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计算机科学原理范文1
关键词：计算机组成原理；汇编语言；教学改革
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2016）07-0014-02
一、“计算机组成原理”课程的特点
“计算机组成原理”是研究生入学考试的必考科目。该课程以冯・诺依曼型计算机为基础，围绕计算机的运算器、控制器、存储器和输入输出设备等五大部件详细介绍它们的工作原理与算法以及具体实现的电路结构。通过学习本课程，要求学生熟练掌握单总线结构CPU的工作原理和设计实现的方法，同时要求学生初步掌握精简指令系统、流水线结构、多体并行存储器、中断的工作原理等知识，为后续课程“微机原理与接口技术”、“计算机系统结构”做好准备。该课程首先讲授了8086CPU的编程结构，然后引申出8086汇编语言的寻址方式和指令系统，学生在掌握上述知识的基础上，进行汇编语言程序设计。汇编语言程序设计可以让学生加深对程序设计方法的理解，同时程序的编写和调试使学生对计算机硬件有一个感性的认识， 为以后他们学习“微机原理与接口技术”、“操作系统”等课程做准备。
根据国家教育部高教教执委的新的教学改革精神，结合我院的具体情况，我院将“计算机组成原理”与“汇编语言”两门课程合并成一门全新的“计算机组成原理”课程。在新的教学体系中，我们将两门课程有效地结合起来去糟取精删繁就简，舍去了两门课程中的重叠部分而突出重点，形成了一套新的教学体系。
二、“计算机组成原理”与“汇编语言”教学内
容的融合
在传统的“计算机组成原理”课程中，教师始终围绕着计算机的五大部件按照运算器、存储器、控制器、输入输出系统这个顺序进行讲解，在讲授过程中经常会用到一些实例进行说明，而很多时候是以汇编语言做例子讲解的，两门课程融合在一起的最大好处就是教师在讲授“汇编语言”的部分时，可以更好地兼顾“计算机组成原理”，让这两门课程做到无缝对接。
在基础知识部分，我们首先要介绍冯・诺依曼型计算机的特点。冯・诺依曼型计算机是串行计算机的始祖，所有的串行计算机都要符合冯・诺依曼型计算机的特点，这是“计算机组成原理”基础知识部分的重点。在课程讲授过程中，教师都会画一幅五大部件的关系图，通过图形示意来表示一条指令是如何在五大部件之间流动的，从而使用户从外部观察到计算机处于运行状态。我们考虑从这里引入8086CPU的编程结构，从计算机组成原理过渡到汇编语言，让指令举例更加具体化，再结合指令的寻址方式，借机说明8086的汇编语言指令是如何在CPU中执行的。
在接下来的讲授过程中，我们将介绍8086汇编语言的寻址方式和指令系统。由于在计算机组成原理课程中也有一章介绍指令系统，我们可以把这个部分与汇编语言的内容合并，以计算机组成原理的部分强调基本概念，以汇编语言的内容来强调具体应用，把内容更加具体化，举例更具有针对性，可以使学生更好地理解寻址方式和指令系统。在这里我们在教学上做了一点改变，我们考虑到汇编语言指令数目较多的特点将指令分类，每类指令选出一到两个具有代表性的指令进行详细说明，其他略讲，然后采用写出指令执行结果的方式进行大量练习，从而巩固这部分知识。
在讲授了汇编语言的程序设计方法之后，再讲授计算机组成原理部分的运算器与运算方法部分。在这部分我们可以利用学过的汇编语言知识，结合布斯算法和加减交替法编写定点数乘除法的汇编语言程序，还可以编写浮点数运算的模拟程序。在讲授控制器的部分时，我们可以设计一个类8086的CPU，把它作为课堂上的CPU设计举例，这样把一条8086汇编语言指令放在这个CPU中运行，可以更直观地反映指令的工作细节，促进学生对控制器的工作原理和汇编语言的理解。
三、“计算机组成原理”与“汇编语言”实验内
容的融合
“计算机组成原理”与“汇编语言”都有实验课，由于在讲授上先讲“汇编语言”的内容，因此相关实验先进行，然后进行“计算机组成原理”的实验。我院的“计算机组成原理”实验课程使用的是由清华大学计算机学院研制开发的TH-union+教学实验系统，该系统主要用于“计算机组成原理”课程的硬件教学实验，还支持监控程序、汇编语言程序设计。在硬件上同时实现了硬布线方式和微程序方式两种控制器结构，既支持用中小集成度的芯片实现CPU的方案，又支持用高集成度的FPGA门阵列实现CPU的方案。在软件上可实现指令级模拟，也可以软件模拟硬布线和微程序的操作，为学生学习硬件理论知识起到了重要的辅助作用。但是该实验系统的汇编语言指令与8086汇编语言是不兼容的，这使学生在短期内很难快速掌握实验系统的汇编语言指令，因此经课程组全体教师研究决定，另外开发一款新的汇编语言转换软件，用来实现两种不同种类的汇编语言互相转换。
该软件是利用linux模拟环境Cygwin开发实现的。Cygwin是cygnus solutions公司开发的一个在windows平台上运行的类UNIX模拟环境。在这里我们主要使用了Cygwin开发环境里的flex和gcc两个工具软件。利用flex工具软件编写的源代码必须转换成c语言代码格式，然后由linux下的c语言编译器gcc编译成可执行文件，完成最后的开发。
由于TH-union+教学实验系统的汇编语言指令共48条，采用精简指令系统，每条指令的寻址方式是固定的，因此不单独设置关于寻址方式的标志位，当指令进行译码操作的时候，实验系统电路通过分析指令的操作码既了解了指令的操作功能也了解了指令操作数的寻址方式。而8086汇编语言指令是一个复杂的指令系统，每条指令对应着多种不同的寻址方式，因此我们把教学实验系统的汇编语言看成是8086汇编指令系统的子集。通过对转换程序my的使用，帮助学生对比两种汇编语言之间的相同点和不同点，通过对比学习，学生可以更快速地熟悉实验系统汇编语言。
在这里对于不可转换的汇编语言指令可采取两种处理方式：方式一，发出警告提示并忽略此条指令；方式二，发出错误提示并强行结束程序转换。转换程序your分析了操作码之后开始分析操作数的寻址方式。在这里，我们假设所有指令都采用双操作数，因此在结构体中设置了两个对应寻址方式的变量。具体操作时，如果分析出该操作数的寻址方式可以被实验平台支持，那么就将对应数值保存在结构体的对应变量中以便转换，如果不是实验平台支持的寻址方式，系统将提示用户：“你的程序中使用了不可转换的寻址方式”，并强行结束转换。在寻址方式转换过程中，有一些特殊情况需要系统自动追加指令。
最后，要对输入输出指令单独处理。输入输出操作是后续课程“微机原理与接口技术”的重要知识点。在编写汇编语言程序过程中，当遇到输入和输出操作都是直接调用DOS中断或BIOS中断来实现的。但是教学实验系统没有任何中断程序辅助操作，遇到输入和输出操作只能由学生自己编写。在编写8086汇编语言程序过程中，凡是遇到输入和输出操作都通过调用这两个宏来实现。每次进行输入输出操作时必须先对指定的状态寄存器的标志位进行判断，以确定硬件是否准备好，是否可以进行输入输出操作。具体做法是使标号由英文字母和数字构成，每次产生新的标号，后面的数字部分就加1，保证新标号与旧标号不同。
“计算机组成原理”和“汇编语言”是计算机科学与技术、软件工程专业的专业课程，这两门课程存在着很多联系同时也有一些区别，把这两门课程合并成一门全新的“计算机组成原理”课是我院一项新的教学改革方案。如何把两门课程很好地融合在一起就成了课程组面临的一个新的挑战，本文结合课程组全体教师的多年教学经验，抛砖引玉，初步提出了一些在教学和实验上的改革方案，希望各界同人多提宝贵意见。
参考文献：
[1]唐朔飞.计算机组成原理：第二版[M].北京：高等教育
出版社，2008.
