterson合編的《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——量化研究方法》的第三版，對這部分的組織也不是很好。最主要的問題就是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的范疇非常廣，關(guān)鍵是如何在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中介紹其中的互聯(lián)。計算機網(wǎng)絡(luò)課程中介紹過的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)、報文格式、包緩沖區(qū)、擁塞控制等知識，在這里并非用不上，而是在此處大而全地介紹不可能將真正重要的問題講清楚，篇幅也不允許。所以大而全的講計算機內(nèi)部、計算機之間的各種網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)所涉及的方方面面，教學(xué)效果并不好，而簡單地介紹網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)及其性能參數(shù)等又比較抽象，容易讓人不知所云，且與整個知識體系關(guān)聯(lián)不大，不能起到將系統(tǒng)的軟硬件知識貫穿起來的作用。因此我們可以首先將互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的范圍限定一下，比如在計算機系統(tǒng)內(nèi)部組件的互聯(lián)，以及小、中規(guī)模的多處理機系統(tǒng)中的互聯(lián)，然后將并行問題及并行算法、并行編程提供的通信原語與底層的互連結(jié)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)，講清為什么要這樣互聯(lián)，適合解決什么樣的并行問題;講清當(dāng)前主流的多處理機系統(tǒng)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)及管理網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與軟件使用情況。講清或許存在一點困難，不過起碼要將這些知識串起來，并與操作系統(tǒng)及并行編程的相關(guān)知識關(guān)聯(lián)起來，這有很大的好處。

　　2.2拉近課堂與現(xiàn)實研究的距離

　　筆者認為對新技術(shù)的泛泛介紹不是沒有意義，但對于高年級的本科生來說，更為重要的是讓他們通過上這門課，逐步了解現(xiàn)實科研在哪里，以及與課堂上講的知識距離有多遠。通過教師自身的研究經(jīng)歷，將課堂上講的知識逐步引到現(xiàn)實科研或本領(lǐng)域當(dāng)下研究的熱點問題中，才是真正有用的。中國科技大學(xué)網(wǎng)站上有唐錫南博士的相關(guān)講座，該講座是針對體系結(jié)構(gòu)方向的研究生及高年級本科生而開的，授訓(xùn)對象都上過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課，教學(xué)目標是對該課程的掌握作進一步地提高。該講座在網(wǎng)上反響挺好，筆者比較受啟發(fā)，也許這對上好計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課也是有幫助的。比如在講多處理機系統(tǒng)中的Cache一致性的問題時，他逐步引到具體實現(xiàn)中的一些困難，問題層層展開，有些問題可能需要一些手段來解決，有些問題恐怕還是難題。學(xué)生學(xué)習(xí)最重要不是學(xué)到答案，而是學(xué)會發(fā)現(xiàn)問題在哪兒以及解決問題的思路和方法，當(dāng)他們了解到該領(lǐng)域前沿的研究思路時，必將增進自己未來解決問題的信心。比如，在講多處理機系統(tǒng)時，從相應(yīng)原理開始講解，然后是現(xiàn)實硬件實現(xiàn)中可能有的變化及原因、并行軟件運行中出現(xiàn)的問題，最后將硬件追求卓越性能與軟件要求正確性及友好性的沖突展現(xiàn)在學(xué)生面前，再說明軟硬件相互依存的道理，這比直接說明軟硬件關(guān)系具體而生動，聽起來也有趣。簡明地講清問題之間的關(guān)系，解決的程度，未解決的問題及難點所在，這對于開闊學(xué)生思路、增加學(xué)生對該領(lǐng)域探索的興趣都比較有效。

　　3.變化的教學(xué)模式

　　傳統(tǒng)的教學(xué)模式并沒有過時，但有時新的模式可以發(fā)揮更好的效果。其次，一成不變的講課模式從學(xué)期開始直至學(xué)期末容易令人厭煩，所以探討變化的教學(xué)模式對于提高教學(xué)效果顯然是有意義的。

　　3.1實踐環(huán)節(jié)的介入

　　實踐環(huán)節(jié)可以與課堂講授相互穿插，不需要將理論部分全部講完再安排。比如講流水線及指令級并行時，適時地將相應(yīng)的指令流水線的模擬器介紹給學(xué)生，讓他們?nèi)ンw會指令的時空概念以及指令問的各種相關(guān)的影響，教師輔導(dǎo)時多問學(xué)生為什么。再比如講存儲層次時，Cache優(yōu)化技術(shù)是其中比較重要的內(nèi)容，這時也最好讓學(xué)生實際使用相應(yīng)模擬器去測，通過改變其參數(shù)來比較相關(guān)性能，可以引導(dǎo)學(xué)生通過分析復(fù)雜系統(tǒng)模擬器的結(jié)構(gòu)來了解相應(yīng)原理，或通過實現(xiàn)過程相對簡單的模擬器來體會實現(xiàn)過程中的細節(jié)問題，這些都是比原理本身更為有用的學(xué)習(xí)體驗。

