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摘要：結合本院計算機科學與技術專業的硬件系列課程特點，分析了當前國內外計算機硬件課程發展現狀，指出了目前硬件專業課程設置的不足并提出了改革方案。新課程體系設置目標是在注重硬件原理的基礎上，重點培養學生集成電路設計能力和實際動手能力，激發學生把自己的創新思想、創新成果和自主能動性付諸實際。

關鍵詞：計算機硬件；集成電路設計；教學改革

信息系統工程教育論壇我院計算機科學與技術本科專業始建于1987年，歷經20年的發展，為油田及相關企事業單位培養了大量的計算機應用人才。“具有良好的科學素養，系統地、較好地掌握計算機科學與技術包括計算機硬件、軟件與應用的基本理論、基本知識和基本技能與方法，能在科研部門、教育單位、企業、事業、技術和行政管理部門等單位從事計算機教學、科學研究和應用”是本專業的培養目標。基于這個培養目標，結合目前計算機硬件技術最新發展現狀及趨勢，提出本硬件系列課改方案。

一、硬件系列課改的目的及意義

當前，計算機在信息社會中充當了重要角色，也是發展最為迅速的一門學科。隨著這門學科的不斷發展，目前，計算機核心技術愈來愈集中在集成電路芯片設計和軟件設計這兩項技術中，其中CPU和OS設計技術是最核心的兩項技術，特別是高性能計算機技術一直是衡量國家實力的一個重要標志。在硬件系列課程里，培養學生CPU及相關硬件的設計能力，培養學生自主創新并能夠設計出擁有自主知識產權的計算機部件的能力，是當前計算機硬件課程重要的改革方向，也是目前社會迫切需要的計算機硬件人才[1]。因此，適應當前計算機硬件技術的發展及社會對計算機硬件人才的需求，及時調整硬件系列課程的培養方向，既有利于學生及時掌握最新的計算機硬件技術，又有利于學生及時把所學知識轉化為社會生產力，對擴大我院學生就業，樹立我院計算機科學與技術專業學生良好的社會形象意義深遠。

二、硬件系列教學的國內外發展現狀及趨勢

由于我國的制造業比較落后，一直以來，計算機硬件的核心技術未能被國內掌握。相應地，在計算機硬件教學中，像計算機組成和計算機體系結構等重要硬件課程，傳統上僅僅以講授、分析原理為主，且內容不能適應現代計算機技術的發展[2]。國外一些知名大學非常重視計算機硬件的教學，美國的許多高校本科計算機專業中都無一不是安排了CPU設計方面的課程和實驗內容。例如麻省理工學院計算機專業的一門相關課程是《計算機系統設計》，學生在實驗課中，須自主完成ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU乃至實現流水線32位MIPS CPU和Cache等的設計。Stanford大學計算機系的本科生也有相似的課程和實驗。隨著計算機硬件技術的不斷發展，國內開展硬件設計技術的條件已逐漸成熟，這主要得益于計算機硬件發展中的兩個重要技術，一是大規模可編程邏輯器件CPLD/FPGA的成熟，可以在一個芯片中通過編寫硬件描述語言設計CPU和全部的相關硬件電路，減輕了硬件芯片間連接的復雜性，同時消除了硬件制造的限制。二是硬件描述語言的成熟，以VHDL和Verilog VHDL語言為代表的硬件描述語言，可以通過編寫程序的方式來描述極其復雜的硬件電路邏輯，大大降低了以前采用手工方式設計硬件電路的復雜性。國內的一些知名大學，在最近幾年里，也相應地增加了硬件電路設計在教學中的比重，據我們了解，清華大學、電子科技大學、哈工大、哈理工等一些學校，已經修改了計算機組成原理及計算機體系結構等方面的課程教學內容，把利用CPLD/FPGA和硬件描述語言設計CPU及其相關硬件電路作為重要內容加入到課程體系里，取得了良好的教學效果，大大加強了學生對計算機工作原理的理解及計算機硬件的設計能力，逐步實現了與發達國家高校計算機本科教育的接軌。

