计算机科学与技术专业三门硬件课程一体化实验研究探索

易丛琴 冯国富 池涛 王静

摘要：《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《计算机系统结构》三门课程分别对应计算机科学与技术专业硬件课程的硬件基础课、硬件专业基础课、硬件专业课三个层次。在厘清三门课程实验之间相互衔接关系的基础上，建立了一体化由简单到复杂、由部分到整体的循序渐进的实验平台。

关键词：硬件课程;课程改革;一体化实验平台

中图分类号：G642     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）37-0277-02

《數字逻辑》、《计算机组成原理》、《计算机系统结构》三门课程对应了计算机科学与技术专业硬件课程的不同层次，分别涵盖了硬件基础课、硬件专业基础课、硬件专业课，形成计算机专业硬件课程的一条主线。通过三门课程理论及实验的学习，学生循序渐进地理解计算机的各组成部件之间的联系，了解各组成部件从独立到统一整体实现基本运算，同时掌握计算机软件和硬件的关系，学会如何评价及优化计算机系统的设计，并且能够在其他相关课程基础上实现计算机功能的扩展。

一、计算机硬件课程的改革

计算机硬件课程是计算机学科必不可少的专业课程[1]，只有熟练掌握计算机硬件知识才能开发出更高效的软件项目。计算机性能随着硬件技术及系统结构的革新不断提高，虽然其工作原理及工作方式基本保持不变，但是要使学生能够更好地理解计算机的工作原理，对相关硬件课程的改革和思考也是必不可少的。

上海海洋大学信息学院在2018版的培养方案中，对硬件课程体系进行了相应的调整和改革。把《计算机组成原理》作为计算机相关专业的核心通识课程，计算机科学与技术专业加强硬件课程体系的改革及建设，围绕《计算机组成原理》为核心的硬件课程，建立分层次课程改革中心，以数字逻辑课程设计为前导课程，以计算机系统结构为提高课程。构建包括基础课、专业基础课和专业课三个层次的一体化硬件实验教学平台，达到既可以系统了解计算机硬件体系，又有助于优化软件系统设计开发的完整实验环境。

二、三门硬件课程之间的相互关系

《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《计算机系统结构》三门课程是计算机科学与技术专业不同层次且课程内容及难度上相互递进的重要硬件课程。《数字逻辑》是《计算机组成原理》课程的前导及基础，计算机科学与技术专业主要关注与CPU相关的逻辑器件技术，掌握与计算机硬件相关的逻辑电路设计的基本理论和知识，理解数字逻辑器件的工作方式，在此基础上认识计算机底层基本器件的工作原理，有助于后续计算机组成及计算机系统结构课程的学习及理解。

《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业硬件课程的核心[2]。通过该门课程的理论学习、实验及实践环节的实施，使学生建立起计算机基本模型机的概念并实现基本模型机的设计。《计算机组成原理》课程对学好计算机相关的其他硬件课程起到重要作用[3]，理论课程包括计算机基本逻辑器件（输入输出系统、存储器、运算器、总线控制）的工作原理及数据及指令流动方式的理解。

《计算机系统结构》课程在学生学习完《数字逻辑》及《计算机组成原理》课程后，着重分析计算机架构是怎么样的，如何提高处理器性能，硬件之间是如何成为有机整体，如何消除CPU与主存之间的速度瓶颈，如何进行性能分析及系统优化。《计算机系统结构》从更高层次整体理解计算机的性能及优化思想，思考和解决实际工程中遇到的问题。

三、三门课程的一体化实验设计

计算机科学与技术专业硬件课程学习过程中，如果没有实验课的支撑，硬件课程的理论部分是非常枯燥且难懂的，要提高学生对硬件课程理论部分的理解及动手实践能力，合理的实验及实践课程安排是有必要的。实验课内容设置上需要理顺先导课程和后续课程的实验顺序和衔接关系，避免实验内容的重复，建立一体化的实验平台。三门课程的实验内容体现由局部到整体的完整计算机设计思想，按照加法器到运算器、寄存器到存储器、数据总线到数据通路、计数器到微程序控制器、基本模型机实现、基本模型机到复杂模型机系统、复杂模型机系统到系统优化过程的顺序由简单到复杂、由部分到整体的基本方法实现。通过三门课程一系列实验使学生加深对计算机工作原理的理解，掌握计算机设计的基本方法，提高学生解决实际工程技术问题的工作能力[4]。

计算机科学与技术专业的《数字逻辑》实验主要包括与计算机五大组成部件（输入/输出设备、运算器、存储器、控制器）相对应的编解码器、二进制加法器、寄存器、控制总线设计、二进制计数器，各部件最终组成一个简单的实现基本算术运算的简单计算系统，实验方式可以采用虚拟实验与FPGA实验箱相结合的方式，虚实结合，既能使学生充分理解现象又能提高学生的实际动手能力。

《计算机组成原理》实验进行计算机相关各功能部件的逻辑实现及处理器的设计，包括运算器、存储器、微程序控制器、基本模型机设计。先导课程《数字逻辑》实验中完成的基本数字逻辑单元在《计算机组成原理》实验中组合成具有一定独立功能的计算机部件，并将独立功能的计算机部件（如运算器与存储器、运算器与控制器、运算器与输入输出系统，存储器与输入输出系统）联系起来协调统一工作。

《计算机系统结构》课程实验在《计算机组成原理》基本模型机实现的基础上，主要实现复杂模型机、基于流水线技术构成模型计算机、带Cache的CPU的设计及代码优化等。通过不同层次的实验，使学生更深入地理解计算机的整体性能、加深对流水线的认识，能进一步优化程序设计，编写出执行速度快、资源利用率高、性能接近于最优的程序。

四、总结

人工智能的发展对计算机科学与技术专业人才硬件课程的学习和掌握程度提出了更高的要求，学生要夯实硬件课程基础才能在其他相关课程的深度和广度上有所提升。计算机科学与技术专业学生通过《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《计算机系统结构》三门课程的理论学习和实验操作，搭建从简单到复杂的模型机，深入理解计算机的工作原理，为未来从事IT相关行业打下良好的基础。

參考文献：

[1]肖娟，王嵩，张雯雰.计算机硬件类专业课程实践教学体系改革研究[J].亚太教育，2015，（27）：90.

[2]王婧.计算机组成原理实验教学改革的探讨[J].软件工程，2017，20（7）：42-44.

[3]徐爱萍，张玉萍，涂国庆.计算机组成原理课程整机实习教学改革与实践[J].计算机教育，2014，（10）：101-104.

[4]王冬.《计算机组成原理》实验教学改革的研究与实践[J].现代计算机，2015，（4）：50-52.

Discussion on the Integration Experiment of Three Hardware Courses of Computer Science and Technology

YI Cong-qin，FENG Guo-fu，CHI Tao，WANG Jing

（College of Information Technology Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

Abstract："Digital Logic"，"Principles of Computer Composition" and "Computer System Structure" correspond to the three levels of computer science and technology hardware courses. The contents of the three courses are interrelated and cross-cutting.On the basis of clarifying the connection between the three courses，an integration experimental platform was established，which integrates the three courses from simple to complex.

Key words：hardware course;curriculum reform;integrated experimental platform