维普资讯 http://www.cqvip.com 文ｌ化【教【育 蔡启先 王智文 何海钊 科 计算机系统结构课程流水线技术教学研究与实践 （１、广西工学院计算机工程系，广西柳州５４５００６ ２、广西工学院图书馆，广西柳州５４５００６） 摘要：结合高校实际和社会需求，在计算机系统结构课程中的流水线技术教学中，引导学生联系已有知识展开新知识的学习。增加和突出微 机上常用的新的系统结构和流水线技术，引入ＤＬＸ虚拟处理器实验来开展流水线的设计与实现，并注意贯通课程内容，系统化流水线技术的介绍． 从而大大提高流水线技术的教学效果。 关键词：流水线技术；计算机系统结构；ＤＬＸ虚拟处理器；教学改革 计算机系统结构历来为高校计算机科学 ３２位处理器。该处理器不仅体现了当今多种机 改进现代计算机系统结构的最重要的思 与技术专业必修的主干专业基础课。如何讲好 器（如ＡＭＤ ２９Ｋ，ＤＥＣ ｓｔａｔｉｏｎ ３１００。ＨＰ ８５０． 想是采用并行技术。并行分时间并行和空间并 流水线技术，ＢＭ ８０１，Ｉｎｔｅｌ ｉ８６０，ＭＩＰＳ Ｍ／１２０Ａ，ＭＩＰＳ Ｍ／ 从而讲好整个课程，值得我们花大 Ｉ行。基于时间并行的流水线技术是现代计算机 气力研究和探索。为此，必须结合高校实际和社 １０ｏＯ，Ｍｏｔｏｒｏｌａ ８８Ｋ． ＲＪＳＣ Ｉ，ＳＧＩ ４Ｄ／６０． 系统结构的基本技术之一。计算机系统结构的 会需求，全面深入地开展教学改革，主要措施 ＳＰＡＲＣｓｔａｔｉｏｎ—Ｉ，ｓｕｎ－４，Ｉ １０，Ｓｕｎ－４／２６０等）系 国际权威美国斯坦福大学的Ｊｏｂｎ Ｌ．Ｈｅｎｎｅｓｓｖ 有： 统结构的共同特点，还将体现未来一些机器的 和加利福尼亚大学伯克利分校的Ｄａｖｉｄ Ａ．Ｐａｔ— ３．１任课教师对学生已学过的前继课程要 设计思想【ｌ１。特别是，ＤＬＸ虚拟微处理机提供了 ｔｅｒｓｏｎ在其名著“Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ—Ａ 有一个全面的了解，在此基础上，善于引导学生 个基于ＰＣ机的研究平台，研究者可以在ＰＣ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｐｐｒｏａｃｈ”一书中特别指出：“流水 联系已有知识展开新知识的学习。现代建构主 机上模拟新的处理机技术。清华大学著名教授 线过去是，而且将来也很可能还是提高计算机 义教育思想认为，知识是个体与外部环境交互 郑纬民在其著作中专门介绍了ＤＬＸ虚拟微处 性能的最有效技术之一”【ｌ１。事实上，在《计算机 作用的结果，学习者并不是接受知识并将他们 理机，并指出：“通过了解ＤＬＸ处理机的结构和 系统结构》这门重要的专业基础课中，流水线技 存储在头脑中，而是从外部世界吸收信息，然后 工作原理，并利用ＤＬＸ模拟器进行实验，可以 术的介绍就占了较大的比例。因此，讲好流水线 建构自己的知识领域。人们对事物的理解与个 帮助读者综合地了解和运用有关处理器指令系 技术，对学生掌握好这门核心课程具有重大的 体的先前经验有关，因而知识是学习者在与情 统的设计、流水线的设计与实现等方面的知识， 意义。 景（包括其他个体）的交互作用过程中自行建构 有助于对本书前面章节所述内容的理解。” ２流水线技术教学面临的难题 的目。 在全面了解ＤＬＸ虚拟处理器的结构和工 今天，流水线技术无处不在，天天面对的 作原理的基础上，探讨从“软”的角度，利用 比如，结合《计算机组成原理》课程中介绍 微机上就有。然而，由于是硬件控制，它好像是 的指令执行情况介绍指令级并行的概念，以《汇 ＤＬＸ虚拟处理器进行处理器指令系统的设计、谁也看不见的透明的幽灵，无法可见，也无法可 编语言程序设计》课程中介绍的８０８８／８０８６处 流水线的设计与实现、并行处理的设计与实现 及；教师只能纸上谈兵，概念推理，教学确实难 理器结构为例，通过对ＥＵ、ＢＩＵ两个功能部件 等带有新一代处理器思想和技术的实践教学体 度很大。 