“计算机系统”课程建设报告
赵星秋
1 课程概述
1.1 课程意义
计算机系统是计算机技术的一门综合课程，它涵盖“数字逻辑设计”、“计算机组成原理”、“汇编语言程序设计”、“操作系统”。在财经类文科院校，信息管理与信息系统专业和电子商务等专业虽然被授予管理学学位，但这些专业是以计算机技术为支撑的管理专业，其所需计算机技术类课程远多于经管类课程，这些理工类技术课程的学习离不开课程实验，这对理工类院校的专业来说也许不是什么问题，但对文科类院校，由于过去多年没有实验设备投入积累，以及考虑到实验室的收益面较小，建立实体实验室就变成了一个难题。因此，文科院校几乎没有像理工院校那样的实验室，学生无法完成像理工科院校的验证实验和探索性实验。这对需要系统掌握计算机知识的信息管理专业和电子商务专业学生的基础教学影响很大。其次，由于专业的复合性，学生所要学习的课程数量很大，学生没有时间和课程学分来修这么多计算机课程。致使很多院校放弃了计算机底层知识，如数字逻辑、计算机组成原理、汇编语言程序设计、操作系统等需要大量实验支撑的课程，导致这些课程的教学变得理论化、概念化，缺乏直观性、可操作性，使课程变得枯燥无味，严重影响了教学效果和学生的学习积极性，很多院校已经从培养方案中把这些课程删除，严重影响学生知识体系的完整性。正是基于上述原因，我们开始了建设一门计算机技术综合课程的探索。
1.2 国内外同类课程比较
国外多年前就把计算机设计技术应用在了课堂教学中，如参考教材《数字设计与计算机体系结构》、《数字逻辑与计算机设计导论》、《深入理解计算机系统》，《Computer Organization and Design》等优秀教材，其中，加州大学伯克利分校David A.Patterson教授的《Computer Organization and Design》影响最为深远，是公认的经典教材，该教材理论性强，内容比较集中在计算机组成上。《深入理解计算机系统》原作名为Computer Systems：A Programmer’s Perspective，是卡内基梅隆大学计算机系Randal E.Bryant教授按照程序员需求编写的教材，深受软件开发人员喜爱，是开发人员有益的助手，该书不强调理论体系的完整性和逻辑性，作为教材不太适合。Harvey Mudd College教授David M.Harris编著的《数字设计与计算机体系结构》把EDA设计软件引入计算机组成课程，课程比较全面地阐述了数字逻辑设计方法和计算机知识，该教材给了我们很大启发。
国内很多大学开展了这方面的尝试，在计算机组成方面，北京邮电大学白中英教授的《计算机组成》和《计算机组成与系统结构》影响最为深远，该教材不仅理论体系完整，而且配合了大量动画资料，对学生深入理解计算机系统有很大帮助。
无论国外还是国内，课程独立性强，难度大，很少有一门综合性计算机系统课程来满足非计算机专业学习使用，正是基于这一目的，我们以计算机组成为主干，抽取相关课程精华设计了这门“计算机系统”课程，使学生在短时间内对计算机系统留下深刻印象，课程大量采用实验教学和动画多媒体演示，获得了较好的教学效果。
1.3 特色
(1)内容高度综合。本课程涵盖了数字逻辑设计、计算机组成原理、汇编语言程序设计和操作系统等多门计算机基础课程知识，覆盖面宽，知识点多。
(2)计算机仿真实验代替实物实验，充分利用了现代信息技术于课程教学中。
(3)案例可操作性强，应用课程理论于实验中，成功验证了理论的正确性。
1.4 师资队伍
形成老中青三结合的师资队伍，本课程建设历经姜咏江老师的数字逻辑设计、计算机组成；赵星秋和李兵老师的计算机系统，在原来计算机组成的基础上引入了操作系统；目前由赵星秋和佟强负责课程的教学任务，佟强老师的加入，带来了计算机仿真实验和汇编语言集成开发环境，使课程内容进一步丰富。
2.1 指导思想
本课程建设遵循“积极探索、勇于创新、强化实践、多课综合”的原则，以培养复合型人才为目标，积极研究相关课程的发展趋势，吸收国内外相关课程教学研究成果，结合对外经济贸易大学环境及学生特点，具有财经类院校特色，培养复合型人才的教学内容和教材建设，改革教学方法，以现代教育技术为手段，充分利用先进的计算机辅助教学手段开展实验教学，建立高标准的教学团队，把“计算机系统”课程打造成具有文科类大学特色的综合性计算机课程，为本科教学质量的提高作贡献。
2.2 课程定位
本课程主要对计算机知识要求较高的非计算机专业需要全面了解计算机技术的相关专业学生设计的，适合具备高中物理基本知识，有一定计算机使用经验的学生。
2.3 课程目的