[2]王诚，刘卫东，宋佳兴.计算机组成与设计：第三版
[M].北京：清华大学出版社，2008.
[3]沈美明，温冬婵.IBM PC汇编语言程序设计：第二版
[M].北京：清华大学出版社，2001.
计算机科学原理范文2
关键词:计算机;组成原理;教学
中图分类号:G642文献标识码:A
1前言
自2009年起,“计算机组成原理”课程已被列入全国研究生入学考试必考科目之一,而且分值与“数据结构”课程相同,占总分的30%,这一新的情况给该课程的教学提出了新的要求。作为教师,如何在有限的学时内给学生讲清要点,明确目标;作为学生又如何以最高的效率掌握要点,灵活运用;这是教学双方都期S实现的理想。然而,理想的实现不仅要付出辛勤的劳动,而且要有正确的教学方法,只有方法得当,才可能达到事半功倍的效果。笔者20年来一直从事该课程的教学工作,同时担任学生班主任工作,在教学实践和与学生的直接接触过程中,对该课程的教学有一些切身体会,作为抛砖引玉,希望对学习该课程的学生有所帮助,同时也希望得到执教该课程的同行们的共同商榷,以便实现共同的理想。
2把握重点,突出主线
“计算机组成原理”是计算机类专业的主干课之一,本课程的研究重点是讨论单台计算机完整硬件系统的基本组成原理与内部运行机制。教学目标是用层次结构的观点并以信息的加工、处理为主线研究计算机硬件结构及工作原理,具体任务是使学生掌握计算机硬件系统中运算器、控制器、存储器、输入/输出设备等部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及互连构成整机的技术;培养学生对硬件系统的分析、设计、开发、使用和维护方面的能力,既为后继课程的学习打好基础,同时也能够积累应对研究生入学考试及各种水平考试的必备知识。
3运算方法与运算器
(1) 定点数加、减法运算及溢出判断
定点数的加、减运算都是以补码形式进行的,只所以用补码,其原因由于补码可以使符号位与数据一起参加运算,只要运算结果没有发生溢出,结果的符号和数据可直接获得。
在定点数的加减运算过程中,无论是定点小数还是定点整数,运算结束后都存在一个溢出判断问题,但是这种判断首先应该在一个基本概念清楚的基础上。溢出是由于运算结果超出了定点数据格式的表数范围而引起,所以两个符号相异的定点数做加法运算或两个符号相同的定点数做减法运算,其结果一定不会发生溢出,即使是两个符号相同的定点数做加法运算或两个符号相异的定点数做减法运算,其结果也不一定会发生溢出,但必须做溢出判断。
设操作数之一是A0A1…An,另一操作数是B0B1…Bn,运算结果为S0S1…Sn,运算过程中各位发生的进位为CfC0C1…Cn-1,运算结果溢出判断的方法有三种:如果是双符号位,溢出判断可根据运算结果的两个符号位来确定,即当运算结果的两个符号位S0和S1不相同则发生了溢出,用表达式可表示为:V=S0S1;对于单符号位的运算有两种判断方式,方法之一是:若两个操作数的符号位相同而运算结果的符号位与其相反,则发生了溢出,用表达式可表示为:V=A0B0 + S0(其含义是两个负数相加结果的符号为正或两个正数相加而结果的符号为负);对于单符号位运算的另一种判断方式是:根据最高数字位与符号位的进位来判断,如果最高数字位的进位C0与符号位的进位Cf不相同,则发生了溢出,用表达式表示为:V=C0Cf。
(2) 浮点数加、减法运算步骤及溢出判断
浮点数的运算步骤可分为:对阶、尾数加/减运算、结果规格化、舍入处理、溢出判断等5个步骤。对阶的过程就是移动小数点的过程,对阶过程如何实现,方法不应死记,只要概念清楚,想一下就知道,尾数加、减是进行小数运算,所以对阶后不应该让尾数变大,只能变小,所以对阶只能让小阶向大阶看齐,即右移阶码小的数的尾数,每右移一位,阶码加1,直至两数阶码相等为止。
浮点数的溢出不是由尾数运算结果决定的,而是由阶码决定的,因为尾数溢出可以通过向右规格化来处理。
(3) 定点数的乘、除法运算
定点数的乘法运算方法有两种,其一是通过将乘法运算转换成移位操作和加法运算来实现,补码一位乘法的典型算法是Booth算法;另一种方法是通过阵列乘法器来实现,掌握的重点概念是符号位的负权概念。定点数的除法运算方法也有两种,其一是通过将除法运算转换成移位操作和减法运算来实现,另一种方法是通过阵列除法器来实现。
(4) 浮点数的乘、除法运算
浮点数的乘、除法运算可以变成两种定点数的运算来实现,即指数的定点整数加/减运算和尾数的定点小数乘/除运算来实现。所以只要掌握了定点数的运算方法,就不难推广应用到浮点数的乘、除运算过程中。
(5) 运算器
与运算方法相应,运算器也有定点运算器和浮点运算器两种。运算器的核心部件是ALU,典型的ALU芯片有74181和2901,与其配套的二级先行进位芯片有74182和2902,作为学习者,不仅要掌握单个芯片的工作原理,而且要掌握用多个芯片构成位数更多的具有多级先行进位功能的ALU的方法。
典型的浮点运算器是与8086CPU配套使用的协处理器8087。
4存储器及其体系结构
(1) 存储器体系的构成
过去的计算机存储器是由二级体系构成的,即主存储器与辅助存储器。随着软、硬件技术的不断发展以及CPU速度的提高,计算机对存储器的要求也越来越高,具体来说就是存储空间越大越好,存取速度越快越好,单位价格越低越好。为了获取最高性价比,现在的计算机存储体系已增至三级,即高速缓冲存储器(Cache)、主存储器和辅助存储器。其中,Cache与主存储器构成了计算机系统的内存,Cache的容量比主存小得多,但其速度数倍于主存。由于程序运行存在局部性,通过Cache控制器将目前程序运行所需的内容由主存调入Cache,并自动实现两者之间的换进换出,可使CPU访问Cache的命中率达90%以上,从而使计算机拥有一个速度与Cache相当、容量与主存相同的内存。主存储器与辅助存储器可通过软、硬件结合来实现虚拟存储器,从而使计算机可以运行大小超出主存容量的程序。
(2) 不同存储芯片的区别
存储芯片可分ROM和RAM两大类。两者的主要区别是:ROM在正常工作时是只读的,常用于存放固定不变的信息,其内容不受断电的影响。RAM中的信息是可随时更新的,但一旦断电,其内容则不复存在。ROM又可分为EPROM和EEPROM等多种形式,其主要差别是擦除方式不同。RAM又可分为SRAM与DRAM两种,其主要差别是前者的存储元由双稳态触发器构成,所以只要有电源,其存储内容是不会丢失的,不需要刷新,而后者的存储元由电容来存放信息,由于电容的电荷会随时间的推移而泄漏,所以需要定期刷新。
(3) 根据存储器结构类型不同区分的两种计算机体系结构
根据存储器结构类型不同可将计算机体系结构分为两大类:冯•诺依曼(Von Neumann)结构和哈佛(Harvard)结构。
冯•诺依曼结构的主要特点是指令和数据使用单一的存储器空间,因此简化了计算机的设计,但由于存储器资源的唯一,所以一次只能访问指令和数据中的一个。这种体系结构由美国宾夕法尼亚(Pennsylvanis)大学的冯•诺依曼在1943―1944年开发的ENIAC电子计算机首次使用。
哈佛结构的主要特点是对于程序和数据使用各自独立的存储器,由于程序和数据分开存放,所以可以实现对指令和数据的并行访问。这种体系结构由哈佛大学的物理学家Harvard Aiken于1930年开发,1943年在Harvard Mark计算机上实现。
(4) 存储器与CPU的连接