的并行操作引入一、二次重叠的概念，一下子拉 系，总结出有典型教学意义的实验 ；并编写相 关的实验教材，注重设计性和综合性实验的训 根据多年的教学体会，要讲好流水线技 近了学生与流水线技术的距离。术，应解决三大难题： ３．２积极开展本课程教学内容改革，注意 练。比如，让学生通过实验软件，模拟采用旁路 ２．１如何解决流水线技术和学生已学课程 吸收国内外同类教材教学思路，结合一般本科 技术消除数据相关，采用增加运算单元的方法 知识的联系、综合和融会贯通问题。计算机系统 教育对计算机人才知识结构的要求，在教学内 消除控制相关，采用优化程序的方法来提高流 结构一般安排为计算机专业高年级课程，它需 容上进行压缩和扩充，精简了有关大中型计算 水线的性能等。此外，我们开辟了一些有关 要用到几乎所有计算机专业基础和相关的前继 机的过多介绍，增加和突出微机上常用的新的 Ｃａｃｈｅ、ＣＰＵ性能测试的实验．形成一套计算机 专业课程知识。与流水线技术相关的课程主要 系统结构和流水线技术，突出基本知识，注意和 系统结构实践教学体系。这是一项难度较大的 有：计算机组成原理、汇编语言程序设计、高级 前继课程的内容贯通，形成具有自己特色的教 具有开创意义的教学研究工作。３．４综合计算机系统结构课程内容，系统 语言程序设计、数据结构、操作系统、编译原理 学内容和教学大纲。 等。 理论上，既讲清一般原理，又紧密结合微 化流水线技术的介绍。比如，ＲＩＳＣ指令系统，一 ２．２如何结合学生经常使用的微型计算机 机系统结构。比如，结合８０Ｘ８６指令系统，阐述 般教材较早地就进行了介绍。为何ＲＩＳＣ比 从ＣＩＳＣ到ＲＩＳＣ的发展；在介绍各项新技术 ＣＩＳＣ优越？很多教材提到了２０％与８０％规律等 系统结构来展开讲述的问题，如果只是抽象地 举出现代大中型计算机实例，学生必然学习兴 时．尽量例举微机上应用相关技术的实例。如 问题，却未提流水线的需要。事实上， ｓｃ的创 ｖｉｄ Ｐａｔｅｒｓｏｎ就曾明确指出：“ ｓｃ设计 趣大减，造成教学障碍。 Ｐｅｎｉｔｕｍ的４级整数流水线、８级浮点流水线， 始人Ｄａｉｕｉｎ的分支预测策略等。我们还以“奔４：奔 的目的就是易于执行和流水”【ＩＪ。为此，在教学处 ２．３如何利用现有实验环境开展流水线技 Ｐｅｎｔ术实验学习的问题。显而易见，此问题如能解 腾不已的‘芯”’为题，专门介绍Ｐｅｎｔｉｕｍ ４的 理上，我们先简介一次重叠流水的概念，凸现 ＮｅｔＢｕｒｓｔ微结构，从Ｗｉｌｌａｍｅｔｔｅ核心、Ｎｏｒｔｈｗｏｏｄ ＲＩＳＣ指令对流水的帮助，再讲到ＲＩＳＣ的关键 决，将大大有助于提高教学效果。 很可惜，现有的教材几乎无法解决上述问 核心到Ｐｒｅｓｃｏｔｔ核心的不断发展，所面临的问 技术和编译器的优化。在讲标量流水线之前，先 题。目前的计算机系统结构教材内容多是针对 题及Ｃｏｒｅ微架构的面世，同时还涉及到同时代 完整地介绍先行控制技术等。应该说，流水线技 大中型计算机系统描述，常以一般学生接触不 ＣＰＵ产品的竞争情况。应该说，结合系统结构 术几乎与系统结构中各章内容都直接相关。从 到的机型作为系统结构举例，而结合微机应用 的原理比较全面地介绍了与学生密切相关的微 指令系统、标量流水线、向量流水线，存储系统 的并行访问等到处理机级流水、现代超级流水 实际，结合现代微机系统结构技术的发展的内 机的系统结构。 容几乎没有；通篇讲经说道，更谈不上引入实验 ３．３开拓了在普通微型计算机实验环境 线等，我们将流水线技术贯通整个课程，系统地 弥补一些教材，包括一些 教学。教学内容严重脱离学生实际，处理不好的 下，让学生直接应用流水线技术，并尝试改进流 联系和强化相关内容，水线性能的新技术，从而大大提高学生对现代 优秀教材的不足。这些教材较少系统涉及与流 话，容易让学生感到学习乏味。 因此，开展流水线技术的教学改革势在必 计算机系统的认识，大大提高这门重要课程的 水线关系密切的ＰｄＳＣ的关键技术、先行控制 行。 