课程设计的主要目的是使学生利用较短的时间全面了解支撑计算机的知识和技术，为今后深入掌握软件编程、软件系统设计和信息系统开发打下坚实的基础。
通过本课程的学习，学生首先了解实现计算机硬件的数字逻辑电路的设计方法，掌握设计过程，能评估数字逻辑电路设计的复杂性。掌握计算机的组成和各单元的工作原理和计算机的执行过程，了解制约计算机性能的主要瓶颈和解决对策及计算机技术的发展趋势，掌握指令系统和CPU控制器的关系以及计算机软硬件配合的重要性。掌握汇编语言程序设计方法，了解通过Debug和编程工具调试汇编程序的方法。了解操作系统的作用和功能，掌握并发与并行、临界资源等概念，掌握处理机管理方法，了解存储器的层次结构及管理技术等。
2.4 课程建设历程
本课程是从原专业必修课“计算机组成原理”发展而来。早期，信息管理专业的定位是管理信息系统的开发和信息化的组织实施，那时，课程设置强调计算机技术，计算机技术相关课程较多，与计算机专业比较接近，除“计算机组成原理”外，还有“数字逻辑电路设计”、“操作系统”、“汇编语言程序设计”等基础课程。随着专业逐渐向经管方向转变，大量经济、管理类课程进入培养方案，原先的部分技术类课程逐渐从必修课淡出，转变为选修课。随着大方向的转变和学生就业目标的变化，这些课程越来越少，最后仅仅保留下了一门“计算机组成原理”。授课教师也逐渐减少，最后仅剩一位老师从事该门课的教学。
随着教育部质量工程项目的启动，强化实践教学再次被提上议事日程，在深化改革的过程中，师生们逐渐发现这些基础知识的重要性，缺少对计算机基础知识的了解将影响学生在系统开发方面的进一步发展。同时，随着一批青年教师的引进，一些技术强、熟悉最新计算机知识的教师加入到授课教师队伍中来，大家把课程内容重新作了整合，在原先计算机组成原理的基础上增加了操作系统、汇编语言程序设计和数字逻辑设计等内容，形成如今的“计算机系统”课程。
3 教学内容、方法、手段，教学资源
3.1 课程内容
第一部分 计算机技术基础
第1章 概述
1.计算机概述
(1)计算工具发展历史；
(2)电子数字计算机。
2.数制与编码
(2)数制的转换；
(3)计算机中数的表示法(整数，有符号数和浮点数，限位计数、反码和补码)；
(4)数的运算。
3.布尔代数与逻辑电路
(1)布尔代数的概念(术语最小项、最大项)、运算方法；
(2)基本逻辑门电路；
(3)基本逻辑门电路的组合(译码器、多路选择器)；
(4)由真值表求逻辑表达式(与或式、逻辑表达式化简)。
4.数字电路EDA仿真
(1) QuartusII的安装与配置；
(2)逻辑电路设计与仿真。
5.计算机组成结构
(1)计算机系统组成；
(2)冯诺依曼结构；
(3)计算机组成部件。
第2章 运算器
1.加法器
(1)半加器与全加器；
(2)多位加法器。
2.加减法器与运算控制
(1)减法器；
(2)译码器。
3.算术逻辑单元——ALU(三态门X、Z，总线)
4.仿真实验
(1)加法器仿真实验；
(2)算术逻辑运算器ALU设计与仿真实验。
第3章 存储设备
1.触发器
(1) RS触发器；
(2) D触发器；
(3)电平触发与沿触发。
2.寄存器和计数器(时序电路模块)
(1)寄存器；
(2)移位寄存器；
(3)计数器。
3.存储器
(1)寄存器组；
(2)存储器。
4.寄存器与寄存器组的仿真实验
第二部分 计算机体系结构
第4章 指令系统与汇编语言
1.指令系统
(1)指令系统分类(精简指令集与复杂指令集)；
(2) MIPS与IA－32。
2.汇编语言
(1)指令(操作数、操作码)；
(2)机器语言(R、I、J类型指令)；
(3)寻址方式与指针。
3.程序设计
(1)顺序程序设计(PC)；
(2)分支程序设计(条件跳转)；
(3)循环与数组(内存分配)；
(4)过程调用与转子程序(入、出栈)。
4. Debug的使用
5. RadASM汇编语言程序的调试
第5章 计算机CPU
1.单周期处理器
(1)单周期数据路径；
(2)单周期控制。
2.多周期处理器
(1)多周期数据路径；
(2)多周期控制。
3.性能分析
4.微程序CPU控制器(www.daowen.com)
(1)指令节拍；
(2)指令译码；
(3)存储式控制器。
5.流水线处理器∗(选读)
(1)流水线数据路径；
(2)流水线控制；
(3)冲突。
6.单指令流单数据流微程序控制器设计与仿真
第6章 外部设备与数据传输
1.键盘和外部设备
(1)计算机键盘结构；
(2)简单管理程序；
(3)中断；
(4)带中断功能指令设计与缓冲区。
(5)外设管理。
2.内存与外设的数据交换
(1)程序访问方式；
(2)中断方式；
(3) DMA方式。
第三部分 程序的运行
第7章 操作系统概述