存储器与CPU的连接无非是将存储器芯片的地址线、数据线和读、写控制线与CPU的相应线相连,在连接之前,必须根据存储器的容量和单片存储芯片的容量计算出所需的芯片数,同时还必须明确位扩展与字扩展的方法。一般而言,若存储器容量为M单元×N位,而存储器芯片容量为m单元×n位,则整个存储器所需的字扩展为M/m组,而每组的位扩展芯片数为N/n。对于同一组而言,其地址线的连接是将相同位序的地址线连到一起,而数据线则分别连接到CPU的不同数据线上。不同组之间,其地址线和数据线的连接是相同的,也就是低位地址范围相同,只是片选信号的连接不同。片选信号的作用是区分不同的地址段,分段的依据取决于对应地址段的高位地址值,所以片选信号的产生是根据高位地址的译码来实现的,需要多少位高位地址取决于组数,两组可用一位高位地址线选即可,四组则需二位高位地址经一个2-4译码器产生4个片选信号,依此类推。
(5) 虚拟存储器的原理与应用
虚拟存储器的实质是利用程序执行过程中的局部性原理,对内存按页或段方式进行管理,即将要运行的程序分页或分段调入内存,从而使计算机可以运行超过实际内存空间的程序,好像扩充了内存空间一样。由于这一特性是建立在将外存作为内存的后备来实现的,实际的内存空间并没有改变,所以叫虚拟存储器。
在教学过程中,初学者对虚拟存储器的概念通常难以掌握,所以应该有一个让初学者容易接受的教学方法。有效的教学方法之一可借助于PC机中的某些设置来说明。例如,通过双击“我的电脑”可以看到系统盘上的总大小和可用空间。如图1可见当前的C盘可用空间是15.5GB。关闭该窗口后,右击“我的电脑”,在快捷菜单中选择“属性”进入系统属性对话框,再选择“高级”页面,如图2所示。再单击“性能”框中的“设置”按钮进入“性能选项”对话框,再选择“高级”页面,如图3所示,单击其中的“更改”按钮,进入“虚拟内存”设置对话框,如图4所示,从中可见C盘目前的自定义页面大小初始值为1024MB,最大值为2048MB,若将初始值由1024改为2048,而最大值由2048改为4096,重新启动计算机后,再双击“我的电脑”,如图5所示,由图可见C盘的可用空间由设置前的15.5GB变成了设置后的14.5GB。之所以少了1GB,就是因为刚才将虚拟内存初始页面大小由1GB(1024MB)改为2GB所致。这就说明,虚拟内存实际上只是从硬盘中划出的一部分外存空间作为内存使用,好像扩充了内存,而这种内存的扩充是建立在外存减小的基础上的,并需要相应的软件支持。
5指令系统与CPU
(1)RISC与CISC
按指令系统可将计算机分成两大类,精简指令系统计算机(RISC,Reduced Instruction Set Computers)和复杂指令系统计算机(CISC,Complex Instruction Set Computers)。CISC是在为了便于进行软件制作,特别是编译,而将可能硬件化的部分都交给硬件处理的原则下设计的。其主要特点是指令长度不等,指令执行时间不等,指令集庞大,访问模式非常多而灵活,指令功能大多用微程序实现。与CISC相比,RISC的特点是大部分指令可以在一个时钟周期内完成,指令的长度相等,指令集是由简单的指令组成,如存储器只能用Load/Store指令来访问,访问模式少,减少了依赖于处理器的控制,指令功能大多使用硬布线逻辑实现。
(2) 典型指令系统
典型指令包括:数据传送、算术运算、逻辑运算、程序控制和输入输出。其中输入输出指令只有在独立编址方式中才有,对于统一编址方式,则输入输出与数据传送相同。
(3) 指令寻址与数据寻址方式
指令的寻址方式只有顺序与跳跃两种,其中跳跃寻址又有相对跳转和绝对跳转两种。数据的寻址方式则较多,典型的数据寻址方式有:隐含寻址、立即寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址变址寻址等,重点掌握各种寻址方式的原理及其相应指令的具体用法。
(4) 控制器
控制器是计算机的硬件系统中的决策机构,担负着协调和指挥整机各个功能部分有条不紊地进行工作的重任。
控制器有组合逻辑型、存储逻辑型和混合型三种。组合逻辑型控制器的基本思想是把控制器看作为产生专门固定时序控制信号的逻辑网络。其设计目标是使用最少元件和最高操作速度来实现指令功能。随着CPLD和FPGA的功能和应用的拓展,组合逻辑型控制器越来越多地得到了应用。存储逻辑型的基本思想是以设计软件的方式来设计硬件,即仿照设计解题程序的方法,把执行机器指令所需的操作控制信号编成相应的微指令序列存放在只读存储器里,当机器运行时,逐条地读出微指令,从而产生全机所需要的各种微操作控制信号,使相应部件执行规定的操作,完成指令功能。混合逻辑型是两者的结合。
(5) 现代CPU与传统CPU的区别
传统的CPU由运算器和控制器构成,现代的CPU除了运算器和控制器外,还增加了高速缓冲存储器(Cache),Cache还可能分为多级,增加Cache的目的不仅是利用程序执行过程中的局部性原理来提高程序执行速度,而且有可能在CPU内部改变计算机的体系结构。比如现在广泛使用的奔腾CPU就通过其内部将Cache分为数据Cache和指令Cache,从而使PC机的冯•诺依曼体系结构在CPU内改变成了哈佛结构。
(6) 流水线的概念及要点
流水线已被广泛应用于计算机系统的多种功能部件中。除了运算器流水线外,在控制器中流水线结构已得到广泛应用。
流水线要发挥最大效率,基本条件有二,一是流水线结构中的各个过程段的操作周期应大致相等,二是流水线应尽可能保持不发生断流现象。
可能导致流水线发生断流的因素有三:一是资源相关,二是数据相关,三是控制相关。奔腾CPU只所以在其内部将Cache分为数据Cache和指令Cache,其主要原因就是为了数据和指令的并行访问,避免资源相关。数据相关可以通过特设运算结果缓冲器及向前传送技术来缓解,控制相关可通过延迟转移和转移预测来解决。
6总线
如果将计算机硬件系统中的各个部件比作一颗颗的珍珠,那么总线在系统的作用,就相当于连接珍珠的绳索,通过这根绳索,就可将一颗颗的珍珠联接成一个整体,成为一个漂亮的项链。总线是计算机系统中公共的信息传输通道,存在多个主部件同时要求使用总线的可能,要将总线资源合理地分配给多个要求使用总线的主部件之一,这就存在着总线的仲裁问题。总线的仲裁可分为集中式和分布式两类,集中式仲裁又分三种:链式查询、计数器定时查询和独立请求。对于这三种集中式总线仲裁方式必须掌握其工作原理、主要优缺点以及应用场合。
7I/O系统与I/O方式
I/O系统由I/O接口与I/O设备构成。I/O方式可分为主要由程序实现的程序查询方式和程序中断方式以及主要由附加硬件实现的DMA方式和通道方式。
程序查询与程序中断方式的共同特点是两者都是通过CPU执行I/O指令来实现的输入/输出。只是前者是由CPU主动查询外设就绪后执行的输入/输出,而后者是CPU通过被动响应外设的I/O请求来实现的输入/输出。主动查询需要占用CPU机时,所以只能实现CPU与外设的串行工作,而中断方式可以实现CPU与外设的并行工作。
中断有单级中断和多级中断。单级中断不是只有一个中断源,而是所有中断源同属一个级别,一旦CPU响应某个中断源,必须等待该中断服务程序执行完毕才有可能响应新的中断请求。多级中断不仅是中断源有多个,而且分成多个优先级别,高优先级的中断源可以中断正在执行的低优先级的中断服务程序,从而实现中断的嵌套。中断优先级还可以分中断响应优先级和中断处理优先级,中断响应优先级是由硬件排队电路决定的,而中断处理优先级是可以通过对中断屏蔽寄存器的设置来改变的。