教学效果。为此，我们引进了ＤＬＸ虚拟处理器 技术、编译器的优化等内容 。针对流水线技术的教学改革已初见成效， Ｈｅｎｎｅｓｓｙ和Ｄａｖｉｄ ３结合高校实际和社会需求，全面深入地 实验。ＤＬＸ处理器由Ｊｏｈｎ Ｌ．（下转１７９页） 开展教学改革 Ａ．Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ于１９９５年首次提出的一个虚拟的 学生们普遍反映，流 一Ｉ概述 一１７７— 维普资讯 http://www.cqvip.com 文Ｉ化！教ｉ育 科 技信总 ——黑龙江—— 如何在计算机教学中培养学生的竞争意识 董新春 （大连金融中专．辽宁大连１１６０２１） 摘要：培养职业学生的竞争意识至关重要。在计算机教学中应该结合学生的阶段特点，提出不同层次的要求，采用多种方法激发学生的学习 积极性，培养学生的竞争意识。 关键词：竞争意识；计算机；教学 １什么是竞争意识 我国古代就有“并逐日竞，对辩日争”的提 法，竞争是个人或团体之间为争同一利益而力 求胜过对方的对抗性行为。竞争意识大体包括 以下几个内容：首先，竞争意识应是一种积极的 进取心，是一种锐气，是一种不争第一誓不罢休 的倔强。这种进取心是学生能够成功的基本保 这些不利因素都直接影响着学生的在校学习及 进取和追求。提出学习任务，激发学生的兴趣， 表现，造成了他们职业意识淡漠的现状。 培养学生的竞争意识。任务是课堂教学的“导引 ４如何在教学中培养学生的竞争意识 索”，是问题提出的表现。教师应根据教学目标 教学中应有目的地进行思想渗透，将“竞争 将所要讲授的内容巧妙地隐含在一个个任务当 机制”引进课堂。在上计算机课的过程中就经常 中，激发学生的求知欲望和学习兴趣．使学生通 采取多种竞赛形式，如任务驱动、小型比赛等， 过完成任务达到掌握所学知识的目的。 以鼓励学生参与竞争；通过比赛等活动激励学 如在讲授字表处理软件ｗｏｒｄ中的格式设 证。 生增强竞争意识的同时学会合作。 置部分。我就先将样文抛给学生，然后将要求 竞争的真正意义在于增强我们实现目标 ４、１激励机制 （字体、字号、字形、对齐方式等）和步骤做成 的动力，提高热情，激发潜能．而不是一定要处 在课堂上引入竞争机制，每提出一个问题， 电子文档，发给学生。让学生按照步骤和要求自 处超过别人，事事都要比人强。所以对于竞争的 总是激励大家踊跃发言．回答又快又好的在平 己动手操作，要求做到和样文一致。教师在整个 成败要正确对待，胜利了不能骄傲，瞧不起其他 时成绩中予以加分，累计作为结业成绩的一部 过程中起到辅导的作用。 同学；失败了不能气馁，灰心丧气，甚至仇视比 分。目的就是刺激学生去竞争、去战胜对手。关 在程序设计课程中讲解循环时，我们可以 自己强的人。 注每一位学生的优点和进步，每一个学生都有 提出这样一个任务：求出班上每一位同学的平 ２培养学生竞争意识的重要性 可能受表扬、得奖励，极大的调动了学生积极参 均成绩。学生得到这一任务后，他们就会主动的 培养学生的竞争意识，是学生自身发展和 与的竞争意识。 思考并学习完成这一任务所需要的知识。事实 社会发展的需要，随着毕业生就业的市场化， 如在讲授平面设计软件中，让先做完的学 上我们都知道完成这一任务需要用到“求某位 “双向选择”已成为毕业生落实就业单位的主要 生当“小先生”去辅导没做完的。这样刺激学生 同学的平均成绩”这一旧知识和“循环对每一位 方式，竞争能力强的毕业生被用人单位录用的 要比其他学生先做完。让学生“战胜”其他人。同 同学重复处理”这一新知识，学生就可以通过完 可能性大些是必然的。因此，我们应该加强对学 时，能够培养学生的团结合作意识。 成该任务复习旧知识、学习新知识，达到学习循 生的竞争意识的培养。 ４．２评比活动 环结构的教学目的。而且还学到了把知识综合 学生中不同成员之间存在不同程度的差 运用到实际问题中。 