1.计算机软件与操作系统
(1)软件作用与分类；
(2)操作系统。
2.处理机管理
(1)进程；
(2)进程的状态转换；
(3)进程调度算法；
(4)信号量；
(5)死锁；
(6)线程。
3.存储器管理
(1)存储器的层次结构；
(2)逻辑地址与物理地址；
(3)虚拟存储。
4.链接
(1)编译；
(2)链接；
(3)重定位；
(4)动态链接共享库。
5.文件管理
6.设备管理
第8章 程序运行时间测量
1.计算机系统上的时间流
(1)进程调度和计时器中断；
(2)从应用角度看时间。
2.执行时间测量方法
(1)通过间隔计数器测量；
(2)周期计数器测量。
3.2 教学方法及手段
“计算机系统”是一门理论与技术相结合的课程，内容不仅涉及理论思想，而且包括实践技术。如何让学生直观地看到计算机内部的运行过程，把理论知识转化为现实世界，为此，我们充分运用了多媒体技术，把CPU内部指令执行过程用动画的方式展示出来，让学生看到指令按节拍的执行过程，强化了学生的认识，消除了学生对指令节拍分析困难的问题。为了把握住理论知识点，图解成可直观的活动和过程，课程建设中开发引入了大量flash动画，大大提高了学生对课程知识点的理解。
实验是理工科教学的重要手段，为了解决文科院校缺乏实验设备的困难，课题组大胆引进了EDA软件QuartusII，通过该软件的仿真测试，学生能够直接感受到自己的设计成果，同时也能检验对知识的理解是否准确。仿真实验的引入，不仅大大增加了学生学习计算机基础知识的兴趣，而且也开阔了学生视野，扩大了知识领域，对提高学生的综合素质，加强学生创造能力的培养具有不可替代的作用。
3.3 教学资源
教材是教学的基础，是教学的依据。为了实现教学目标，找到一本合适的教材非常困难，每一门课程的好教材很多，像北京邮电大学白中英老师主编的《计算机组成原理》，哈尔滨工业大学唐朔飞等也编有类似教材，国外的有《深入理解计算机系统》、《数字逻辑与计算机设计导论》、《数字设计与计算机体系结构》等，像《汇编语言程序设计》、《操作系统》更是经典教材无数，这些教材内容丰富，叙述严谨，每门课都需要54～72课时，如何在一学期完成新课程的教学，必须对原教材内容有所取舍，正是基于这一需要，我们组织编写了《计算机系统实验教程》，对原有课程内容作了重新组合，以适应48学时的教学需要。
同时，为教材开发了配套的CPU设计案例，案例包括CPU组成的各个部件，学生使用这些部件可以组合成完整可运行的CPU。该实验引入了QuartusIIEDA软件，学生可以在该软件平台上完成相关实验。
4 取得的成果
4.1 完成了《计算机系统》教材的组织和编写
确定了数字逻辑设计、计算机组成原理、汇编语言程序设计、操作系统各自在《计算机系统》中所占的比重，重新组织了知识体系、结构及教学内容，在内容组织上有所创新，新课程设计符合课程体系要求，满足授课对象的需求。
4.2 教学特色方法及作用
课程实验仿真化。本课程采用了计算机仿真方法代替实物实验，不仅节约成本，而且可以在任何机房进行课堂实验，大大增加实验的灵活性和便利性，为不具备实验条件的高校开设类似课程作了探索，这正是教育部大力提倡的实验教学创新方法。
实验技术工程化。实验平台采用了Altera公司的电子电路开发软件Quartus II，该软件是企业电子设计专用开发平台，在该平台进行计算机仿真实验，既掌握了课程知识，也学习了解了当代计算机设计方法和技术。
4.3 教学研究成果
在课程建设过程中，课程建设经验、教学经验、研究成果形成多篇论文和专著以及产品。
(1)文科院校计算机系统实践教学研究，赵星秋，计算机教育，2009年8月
(2)《PMC计算机设计与应用》，姜咏江著
(3)《基于Quartus II的计算机核心设计》，姜咏江著，清华大学出版社，2007年
(4) PMC教学计算机实验系统，产品
4.4 学生的收获与评价
学生对改革后的课程给与很好的评价，这可以从选课人数、评分和主观评价几个方面来说明。
首先从选课人数来看，课程建设前，选课人数从必修课时期的100多人锐减到不足25人，到2008年时出现了不能开课的情况。课程改革后，选课人数逐年回升，2009年16人勉强开课，2010年后人数超过40人，到今年达到60人之多。
再从学生评价来看，2006年，本课程学生评价学院排名倒数第二，综合评分仅为78分，之后学生评价逐年回升，现在稳定在90分以上。
从学生评价上来看：
教师编号：10207赵星秋；课程号：CMP203；课程名称：计算机系统，2009～2010(1)
赵老师的专业学识非常渊博，而且讲课非常生动，这门课课程本身本来是比较枯燥的，但赵老师的课堂气氛非常好，学到了很多东西～感谢老师!