三、目前我院硬件系列教學現狀及不足

計算機科學與技術本科專業硬件系列主要課程設置始于20年前，期間雖經過部分調整，但基本教學內容依然延續20年前的知識體系。按授課先后次序排列，這些課程包括：《數字邏輯與數字電路》、《計算機組成原理》、《數字系統設計自動化》、《計算機體系結構》、《單片機原理及應用》、《嵌入式系統》、《硬件課程設計》等7門。基于當前硬件課程系列教學現狀，我們認為存在以下的不足：1.從整體上看，硬件系列教學內容過于強調基本原理和基本方法，缺少能夠驗證原理、實際實現這些原理及方法的手段，導致學生缺少動手能力，對原理和方法認識模糊，會說不會做的現象比較嚴重，創新能力較弱。2.《數字邏輯與數字電路》和《數字系統設計自動化》，這兩門課之間存在較大的聯系，在內容上存在承上啟下的關系，前者是講述數字電路的基本概念、組合及時序電路的傳統分析設計方法，后者則介紹組合及時序電路的現代分析設計方法，基于目前的教學實際情況，可以合并成一門課講述。3.《計算機組成原理》和《計算機體系結構》是計算機科學與技術本科專業非常重要的兩門課，通過這兩門課的學習，應使學生能夠設計簡單的CPU及相關的硬件電路，從而加深對基本原理、基本方法的理解，增強實際動手能力。基于現在的教學內容及教學手段還無法達到上述目的。4.《單片機原理及應用》和《嵌入式系統》兩門課存在較大的內容交叉。這兩門課都是講述特定計算機在控制及嵌入式產品中的應用，《單片機原理及應用》這門課介紹的是8位機MCS-51的原理，《嵌入式系統》這門課介紹的是32位機ARM的原理，鑒于目前嵌入式領域的發展現狀及趨勢，建議取消《單片機原理及應用》這門課，以避免課程內容重復。5.《硬件課程設計》作為硬件系列的最后一門硬件設計課，學生已掌握了較豐富的軟硬件知識，因此應該具備設計較復雜的硬件電路的能力，目前的設計內容較簡單并與《數字邏輯與數字電路》課程實驗存在一定交叉，建議選擇有一定復雜度并較實用的設計內容。從而培養學生綜合運用硬件知識及硬件設計能力。

四、硬件系列教學新課改方案

針對我院計算機科學與技術專業的實際情況，在保證總的硬件教學學時不變的前提下，對硬件系列教學提出如下建議：1.課程合并：《數字系統設計自動化》是計算機組成原理等的先修課，為保證能及時開課，同時該課和《數字邏輯與數字電路》這門課有密切的聯系，合并為一門課，仍稱為《數字邏輯與數字電路》，并適當增加學時，建議在大二上學期開課，取消《數字系統設計自動化》這門課。2.《計算機組成原理》：這門課改為《計算機組成及設計》，增加CPU及相關硬件電路設計內容，在講清楚組成原理的基礎上，以設計為重點，建議在大二下學期開課。 3.《計算機體系結構》：適當增加設計內容，原學時保持不變，建議在大三上學期開課。4.《單片機原理及應用》：本課程取消，鑒于目前嵌入式系統涉及軟硬件知識較多，難以在一門課程中全面系統學習，因此另開設一門《嵌入式軟件開發》課程，重點講述如何設計編寫嵌入式軟件程序，建議在大三下學期開課。5.《嵌入式系統》：這門課作為《嵌入式軟件開發》的先修課，重點講述嵌入式系統的基本概念及方法、ARM處理器的硬件工作原理、接口、匯編語言等，而相關操作系統及其程序設計等知識暫不涉及，建議在大三上學期開課。6.《硬件課程設計》：在設計題目中，引入嵌入式系統、FPGA及計算機組成等知識，適當增加設計的綜合性和復雜性，建議在大四上學期開課。基于新的硬件系列課程體系，能夠有效理順課程之間的先后關系，并把硬件課程均勻分散到大學四年的學習中，同時對重要的課程及相關的知識進行了加強，例如數字電路設計貫穿在整個硬件系列課程中；舍棄了過時的技術，增加了新技術的份量，例如去掉了單片機，加強了嵌入式系統。因此，我們認為：調整后的硬件系列課程是較合理的，它吸收了當前先進的硬件設計技術，保證了知識的實用性，有一定的前瞻性。

五、結束語

高等教育是為學生提供專業技能和生存本領、服務社會的最后一站，教學內容及方法直接關系到學生的未來發展。通過不斷教學改革，保持教學的先進性和實用性一直是高教課改的目標之一。通過這次課改，理順了我院硬件系列課程的教學關系，增強學生未來服務社會的競爭力，因此很有實際意義。

作者:李軍 崔旭 李建平 單位:1.東北石油大學 2.大慶市薩東第二小學

參考文獻

[1]潘松,潘明.現代計算機組成原理[M].北京:科學出版社,2007:1-5.

[2]趙若陽,等.計算機硬件課程體系及內容改革的思考[J].北京:計算機教育,2006(3).