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摘 要：分析计算机系统结构课程教学中存在的困境,提出解决思路,阐述怎样更“有意义”和更“系统地”呈现教学内容,怎样在课程中体现前沿技术,怎样开展讨论课,同时指出教学的关键是内容的组织.
关 键 词：计算机系统结构；教学困境；教学内容；教学模式；讨论课
计算机系统结构课程在高校计算机专业培养中是一门重要的本科高年级基础课,一直占有很重要的位置.它主要围绕计算机结构中整体及各个部分的优化技术以及量化分析方法,将计算机组成原理、编译技术、操作系统、高级语言以及汇编语言等软硬件知识相互贯穿,帮助学生建立计算机系统的完整概念,其重要性是不言而喻的.无论以后从事的是硬件还是软件设计,这门课都能帮助学生理解软硬件的关系,在软件设计中理解硬件的结构与发展趋势,同时设计硬件时了解软件的能力与缺陷.这样的一门课如果真正发挥作用,对计算机专业学生日后尽早适应本领域工作有很大的帮助.而现实情况是,这门课一直以来都是公认的难教、难学、枯燥无趣,真正将其讲好讲透并不容易.随着近十年国内广大教师的努力,这一现象有所改善,但还是存在不少困惑,并未完全体现出该课程的作用.
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1.教学困境浅析
教学困境的存在与我国计算机软、硬件技术落后于美国等先进国家有很大关系.虽然现在我国在超级计算机的设计以及自主知识产权处理器芯片的设计上有了长足进步,但在很多方面还存在差距,有些方面的积累几乎为零.在这样的情况下,高校的计算机教育更需要正视这个现状,并尽力从人才培养这个层面为改善这种落后面貌而努力.
1.1难教的原因
首先这门课对授课教师的要求比较高.教师需要对计算机系统整体设计有很深的理解,通晓软、硬件相关的结构、编译、操作系统等多方面知识,并能将它们融会贯通.而实际上,很少有高校教师真正设计过计算机系统,甚至接触过系统级软件设计的人都比较少.另一方面,找到一本合适的教材也比较困难.最为经典的教材是由美国的Hennessy和Patterson合编的《计算机系统结构——量化研究方法》.这是一本非常好的参考书,但作为教材,对于国内读者来说,由于语言上的障碍,英文版的教材可能不能尽得其妙；而且由于诸多翻译上的弊病,中文版的国外教材也不理想.我国本土教材可能存在着以下几种困境：其一,知识陈旧,系统性不强；其二,近10-20年的技术在阐述上过于抽象,不成系统,难于理解；其三,大而全,有些技术只在特定时期的特定领域出现过,过于冷僻而且复杂,与其他部分的知识毫无联系.
教材的困境也反映了难教的现实.随着新技术的涌现,教材总是落后于现状.并不是说,我们将近年来该领域有影响的论文看一遍,就可将它们拿到课堂上讲.一方面,在众多新技术中,如何甄别出哪些是有发展前景?哪些又只是昙花一现?另一方面,如果未在该领域或方向上有较为深入的研究,要透彻理解这些新的技术也存在困难.如果只是泛泛地讲解新的技术名词,念念论文的摘 要,为的是向学生或听课的领导炫耀一下,这可能是一种不负责的做法.计算机系统结构课程需要系统的知识体系,那些无法与现有体系相关联的技术,讲起来益处不大.
1.2枯燥难学的原因
学生难学只能在教师身上找原因.因为没有教不好的学生,只有不会教的老师.原因可能有几个方面：首先,早先选用的教材,知识较为陈旧,50年前的技术离现实较远,学生不知上课讲的东西有什么用,教师讲起来其实也觉无味.这方面大家已经意识到并有了很大的改善；其次,有些先进的技术或算法本身不是很好理解,需要学生集中精力听,并积极思考才能有所领悟；再者,由于计算机系统结构所涵盖的内容过于丰富,教师在讲解时必然会将其简化和抽象,这使得学生在学习时有时会感到枯燥.
1.3解决问题的思路
作为该领域的教师,只有承认困境,正视现实,才有可能找到解决问题的方法.最为重要的是教师要有改善现状的强烈愿望和责任感.下面笔者将从内容组织、教学方法以及教与学互动几个方面给出自己教学中的做法与感受.
2.内容的组织
内容的组织是核心.笔者认为教学过程中真正吸引学生的是内容,因为有意义的教学内容本身就有吸引力.学生对有意义的知识本能地有着较强的学习兴趣,教师只需要将知识系统地呈现给他们即可.
2.1教学内容的内在逻辑性与现实性
关键是教师如何让内容“有意义”且“系统地呈现”.这两点是关联的,一方面,知识与现实要有关联,这样就有了意义和价值；另一方面知识要体现前后的逻辑性,这就是系统性.
比如,对于处理器结构,一般会讲解指令流水线的工作原理、性能分析及流水线相关知识点.而有一些教材在讲指令流水线时,只用伪指令（用算术操作符表示）,这部分内容本来就抽象,指令也没有具体的形式,使学生很难理解指令流水线的关键思想.因此首先给出一个精简的MIRS指令集是相当有益处的,当然也可以是任何其他的精简指令集.一方面,学生能够直观地体会前面讲解指令系统设计中诸多抽象的原则,同时也更容易理解在指令流水线中为什么这么设计.在讲解后续指令流水的相关及冲突时,具体的指令形式也有利于教师讲清楚各种冲突问题.只有搞清楚问题是怎么出现的,才可能理解后面的旁路技术或冲突检测方法等；只有对分支指令在流水线中的冲突有了比较直观的理解,后续的静态分支预测、动态分支预测、硬件推测执行等才有可能变得有意义.
在讲完流水线技术的原理、性能评价和冲突及其解决方法后,这一章似乎可以结束了.但是如果在最后加上流水线的实现这一节,会是一个非常好的处理.给出具体的一个指令流水线的数据通路,并给出不同指令在每一流水段的操作,试图引导学生给出旁路检测及控制的方法,通过设计多路选择器的控制信号来理解流水线设计中的旁路实现.这部分内容引领学生直观理解指令流水线的实现,还将前面学习的计算机组成原理中的控制器设计内容联系起来,让设计的计算机更进一步接近现实中使用的机器结构.互联网络部分内容的组织一直是比较令人费神的,教学效果不好.一部分教材只是介绍了互联网络的基本概念及互联网络的经典拓扑结构等.就算是由美国的Hennessy和Patterson合编的《计算机系统结构——量化研究方法》的第三版,对这部分的组织也不是很好.最主要的问题就是互联网络的范畴非常广,关键是如何在计算机系统结构中介绍其中的互联.计算机网络课程中介绍过的网络介质、报文格式、包缓冲区、拥塞控制等知识,在这里并非用不上,而是在此处大而全地介绍不可能将真正重要的问题讲清楚,篇幅也不允许.所以大而全的讲计算机内部、计算机之间的各种网络以及网络所涉及的方方面面,教学效果并不好,而简单地介绍网络的拓扑结构及其性能参数等又比较抽象,容易让人不知所云,且与整个知识体系关联不大,不能起到将系统的软硬件知识贯穿起来的作用.因此我们可以首先将互联网络的范围限定一下,比如在计算机系统内部组件的互联,以及小、中规模的多处理机系统中的互联,然后将并行问题及并行算法、并行编程提供的通信原语与底层的互连结构相互关联,讲清为什么要这样互联,适合解决什么样的并行问题；讲清当前主流的多处理机系统中相应的数据网络、控制网络及管理网络的结构与软件使用情况.讲清或许存在一点困难,不过起码要将这些知识串起来,并与
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