DMA虽是程序中断传送技术的发展,但它在硬件逻辑机构的支持下,以更快的速度、更简便的形式传送数据。
两者之间有以下明显区别:
(1) 中断方式由CPU响应中断后执行中断服务程序来实现数据传送,而DMA方式直接靠DMA控制器来实现。
(2) CPU对中断的响应是在执行完一条指令之后,而对DMA的响应则可以在指令执行过程中的任何两个存储周期之间。
(3) 中断方式不仅具有数据传送能力,而且还能处理异常事件。DMA只能进行数据传送。
(4) 中断方式必须切换程序,要进行CPU现场的保护和恢复操作。DMA可以只挪用一个存储周期,不改变CPU现场。
(5) DMA请求的优先权比中断请求高。CPU优先响应DMA请求,是为了避免DMA所连接的高速外设丢失数据。
DMA和通道控制方式最基本的相同点是把外设与主机交换数据过程控制权从CPU中接管,使外设能与主机并行工作。但它们之间也存在以下主要的不同。
(1) 工作原理不同。DMA完全采用硬件控制数据交换的过程,速度较快;而通道则采用软、硬件结合的方法,通过执行通道程序控制数据交换的过程。
(2) 功能不同。通道是在DMA的基础上发展来的,因此,通道功能更强。在DMA中,CPU必须进行设备的选择、切换、启动、终止,并进行数据校验,CPU在输入输出过程中的开销较大,通道控制则把这些工作都接管下来。
(3) 控制的外设类型不同。DMA通常只控制速度较快、类型单一的外设,而通道支持多种外设。
8结束语
随着大规模集成电路技术和计算机体系结构的不断发展,计算机组成原理的基本内容还在发展演变过程中。例如指令周期、机器周期和时钟周期的概念随着流水线技术的不断提高而变得越来越模糊,过去强调一个指令周期由若干个机器周期构成,一个机器周期包含若干个时钟周期,而现在的CPU,一个时钟周期就可能执行一条指令甚至是多条指令。CPU的结构除了引入多级Cache外,还引入了多核结构,这就使得传统的教学方法和体系必须改进,相应的教材和实验设备有待更新,以便适应新的体系结构的变化,同时,也需要我们教学人员共同努力,不断创新,才能培养出适应形势发展的人才。
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)
计算机科学原理范文3
・掌握设计CPU的方法、步骤和具体的技能
・具备逻辑上设计计算机的能力
・熟悉现代微机所采用的新技术，了解下一代CPU发展的新动态
为体现深入浅出的教学方法，本文提出了对通用CPU进行分类的观点，以达到更好的教学效果。
关键词 教学改革设计CPU
1计算机组成原理课程的教学现状
计算机组成原理教学大纲都有以下或类似的描述：“计算机组成原理课程是计算机科学各专业的一门核心课程，本课程的任务是使学习者掌握计算机系统中硬件部分的组成原理，掌握计算机的基本工作原理、计算机各主要部件的硬件结构、相互联系和作用，从而对整个计算机系统从硬件角度有完整的了解，为本专业后继课程的学习打下基础。”
显然这样的教学大纲很难培养大学生的创新能力，更不能满足我国“十一五”规划关于提高自主创新能力的长期战略目标对人才的需求。毫无疑问，所有“211工程”高校应为国家培养出大批具备创新能力的合格人才。
2改革的思路和目标
现代电子数字计算机，包括专用电子数字计算机、通用电子数字计算机（简称计算机或电脑），都是基于冯・诺依曼机（Von Neumann）的理论设计并发展而成的。
冯・诺依曼机主要由以下五部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
现代通用计算机和冯・诺依曼机之间的最大区别是：冯・诺依曼机以“运算器为中心”，现代通用计算机以“存储器为中心”。
冯・诺依曼机的CPU仅包括运算器和控制器。随着集成电路平面制作工艺的出现，这两大部分往往集成在同一芯片上。因此，通常将它们合起来统称为中央处理器（Central Processing Unit），简称CPU。虽然经历了60年的发展，CPU的内部结构发生了很大的变化，但其实现的功能（指令控制、操作控制、时间控制和数据加工）是不变的。
计算机的核心是CPU，要想真正掌握计算机工作原理，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径就是掌握设计CPU的方法、步骤和具体的技能。同理，掌握计算机工作原理最有效的方法是学会在逻辑上设计计算机的技能。为了进一步结合实际和拓展同学们的视野，我们分析和讲述了当前市场上最先进的CPU及微机所采用的新技术，如CPU的字长、Cache 的大小和级数、最大和实际的寻址空间、拥有的流水线条数、超线程、工艺制程和核心电压、支持的最高频率和指令集、最新南北桥主要技术指标及前端总线（FSB）的速度和内存带宽等，拉近了与同学们的距离并激发了同学们的学习兴趣。根据这一思路，提出学习这门课程应达到如下目的：
・掌握设计CPU的方法、步骤和具体的技能；
・具备逻辑上设计计算机的能力；
・熟悉现代微机所采用的新技术，了解下一代CPU发展的新动态。
讲述设计CPU知识，首先要解决同学们的思想认识问题。不要一谈到CPU就只想到Pentium 4甚至双核CPU Pentium D。因为CPU有通用、专用、嵌入式系统等多种类型。对于已经发展了60年的通用CPU大致可分为如下几类：
① 冯・诺依曼型CPU
运算器、控制器
② 现代简单CPU
运算器、控制器、寄存器（专用和通用）
③ 现代较复杂CPU
运算器、控制器、寄存器（专用和通用寄存器堆）、Cache、流水线
④ 现代复杂CPU
运算器、控制器、寄存器堆、多级Cache、多条流水线
⑤ 双核（多核）CPU
我们要求掌握的是现代简单CPU设计方法、步骤和技能，而非高端产品Pentium 4的技术。在此基础上为日后开发出拥有自主知识产权的专用CPU（如专用于空调机、微波炉、洗衣机等）和嵌入式系统的CPU（用于手机或小汽车等机电一体化）奠定基础。据预测到2010年我国对这两类CPU的需求消耗量将达到6000亿元人民币。这样，同学们的视野就开阔了。更重要的是学习兴趣和自信心都大大提高了。这样一来，就自然会把同学们被动接受知识转变为主动的学习状态。从而激发了他们强大的学习动力，为能达到这样的学习目标，他们会认真搜集有关资料，会努力配合老师的讲课内容和进度做预习和复习。在充分调动了同学们的学习积极性后，为加强同学之间的合作精神，我们布置了一个基于RTL（寄存器描述语言）由两人一组完成的大作业――“设计一个现代简单CPU”（指令集根据需要而确定。分别用硬布线和微程序两种方法，并比较两者的优缺点）。
完成这个课题后，同学们马上就会想到如何提高CPU的速度和功能等问题，通用寄存器、新的数据表示、新的指令（保证向上兼容）、双总线、三总线、Cache、流水线……这正是他们今后能够深入并有能力解决的问题。
关于设计计算机，我们可以考虑给出一个完整的但不十分复杂的计算机主机板部分作为范例，至少必须包括有CPU、存贮器、I/O端口。这样同学们就更容易、更具体地掌握CPU和存贮器连接的三类线(数据线、地线线、控制线)；体会到存贮器组织的几种方法（存贮器的位扩展、字扩展、位字同时扩展）；由于有I/O端口，可分别考虑I/O统一编址和I/O独立编址的设计。通过上述两个综合应用的实例能很好地解决同学们普遍存在的“对于课本的内容拆开来都能理解，但合起来就不知所云了”这类致命的学习问题。