　　3.2難一點的議題留給討論課

　　對于高年級的本科生來說，他們的精力相當(dāng)旺盛，自身的學(xué)習(xí)能力也比剛?cè)雽W(xué)時強很多。此時將一些需要思考、理解的內(nèi)容交給他們自學(xué)和交流，其效果可能會令人大吃一驚。通過自學(xué)，很多學(xué)生在課下花了不少功夫，并在學(xué)生間進行了充分的討論和互助。課上討論時，可以讓學(xué)生主持，這會讓學(xué)生興奮，而且下面的學(xué)生往往很活躍，想通過為難一下上面的學(xué)生來展示一下自己。每一位學(xué)生其實都有著相當(dāng)強的自尊心，所以這種形式會促進學(xué)生問的討論。經(jīng)驗表明，往往平時表現(xiàn)一般的學(xué)生這時都有相當(dāng)好的表現(xiàn)，他們自己也比較自信。如果學(xué)生說錯了，不要馬上說出來，而是將問題解析一下再次拋給大家，看看大家有什么想法，慢慢地大家都比較放松，讓問題在討論中逐步接近解決。

　　這樣的討論模式有時也會出現(xiàn)教師無法預(yù)料的情景，比如學(xué)生提出一些教師也未考慮過的問題，此時可能會給教師帶來一些緊張感。遇到這種狀態(tài)時，教師首先可以憑借平時深入的備課，稍作思考(可能5～10秒)，問題可能就得到可以解決。這時討論就變得更為引人入勝，學(xué)生的積極思考實際影響了討論的導(dǎo)向，這種情況沒什么不好。教師要有承擔(dān)風(fēng)險的勇氣，同時還可享受到當(dāng)堂弄清某些事情的興奮。另一方面，教師需要逐步積累處置這種情景的經(jīng)驗，自己要意識到，同時試圖讓學(xué)生也意識到，有一些問題需要仔細的考慮，并不能馬上得出結(jié)論，還有一些問題是一些開放的問題，并且承諾關(guān)于此問題教師經(jīng)過一些時間的思考(可能一個課間休息，或下一次課)后，一定會給大家一個負責(zé)任的答復(fù)。這樣學(xué)生會覺得討論有趣，不會害怕犯錯而拘謹;教師也在這個過程中感受到學(xué)生更為積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)，并因此受到鼓勵。

　　4.了解并督促學(xué)生

　　教學(xué)的過程是教師與學(xué)生互動的過程。教師的每一次教學(xué)過程都不會一模一樣。他要根據(jù)教學(xué)對象的不同，做出相應(yīng)的內(nèi)容調(diào)整，也要根據(jù)每堂課學(xué)生的狀態(tài)做出相應(yīng)的節(jié)奏調(diào)整。只有學(xué)生能夠接收、愿意接收，教學(xué)才可能有效。

　　適時的提問可以讓學(xué)生適當(dāng)?shù)鼐o張起來，但對于答錯或說不出結(jié)果的學(xué)生，不要批評，讓其周圍的學(xué)生代為回答，然后一起坐下。對于講解中的一些重要部分也可以通過提問來引起注意，經(jīng)常的提問讓教師更了解每個學(xué)生，同時學(xué)生與教師之間的關(guān)系更加緊密。作業(yè)的及時檢查也是必要的，每次課前可以在黑板上將一些普遍性的問題進行分析、講解。教師對作業(yè)的及時反饋可以提高學(xué)生的積極性，另一方面對于知識的復(fù)習(xí)與融會貫通都有幫助，學(xué)生從中可以體會到—個教師的責(zé)任心，這是非常重要的。教師的工作態(tài)度會影響學(xué)生，特別是有影響的、有一定聲望的教師，他們的教學(xué)態(tài)度對學(xué)生的影響可能持續(xù)一生。

　　5.結(jié)語

　　教師要相信學(xué)生的潛力無限，同樣相信自己，能夠經(jīng)過堅持不懈的努力，引領(lǐng)學(xué)生走向更為廣闊的空間。通過5年來對該門課程的教學(xué)體會，以及近20年的相關(guān)課程教學(xué)經(jīng)歷，筆者得到了一些寶貴的經(jīng)驗，同時也不斷發(fā)現(xiàn)自己的不足，此處給出的一些想法，不一定成熟，不妥之處還望同行批評指正。

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