江泽民同志曾指出“培养同现代化要求相 适应和数以亿计的高素质劳动者和数以千万计 异，可以利用比赛的方式，激发学生竞争意识。 总之，在各种形式的竞争中，平等是前提， 竞争是手段，掌握知识，提高技能，培养学生的 的专业人员，发挥我国巨大的人力资源优势，关 如在讲国家劳动部考试题时，可以讲完一 系到２１世纪我国社会主义事业的全局。”在当 章。就让学生进行一次考试。成绩记入学生的平 创造力和竞争意识是目的。 参考文献 今社会就业竞争日趋激烈和对劳动者素质要求 日成绩中。由于学生渴望在比赛中取得胜利， 越来越高的形势之下，作为肩负着培养合格劳 也会忘却事物本身的乏味，而兴致勃勃地投入 ｆ１１王艳芳．适应新技术革命的挑战培养技校生 Ｊ１．中国科学教育研究，２００７，４． 动者责任的职业学校．只有帮助这些社会的弱 到竞赛中去，课堂学习的主动性，积极性就被调 的竞争意识Ｉｆ２１吴开文，裴旭．关于培养学生竞争意识的几点 势群体消除“不会做”和“不愿做”的观念，调动 动起来。 思考【Ｊ］ 成功，２００７，１０． 他们一切积极向上的就业意识，才能帮助特殊 ４－３任务驱动 利用学生不服输的精神，鼓励学生不断的 责任编辑：鲁艳 学生今后在社会中找到一席之地。 从另一个角度看竞争，就是竞争者必须在 竞争过程中保持一种昂扬的精神状态。对于学 （上接１７７页） 水线技术好学实用，学了后 ２ＯＯ７，１８（１）：４３—４７． 生来说，保持这种精神面貌尤其可贵。因此，在 眼界开阔，有助于全面把握专业知识。在学生 【７１李学干．计算机系统结构（第三版）【Ｍ】．西安： 我看来，竞争的过程比结果更为重要。只要参与 评教活动中，本门课程得到了较高的评价。 西安电子科技大学出版社，２００４，６、 竞争，学生努力了，不管结果如何，都是值得欣 参考文献 项目资金：新世纪广西高等教育教学改革 慰的。常宣传这种观念，即每个人的资质天份各 【１１郑纬民，汤志忠，汪东升等译 Ｊｏｈｎ Ｌ．Ｈｅｎｎｅｓｓｙ， 工程“十一五”第一批立项项目（编号１６８）。 不相同，不可能要求一种结果。只要努力去做 作者简介：蔡启先（１９４８．９～），男，广西工 Ｄａｖｉｄ Ａ．Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ．计算机系统结构：一种定量 了，不管成就多大，此生都无悔。 的方法（第二版）【Ｍ１．北京：清华大学出版社， 学院计算机工程系教授，主要研究方向：计算机 ３目前职业学校学生的情况 ２０ｏ２ 系统结构。 我校的学生大部分是来自初中毕业学生 王智文（１９６９．１２～），男，广西工学院计算 【２】季素月．建构主义理论对高等教育教学的影 和家庭困难学生。他们中不少人都是带着无奈 机工程系副教授．主要研究方向：计算机系统结 响ＩＪ】．扬州大学学报，２００１（３）：２１—２４． 和失落的情绪走进职业学校的大门。告别初中 【３１郑纬民，汤志忠．计算机系统结构［ＭＩ．北京：清 构。 阶段的学习，进入职校后，培养目标和教学方式 何海钊（１９７６，４～），女，广西工学院图书馆 华大学出版社，１９９８．９． 的转变，使得学生产生了学习的和生活上诸多 【４】蔡启先，李日初．ＤＬＸ处理器整数流水线性 馆员．主要研究方向：计算机应用技术。 的不适应，对什么事都提不起兴趣；而且有些初 能的研究【Ｊｌ－计算机应用，２００５，２５（１２Ｂ）：３７４— 中毕业生学习基础比较差。难以承受繁重的专 ３７６、 业理论学习，学习情绪低落，不知道自己究竟会 【５】蔡启先，李日初．ＤＬＸ处理器浮点数流水线 什么，他们不知道学习的目的，没有学习的动 性能的研究 ．计算机工程，２００６，３２（９）：２２２－ 力。缺乏竞争意识。 ２２４． 部分家长因为“望子成龙”愿望的破灭 【６】蔡启先，李日初，王智文．ＤＬＸ虚拟处理器流 或轻视劳动．缺乏对孩子刻苦耐劳性格的锻炼， 责任编辑：鲁艳 水线向量运算的性能研究 ．广西工学院学报， 一一１７９—