绝大多数同学在做完设计CPU课题后写出了感想，大家的感受都体现了努力后的那“一分耕耘，一分收获”的成就感和满足感，且这种感受是无法用语言表达的。同时又发现设计CPU不像原先想象中的那么“难以靠近”。2002级4班有一位同学这样写到：“由于以往对硬件方面的学多数只停留在理论，或者是去实验室作简单的实验，而并没有联系实际，去体会它们的工作原理。特别是像CPU这么核心的技术，光懂得原理的话，可能过一两年又会忘得差不多了。但是现在，不但可以更深刻地体会和学习CPU的工作原理，而且还掌握了一门实践性很强的技术，我想所有人过十年，二十年后还是不会忘记的。理论离开了实践，永远只是虚无的理论，犹如纸上谈兵。在目前普遍缺少实践指导的学习上，老师要求我们增强实践能力，是反映了同学的心里期望的。尽管这个学期任务非常重，但是大家没有半句怨言。所以，这说明了设计计算机，设计CPU是我们心里非常想学的东西。因此，我强烈希望这样的措施可继续实施下去，辛苦老师了。”
3实施的成效
计算机组成原理课程教学改革的思路和目标在我们学院已实施了两届（第一次是在2002级）。2005年12月5日开始，教育部对我校进行本科教学工作水平评估，并听取了我讲授2003级的该门课程，得到专家组的一致肯定。此外，还可从这两届学生的体会、反应和图1数据得出，教学的效果非常理想，教学的目标基本实现。2006年9月在2004级也实施这一改革理念。
为了准确掌握这一改革的真实情况，对2002级（1～6班，回收问卷191份）、2003级（1～5班，回收问卷207份）全级都作了如下的问卷调查：“你认为本学期所进行的《计算机组成原理》课程的教学改革是否有必要？”四选一回答：很有必要、有必要、无意见、无必要。
结果是：回答很有必要 302人、有必要 89人、无意见 5人、无必要 2人。参看图1。
4结束语
上述强调的“自主知识产权的CPU”在非常时期对国家的安全起到了关键性的作用，以导弹和导航系统为例，必须用“有自主知识产权的CPU”才能从根本上完全掌握和控制其发射和运行轨道的正确性和可靠性。
中国科学院院长路甬祥院士在广州举行的“第七届海内外设计与制造科学会议”作报告时指出：“如过多依赖国外的先进技术而没有自己的创新，自给率低；高层次人才严重缺乏，特别是能参与国际竞争的战略科学家太少。目前制造业的许多领域还停留在国际价值链分工的低端，改变这种状况必须在制造业领域创造中国人自己的设计理论、方法和先进制造工艺技术，创造具有中国自主知识产权的装备、仪器、工程系统。长期从事计算机应用及研究的专业人士指出“微处理器的研发绝对是一个国家的计算机水平的尖端体现”。
大家是否有发现，形形的 OEM和并非少数的ODM其实是我国IT产业的“”。尤其是在硬件方面几乎处处出现了瓶颈。究其原因使我们不能不正视产业中的核心技术――CPU!!!
中华民族创造的古老文明，可以说是地球上唯一历数千年而不衰的文明。然而，我们也面临着严峻的挑战，审视我们的科学发现和技术发明，唯独缺少诞生在这片土地上的创新贡献。问题出在哪里？其中一个因素应该是我们的大学到现在还没有培养出能掌握这一核心技术的大量合格人才，离创新的路就更加漫长了。
我们正是基于这一目的而迈出的第一步。只要坚持不懈，中华民族设计的各类CPU终有一日能达到世界先进水平。
参考文献
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计算机科学原理范文4
关键词：独立学院；课程体系；“3+1”模式；CBE；理实一体化；课程开发方法
1 独立学院计算机专业面临的挑战和机遇
自2009年起，参加高考的人数急转而下，严重的生源危机使得全国众多独立学院步入了发展的数九寒冬。另外，据教育部第26号令，自2008年起所有独立学院将以自身名义发放学位证书，不再颁发母体学校的学位证书。独立学院在学位授予上失去母体学校光环的庇佑，可能会对生源逐渐减少的现状产生进一步的负面影响。
南通大学杏林学院计算机科学与技术专业（以下简称计算机专业）于2006年成立，起步较晚，是一个年轻的专业，其发展不可避免地受到生源危机的影响。然而，信息产业在中国一直是朝阳产业，迅速发展的信息产业对高素质计算机专业人才一直保持着较高的需求率，这对计算机专业而言是发展的好机遇。为了抓住机遇，应对危机，南通大学杏林学院计算机专业自2008年起开始了特色改革之路，在办学模式、培养模式和课程模式等多方面不断推陈出新，尤其在课程开发方面，通过自身积累、多方借鉴形成了一套适合本三学生的课程体系。
2 原有课程体系的不足及原因分析
杏林学院计算机专业在成立初期，放眼校内外，独立学院课程开发方面的理论和经验几乎是空白的，短时间内从无到有来开发课程难度太大，因此照搬了母体学校相同专业的课程体系。在随后实施过程中，为进一步突出应用型人才的培养，适应本三学生的特点，在原有课程群保持“三段式”结构不变的情况下作了细微调整。例如适当增加实践课时数，删减个别理论过于晦涩的科目，增加一些实用前沿的科目，但调整过的课程体系执行效果并不是很理想，经分析总结，主要原因有下面几点：
1）学科式的课程体系使本三学生难以完成从知识到能力的转换。学科式课程以使学生系统地掌握该学科的相关知识点为教学目的，按照课程之间的逻辑关系，划分成三段：公共基础课、专业基础课和专业课。虽然每一段都会有相应的实践环节予以辅助，但实践环节的主要目的是为了验证学科中的知识点，并非培养学生的综合能力。加之对于基础相对薄弱的本三学生而言，将知识点内化成综合素质的能力明显弱于本一和本二学生，这就造成了相同或相近的学科式课程体系在独立学院不能取得较好效果。
2）课程开发缺乏清晰的定位、科学的指导思想和有效的开发方法。首先，虽然定位于着力培养应用型人才，但没有搞清楚此应用型人才和普通本科以及高职院校培养的应用型人才在知识结构和能力结构上有哪些差异。其次，课程开发的指导思想——“适应本三学生，突出实践”显得过于笼统。另外，根据此指导思想，采用移植本二相关专业课程体系，并在一定程度上削弱难度和加强实践环节的课程开发方法，也显得太过简单。
3 课程培养目标的定位
独立学院是本科层次学校，但学生基础薄弱，学习能力和自制力较差，这就决定了独立学院要培养的人才既具有本科特点，又具备高职特点。职教院校、独立学院和普通本科院校人才培养特点如表1所示。
结合以上分析，将杏林学院计算机专业课程培养目标定位为培养综合素质高、基础牢固、实践能力强、具有一定创新精神和良好职业道德、满足社会需求的从事计算机系统（含软件）开发、应用和服务的软件服务外包人才。
4 课程开发的指导思想
4.1 立足本科人才培养要求，突出综合职业能力，兼顾创新能力
独立学院是本科层次学校，因此其课程体系结构必须首先满足本科人才培养的基本要求，即系统掌握专业知识。
在该前提下，南通大学杏林学院突出综合职业能力的培养，兼顾学生晋升学历的需求和创新能力培养。为在实践能力培养上区别于培训机构和高职院校，我们强调培养学生的综合职业能力，即在真实工作环境中整体化地解决综合性问题的能力和相应的思维方式和职业道德，而不是仅仅局限于某个工作岗位或工作环节的技能，这使得培养出的人才可以胜任技术性较强的多个相近岗位，并促进人才的职业生涯发展。
4.2 校企合作，共同开发