赵老师授课过程中设计合理，内容充实，注重互动，强调创新。
教师编号：10207赵星秋；课程号：CMP203；课程名称：计算机系统，2010～2011(1)
非常喜欢赵星秋老师!儒雅，讲课清楚，有耐心，细致。这门课要学习计算机内部的电路设计，很抽象，而在赵老师详细的讲解下，我的仿真电路都能顺利通过测试。赵老师对我们提交的作业都能进行细致的点评，让我们有更好更快的提高。
教师编号：10207赵星秋；课程号：CMP203；课程名称：计算机系统，2011～2012(1)
好，老师讲课很认真，人很好。
赵老师上课能运用各种教学方法和现代信息技术各种手段来辅助教学。
专业知识很丰富，能将深奥的知识讲的浅显。上课认真，能够体谅学生。
5 课程建设展望
5.1 课程建设体会
通过开展计算机仿真实验，弥补了文科院校开设计算机技术类课程没有实验室的不足，增强了学生学习计算机硬件课程的兴趣和学习热情。没有开设实验课之前，选课人数逐年下降，模拟实验课开设后，选课人数明显回升。
学生对计算机系统的理解明显提高，特别是对计算机的执行过程、节拍的概念体会更加深刻，强化了对计算机资源有限性的认识，对常数、变量、数组和存储器的关系有了新的认识。
对其他课程的支撑力提高，原来学生对指针很难理解，现在感觉容易多了，明白了其他计算机课程中原来模糊的概念。
再就是增强了学生的动手能力，原来很多学生惧怕硬件，特别是女同学更是如此，现在认为硬件比软件简单很多。
5.2 课程的不足
通过课程建设，师资队伍虽然有所改善，但发展趋势不容乐观，后备力量明显不足。近年来，由于全国性重文轻理，人们乐于从事管理工作，多数人不愿意从事技术工作，这种思潮严重影响学生学习技术知识的积极性。再就是本院没有计算机专业，教师没有相应研究课题作支撑，长此下去教师知识更新出现问题，课程后续的完善和发展难以得到保证。
5.3 改革思路
(1)教学内容
充分引入国际国内最新的计算机体系结构进展技术，构建支持学生计算机知识和技术能力有效提高的教学内容，把体现本学科领域最新研究成果的思想交给学生，实现教学与科研有效结合。结合我院教师在实际教学和实践中积累的经验，进一步使现有案例更加完善，使学生在短期内掌握计算机系统的主要基础知识。
(2)教学方法与手段
结合课程内容和学生特点，继续探索先进的教学方法，重点把现代教育技术手段和传统教学手段相结合，开发更多Flash动画，使教学内容更加形象生动，进一步做好实验仿真软件的应用研究，使仿真实验更加接近于实物实验。积极参加国内外计算机教学方法交流研讨会，加大提高学生学习、研究与实践能力的教学探索。
(3)教材建设
课程建设项目组已编著出版多本教材，2012年11月对外经济贸易大学出版社出版了最新版的《计算机系统实验教程》，我们将继续收集积累最新研究成果，争取尽快出版与该教程配套的课本教材。
(4)师资队伍建设
此课程由于涉及知识繁多，承担该门课的教学需要花费任课教师大量精力，缺乏后备师资一直是课程建设较为突出的一个问题，今后力争每隔5年引入一位优秀青年教师扩充师资队伍。
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