坚持“工学结合、校企互动”的方式进行课程开发，尤其是实践课程的开发。高校人才培养如果不和企业人才需求紧密联系，培养出的人才将得不到企业的青睐，高职院校已经认识到这点。“校企合作”在高职院校中成为普遍现象，越来越多的本科院校开始在人才培养的各个方面和企业合作。
南通大学杏林学院计算机专业自2008年起和上海杰普软件科技有限公司等共7家IT企业建立合作关系，组成了一支由企业专家、教育专家、资深教授组成的教学指导委员会。
4.3 模块化开发
坚持模块化开发方法，提高课程体系面对变化时的弹性。计算机专业知识更新快，IT行业专业人才需求的变化也快，这就对课程体系的应变性提出较高要求。采用模块化开发方法，可以通过模块的插拔使其不断适应变化的专业和行业。
5 课程体系结构的选择
根据教学目标不同，课程体系结构分为学科本位和能力本位两种模式，两者各有特点，并有相应的课程开发方法，如表2所示。
在对不同模式的课程体系结构分析的基础上，根据课程开发指导思想，计算机专业的课程总体框架采用了基于“3+1”模式的课程体系结构（见图1），并就增强综合职业能力等方面对其进行改造。“3+1”模式是一种较为传统的本科教学模式，是指学生前3年在学校进行计算机基础理论及专业知识等方面的学习和实践，第四年到有关单位进行“真刀真枪”式的实训与毕业设计，该模式可以较好地保证学生专业知识的系统性。在此基础上，为突出综合职业能力培养和兼顾创新能力培养，将“3+1”模式分成若干模块，不同模块有不同的培养侧重点，辅之以不同的开发方法。
6 课程开发方法的选择
由于在“3+1”模式中，专业基础模块和职业综合能力模块在教学形式和教学目标上均不同，所以必须采用不同的课程开发方法。
6.1 专业基础模块的课程开发
专业基础模块包含两类课程群：基本课程群和岗位课程群，每个课程群都包含理论环节和实践环节。该模块旨在使学生掌握较为系统的专业基础知识，具备基本的实践能力。
基本课程群重点考虑专业知识的全面性和系统性，需基本覆盖学科内容，该课程群的开发方法宜采用传统的教学简化（Didactical Reduction）方法。教学简化法是典型的学科本位课程体系开发方法，即从学科知识中选择合适的内容并按照教育对象的实际情况进行简化。计算机专业作为全国高校最为普遍的专业之一，覆盖其学科知识的课程群很容易找到，在此基础上结合本三学生的特点，降低大部分课程的深度，删减一些较难的课程（如编译原理等）和某些与就业关联不大的课程（如可编程逻辑控制器、自动控制原理等），从而得到该课程群。基本课程群主要包含以下课程：模拟电路、数字电路、数据结构、计算机组成原理、操作系统原理和离散数学等。
由于本三学生将抽象知识转换成实践技能的能力较差，所以只有基本课程群还不够，须增加岗位课程群帮助学生完成知识到技能的转化。岗位课程群包含与单项岗位能力关系密切的课程，采用CBE方法开发。CBE（Competence-BasedEducation）即能力本位教育，产生于二战后的美国，现广泛应用于北美国家的职业教育中，是一种较为先进的职业教育模式，在培养学生岗位能力方面有很好的效果。其核心是从职业岗位的需要出发，确定能力目标。其工作基础为职业分析，职业分析的目的是将一个职业划分成若干个岗位，再将每一个岗位划分为若干个任务，从而确定对应于各个职责的综合能力和对应于各任务的专项能力，然后根据各专项能力设置相应的课程。以计算机专业就业比例最高的软件职业为例，CBE开发岗位能力课程群的步骤如图2所示。
6.2 职业综合能力模块的课程开发
通过专业基础模块的培养，学生已初步具备系统的专业基础知识和若干单项岗位能力，但与“零距离”就业依然存在能力差异，这个差异就是综合职业能力。专业基础模块中基本课程群是典型的学科本位课程，根本不以综合职业能力为目标，而采用CBE开发的岗位能力课程群，虽以若干单项岗位能力为目标，但综合职业能力并不等于若干单项岗位能力的简单叠加，这也正是CBE课程开发方法的硬伤。
综上所述，为培养综合职业能力，增设职业综合能力模块，我们采用“工学结合、理实一体”的课程开发方法。该课程开发方法是由在国内外享有盛名的职业教育大家赵志群教授发明，该方法认为人的职业综合能力只有在工作过程和工作情境中才能得到促进和发展，一句话概括，即“学习的内容是工作，通过工作实现学习”。“工学结合、理实一体”开发职业综合能力模块的开发过程如图3所示，以职业综合能力模块开发为例。
6.3 职业能力强化模块的开发
职业能力强化模块由合作企业开发，学生主要在企业导师的指导下完成真实项目，另外，在学院导师的指导下参加技能竞赛。通过该模块，学生的职业综合能力进一步得到提升，同时创新能力也有所加强。
计算机科学原理范文5
关键词关键词：虚拟仿真实验；远程实验；虚拟实验软件平台
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2013）008018703
作者简介作者简介：于斌（1970-），女，硕士，武汉科技大学城市学院信息工程学部计算机科学与技术系工程师，研究方向为高性能网络和软件开发；余红珍（1970-），女，硕士，武汉科技大学城市学院信息工程学部计算机科学与技术系副教授，研究方向为计算机控制技术及应用。
1 构建虚拟网络实验室
网络实验室是计算机网络教学的实践场所，目前城市学院实验中心还没有建成专门的网络实验室。网络实验室建设投入较大，建设周期长，在目前教学任务紧迫的情况下，唯有加强网络虚拟平台建设。虚拟实验平台主要依赖于软件和较少的配套硬件，使实验室的维护费用和工作量大大降低。
虚拟实验是通过虚拟实验室进行的。虚拟实验室一般是指在不具备真实实验环境的情况下，在网络环境下用软件平台模拟真实实验环境，利用虚拟现实技术生成进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验环境、相关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。网络虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现，也可以是虚拟构成的实验室。与现实的实验室相比，虚拟实验室的特点如下：①仿真性。在虚拟现实技术支持下，虚拟实验室与真正的实验室同等完美，虚拟仪器与实际仪器功能相同，操作方法也一样，实验者在虚拟实验室里做实验、训练技能和汲取知识，与在现实实验室里同样方便；②开放性。虚拟实验室可以给任何实验者在任何地点任何时间广泛地提供赖以学习、工作和研究的实验场所；③超时空性。利用网络虚拟实验室，可以彻底打破空间的限制；④可操作性。实验者可以通过使用专门设备，用人类的自然技能实验对虚拟实验室的物体或事件进行操作。
利用计算机相关软件，在现有对等网基础上构建虚拟实验室，就可以充分完成计算机网络课程的实践教学目标。虚拟实验室环境需求：①硬件需求：51台计算机（50台学生机，1台教师机，1G以上内存，CPU速度1GHz以上），4台交换机。为教学方便，教师机安装多媒体电子教室服务端，建议计算机安装Windows Server 2003标准版（或Windows XP双系统），构建常规教学所用的对等网；②软件需求：Windows Server 2003标准版系统光盘、Windows XP（sp3）系统光盘、Linux系统光盘、Microsoft Virtual PC 2007、Boson NetSim for CCNA（v6.0）、SmartSniff数据包捕获软件，以及光盘工具软件、克隆软件等。虚拟实验室虚拟目标硬件：利用Microsoft Virtual PC 2007虚拟PC机或服务器，利用Boson NetSim for CCNA软件虚拟路由器、交换机和PC机。
在虚拟实验平台上可以开展丰富的模拟实验，包括计算机网络拓扑结构设计、子网划分、网络设备的选型配置、网络设备物理连接和连通测试、网络的综合管理和维护等。
2 选择网络虚拟实验平台
网络虚拟实验平台是在能够进行网络通信的基础之上将计算机网络上虚拟的各种计算机、通信设备按实验要求组建成一个完整的虚拟实验网络，模拟实现各种计算机网络试验和测试，并能重复演示实验过程。需要选择合适的网络虚拟平台，进行优化和合理的实验设计，达到提高学生实践动手能力的目的。Labview、Packet Tracer、Virtual Machine、Virtual PC、Boson NetSim都是构建虚拟实验室的软件平台和网络学习辅助工具。
Labview是美国仪器公司推出的一种基于图形方式的集成化程序开发环境，由前面板和流程图两部分构成。用于《数字信号处理》、《信号与系统》有关信号检测与分析的一系列实验仿真特别合适。Packet Tracer是由Cisco公司的一个辅助学习工具，为学习思科网络课程的初学者设计、配置、排除网络故障提供网络模拟环境。虚拟机（Virtual Machine、Virtual PC）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。Packet Tracer和Virtual Machine两款虚拟网络平台的功能相互补充。Packet Tracer主要模拟网络的拓扑图、交换、路由和网络测试。而Virtual Machine主要用来模拟网络服务、通信和测试。如按照OSI七层模型来划分，则Packet Tracer模拟网络层的工作，Virtual Machine模拟主机层工作。Boson NetSim是目前最流行的、操作最接近真实环境的模拟工具。与真实实验相比，它省去了制作网线连接设备、频繁变换CONSOLE线、不停地往返于设备之间的环节。同时，它的命令也和Cisco最新的IOS保持一致，它可以模拟出Cisco的中端产品35系列交换机和45系列路由器。它还具备一项非常强大的功能，那就是自定义网络拓扑结构及连接。通过Boson NetSim，我们可以随意构建网络，PC、交换机、路由器都可被模拟出来，而且它还能模拟出多种连接方式（如PSTN、ISDN、PPP等）。Boson NetSim带有中文使用手册，可用于局域网组网技术、计算机网络基础知识及交换机和路由器技术等课程的实验教学，不过Boson是一款付费软件。
3 改进实验教学模式
计算机网络传统实验内容大多局限于实验环境，脱离工程实际，实验效果不好，起不到对学生创新能力的培养，导致学生毕业后从事工程实践时，很难将实验功底转化为从业能力。在我们传统的教学过程中，虽然在实验环节也采用了分组进行模式，但在具体的操作过程中，由于学生水平参差不齐，有部分学生并没有真正参与，也就谈不上团队意识和协作学习。网络虚拟实验平台，可以拓展和改善学习环境和氛围。
教学方法的改革，其唯一目的是使学生在实际应用时能够灵活地将理论与实践相结合，培养学生运用知识分析问题解决问题的能力。除了传统的行之有效的教学方法之外，还应该采用一些有专业特色的教学方法，与时俱进。
（1）在网络虚拟平台上，将传统的实验题目改编为自主型实验题目。针对设计型实验的实验内容和具体要求，根据机房环境和网络虚拟平台精心设计相关题目和题目的梯度任务或将原有实验题目进行改造，形成与实验要求相对应的自主型实验题目系列。将实验教学中传统的特定环境实验题目改为以问题为主线的任务情境，使学生自主选择合理的任务并进行自主设计，培养学生创新能力。
对于服务器的配置和使用维护、网络设备的物理连接和连通测试以及网络设备选型配置和维护，设定任务情境，对实验任务的选择可以具有梯度，更贴近工程应用。教师制定学习目标，学生可以自己设定任务情境，根据实际情况完成。例如，在网络设备的选型配置试验中，学生可以自主设计网络拓扑结构，进行设备选型，进行模拟设备配置，以提高学生兴趣和实践动手能力为导向，鼓励学生自主学习。
图1 用Boson NetSim构建的网络拓扑图
下面是一个虚拟实验案例：实验室有多台高性能PC机，能同时供多名学生和教师使用。这些PC机通过高速交换机相互连接，每台都装有Windows Server 2003标准版和Windows XP双系统，Boson NetSim和Virtual Machine网络虚拟平台，都配置相同网段的IP地址、相同的子网掩码、默认网关和DNS，构成了一个小型的局域网络并且和因特网相连。实验的拓扑图（图1）是使用Boson NetSim构建的网络拓扑图。图中有3个不同的网络或子网。PC1和PC2在左边的子网中，通过交换机Switch0和路由器Router0连接，PC3和PC4位于右边的子网中，通过交换机Switch1和路由器Router1连接。两个子网通过Router0和Router1连接。实际上，学生可以自主设计自己的网络拓扑图，进行设备选型，进行模拟设备配置。
这个实验的主要目的是教会学生如何构造一个小型局域网络，理解局域网通信的过程和原理。主要教学内容和目标有：①对网络进行规划，会选择合适的终端和网络设备以及线缆构建网络；②配置终端接口、路由器接口以及服务器接口的IP地址和子网掩码；③配置路由表，使整个网络达到连通状态；④使用Ping命令测试网络；⑤理解局域网通信的过程；⑥理解ARP、ICMP、CSMA/CD以及网关在网络通信中的作用；⑦理解交换机和路由器的工作原理以及在网络通信中的作用。
实验的组织和管理：在实验开始时，教师介绍实验的要求和目的，以及实验使用的工具、方法和命令，然后由学生自己动手来完成实验。学生可以独自完成实验也可以结对完成实验。为了防止网络上IP地址发生冲突，学生实验所采用的IP地址可规定为192.168.X.0/24的形式，X为每个学生的学号。这样不仅解决了IP地址的冲突问题，也能很容易知道是谁的IP地址，方便学生查找错误，使实验能顺利进行。
实验的数据分析和原理讲解：实验不仅要求学生掌握局域网的规划、组建和配置，更重要的是让学生理解局域网的通信原理，相同网段主机之间和不同网段主机之间通信的过程，网关、交换机和路由器的工作原理和作用，局域网通信的相关协议等概念知识。如果仅凭教师讲解，学生则很难理解这些概念知识。
但虚拟和现实是有差距的，同学们可以尝试使用各种型号的设备，但同时告诉学生“够用为度”的原则。通过调查发现，虚拟实验激发了学生学习计算机网络的热情，他们比以往更加喜爱这门课程了。
（2）实验教学增强了学生团队意识。利用网络虚拟实验平台拓展和改善学习环境和氛围。在传统的分组模式基础上，根据学生水平结合自愿原则分组，鼓励学生制定不同梯度的任务作为目标，适时引导和有效监督，让学生体会到团队合作的重要性，培养竭诚合作的精神。此时，教师的引导作用很重要。
（3）利用网络虚拟实验平台，改革实践课程考核。引入网络管理员考试和相关网络培训内容，精心组织学生进行专项训练。实验考核中，学生要在规定时间内独立解决问题，确保实践考核的实时性、公开性和准确性。这样的学习考核方式，使学生学习有目标、有压力，因此使学生在课前能认真做好准备，课后强化相关考试和培训内容，调动学生的学习兴趣，从而达到提高学生解决实践问题能力的教学目的。
（4）积极寻求校企合作，鼓励学生参加相关网络实践。让学生了解网络管理员考试、网络工程师考试和CCNA等相关网络培训的情况，树立参加这类考试的信心，鼓励学生参加相关考试和CCNA等相关网络培训。在学校有限的实验条件下，积极寻求校企合作，鼓励学生参加相关实习实践培训，为毕业生顺利就业和后续扩大专业招生打下良好的基础。
4 对虚拟实验教学的再思考
目前，虚拟仿真技术在教学中得到了广泛运用。虚拟实验和物理实验各自有自己的优缺点。除去经济因素，在讲授计算机网络课程的过程中笔者深深感受到虚拟实验最大的好处是方便、灵活、安全、容易实施和扩展。学生只要有一台笔记本电脑并且安装了这些虚拟软件，无论在什么地方都可以进行学习和实验，从而摆脱了真实实验环境的束缚，学习效果得到了极大提高。但是，在教学过程中也发现，采用虚拟实验讲授计算机网络课程，最关键的一点是要让学生快速理解“机器中的机器、网络中的网络”这一概念，让学生具备虚拟学习的思维。学生完成虚拟实验一般用两种方式：①每个学生在一台物理机上打开多个虚拟软件独立完成网络实验，这种实验方式是通过一台物理机来完成的，这种方式学生比较容易理解；②把一个实验划分为多个模块，这些模块分布在不同的物理机上，学生通过协同方式来完成实验，这种实验方式是通过多台物理机和真实的网络平台来实现的。只要物理网络连通，学生就可以在物理网络里随意组建虚拟网络，学生对这种实验方式通常理解得会慢一些。另外，学生最终要工作在一个真实的环境中，因此，还需在一个真实网络环境中来验证学生在虚拟环境中学到的知识。
综上，这套虚拟实验用在计算机网络课堂教学和学生的课后学习中，学生对这些实验的评价令人鼓舞，这些评价表明该实验方便、好用，能帮助学生更好地理解计算机网络。在今后的教学中，将开发出更多的虚拟实验并完善相应的验证体系，并将这种教学方法应用在其他课程的教学之中。
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计算机科学原理范文6
[关键词]地理教学 计算机辅助教学 课堂效率
计算机辅助教学（Computer Assist Instrunct）简称CAI，是随着现代科学技术的发展而兴起的一种全新的教学方法。地理学科的特性，使广大的地理教师能充分利用多媒体计算机收集地理素材，制作出图文并茂，形象生动，图、声、文交互性强，界面友好，操作简捷方便、灵活易用，易于控制的地理课件，利用多媒体计算机技术在地理教学中可以发挥其优势，改变传统的地理教学模式，使地理课堂教学更加多姿多彩。
一、教学氛围得以优化
兴趣是最好的老师，有了兴趣，学生才能注意力集中，思维主动活跃，才能充分发挥学生在课堂中的主体作用并收到良好的教学效果，多媒体电脑能够生动、形象、直观地展示大量信息，而且中学生的思维又以形象思维为主，针对学生的特点，利用多媒体优势，调动学生的非智力因素，营造教学情境，创设浓厚的教学氛围。例如，在讲述《澳大利亚》时，最先利用多媒体展示一段关于澳大利亚特有动物的电影文件，奔跑的袋鼠，奇异的鸭嘴兽要比课本中的图片形象生动，使同学对其有了一个立体动态的感觉，激发了同学的兴趣，正当同学处于兴奋之时，及时抛出为什么在澳大利亚会保存很多的古老动物这一问题，使同学对这一有趣现象的存在原因探索的欲望欲罢不能，从而增强了求智的欲望。再如，我们在学习《长江》、《黄河》时，可以先展示一段《黄河大合唱》、《长江之歌》影音文件，使学生领略长江、黄河气势磅礴，雄浑壮美的大川形象，激发学生的学习兴趣，从而调动学生的学习积极性。
二、在教学中帮助学生突破重点、难点
对于缺乏阅历的青年学生来说，地理学科的难点常常是一些难以直接观察的地理事物，而CAI则能以生动直观的形象，帮助学生建立起概念与表象之间的联系，建立起各种感觉器官之间的联系。如“月相”一课中，“月相的成因”是难点又是重点，过去只由教师结合课本插图抽象地讲解，青年学生空间想象能力差，很难接受，教师也很费力。现在使用微机模拟月相变化的过程，消除了时间和空间的距离，同时用音乐、动画和语言显示变化的不同阶段，把视觉形象和听觉形象统一在一起，把形象编码和语义编码揉合在一起，生动直观，学生一看就懂，且印象特别深刻。由于微机演示、动画的各个步骤是事先设计好的，所以使用方便，操作简单，便于教师贯彻教学意图，具有极强的表现力。
另外，CAI软件能够方便地模拟动态，这对于地理教学中一些动态性知识的展示很有好处。例如，“影响天气变化的因素”一课中，各种锋过境前后对天气的影响，传统课堂教学只能运用图示进行静态展现，而CAI软件则能化静为动，清晰地展现各种锋过境前后不同的天气现象，帮助学生进行动态观察，突破难点。
三、使信息的反馈得以优化
一堂课学生学习的状况如何，无论是传统的方法，还是现代的手段，都要及时了解。学生是否理解掌握了知识点，是否达到能力培养的目的。传统的方法是请同学到黑板上默写，或一个一个的提问，或一堂课结束时用小测验来反馈，而多媒体电脑可以把知识能力要点编辑成交互性很强的练习，可以穿插于课堂之中也可放于最后，这种练习不但可以提高学生兴趣，而且可以用来评判学生练习的成绩，其评判公平、快速。便于老师根据学生学习状况及时调整教学，达到教与学双向沟通的目的。比如，学习中国行政区，很重要的是要学生掌握各个省区的位置，传统方法。大多是看图死记，再发展一些是用模具拼图，但速度太慢，而用多媒体电脑，通过AUTHORWARE，把每个省级行政区域设置成一个热区，然后拖动其所代表的政区名称的文字到相应区域，如正确通过文字或声音给予肯定，如不正确，则文字又回到原来位置，这种方法增加了练习的速度，反馈快，效果好。
四、计算机辅助教学有效地提高了教学效率
学生的学习过程，是利用多种感官感知信息，将其纳入自身知识结构，并加工处理以解决问题的过程。利用计算机辅助教学，向学生展示图片、文本、视频、声音、动画等内容，有效刺激学生多种感官，使学生在充分感知信息并在教师启发指导下接受信息，然后给论题讨论，运用已知信息解决问题，达到知识迁移，从而真正将信息纳入自身知识结构。这一学习过程，在计算机的辅助下能较快地达到。首先，CAI信息传输量大，渠道多；其次，多媒体展示知识，易于吸引学生无意注意；再次，计算机将重点、难点化难为易、化繁为简、化深为浅、化抽象为具体，使学生易接受、理解快，掌握牢。例如，“气温分布及成因”一节，由于重点、难点突出，对比班在教室上课用了45分钟才勉强讲完，而在多媒体教室只用了30分钟，且学生学习效果比在教室好，给学生留下了深刻的印象。总之，利用计算机辅助教学，缩短了上课时间，提高了课堂效率。
虽然，计算机辅助教学在很多方面都存在很大的优势，但是笔者认为，在地理教学中运用多媒体计算机必须遵循几个原则。第一，在地理课堂教学中，多媒体计算机只是一个辅助手段，它不能取代教师的教学。教学过程中师生间的相互交流、互相影响必然造成教学过程事件的非可预见性。课件设计不可能把对这些事件作出的“反应”纳入可控流程。
第二，并非所有的课堂内容或课型都需要多媒体计算机，如我们自己有矿物、岩石实物标本时，观察实物标本更直观、有效，若再用多媒体计算机展示其图片就是画蛇添足。
第三，操作主体选择的原则，即以谁操作为主。这主要看教学内容和学生对计算机操作的掌握程度。如果学生对计算机操作不熟，又是讲授新课，演示地理感性材料揭示地理规律，则应以教师操作为主，否则就会影响教学的正常进度。复习或练习课，又有相应软件，则应以学生操作为主，以利学生根据自己的实际情况选择复习或练习内容。
