《數(shù)字邏輯》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》三門課程對(duì)應(yīng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)硬件課程的不同層次，分別涵蓋了硬件基礎(chǔ)課、硬件專業(yè)基礎(chǔ)課、硬件專業(yè)課，形成計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件課程的一條主線。通過三門課程理論及實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生循序漸進(jìn)地理解計(jì)算機(jī)的各組成部件之間的聯(lián)系，了解各組成部件從獨(dú)立到統(tǒng)一整體實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)算，同時(shí)掌握計(jì)算機(jī)軟件和硬件的關(guān)系，學(xué)會(huì)如何評(píng)價(jià)及優(yōu)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且能夠在其他相關(guān)課程基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)功能的擴(kuò)展。

　　一、計(jì)算機(jī)硬件課程的改革

　　計(jì)算機(jī)硬件課程是計(jì)算機(jī)學(xué)科必不可少的專業(yè)課程[1]，只有熟練掌握計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)才能開發(fā)出更高效的軟件項(xiàng)目。計(jì)算機(jī)性能隨著硬件技術(shù)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的革新不斷提高，雖然其工作原理及工作方式基本保持不變，但是要使學(xué)生能夠更好地理解計(jì)算機(jī)的工作原理，對(duì)相關(guān)硬件課程的改革和思考也是必不可少的。上海海洋大學(xué)信息學(xué)院在2018版的培養(yǎng)方案中，對(duì)硬件課程體系進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整和改革。把《計(jì)算機(jī)組成原理》作為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心通識(shí)課程，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)加強(qiáng)硬件課程體系的改革及建設(shè)，圍繞《計(jì)算機(jī)組成原理》為核心的硬件課程，建立分層次課程改革中心，以數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)為前導(dǎo)課程，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為提高課程。構(gòu)建包括基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課三個(gè)層次的一體化硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，達(dá)到既可以系統(tǒng)了解計(jì)算機(jī)硬件體系，又有助于優(yōu)化軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的完整實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

　　二、三門硬件課程之間的相互關(guān)系

　　《數(shù)字邏輯》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》三門課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)不同層次且課程內(nèi)容及難度上相互遞進(jìn)的重要硬件課程。《數(shù)字邏輯》是《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的前導(dǎo)及基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)主要關(guān)注與CPU相關(guān)的邏輯器件技術(shù)，掌握與計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)的邏輯電路設(shè)計(jì)的基本理論和知識(shí)，理解數(shù)字邏輯器件的工作方式，在此基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)底層基本器件的工作原理，有助于后續(xù)計(jì)算機(jī)組成及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)及理解。《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)硬件課程的核心[2]。通過該門課程的理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)施，使學(xué)生建立起計(jì)算機(jī)基本模型機(jī)的概念并實(shí)現(xiàn)基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)。《計(jì)算機(jī)組成原理》課程對(duì)學(xué)好計(jì)算機(jī)相關(guān)的其他硬件課程起到重要作用[3]，理論課程包括計(jì)算機(jī)基本邏輯器件(輸入輸出系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、總線控制)的工作原理及數(shù)據(jù)及指令流動(dòng)方式的理解。《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程在學(xué)生學(xué)習(xí)完《數(shù)字邏輯》及《計(jì)算機(jī)組成原理》課程后，著重分析計(jì)算機(jī)架構(gòu)是怎么樣的，如何提高處理器性能，硬件之間是如何成為有機(jī)整體，如何消除CPU與主存之間的速度瓶頸，如何進(jìn)行性能分析及系統(tǒng)優(yōu)化。《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》從更高層次整體理解計(jì)算機(jī)的性能及優(yōu)化思想，思考和解決實(shí)際工程中遇到的問題。

　　三、三門課程的一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)硬件課程學(xué)習(xí)過程中，如果沒有實(shí)驗(yàn)課的支撐，硬件課程的理論部分是非常枯燥且難懂的，要提高學(xué)生對(duì)硬件課程理論部分的理解及動(dòng)手實(shí)踐能力，合理的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐課程安排是有必要的。實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容設(shè)置上需要理順先導(dǎo)課程和后續(xù)課程的實(shí)驗(yàn)順序和銜接關(guān)系，避免實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重復(fù)，建立一體化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。三門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體現(xiàn)由局部到整體的完整計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想，按照加法器到運(yùn)算器、寄存器到存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)總線到數(shù)據(jù)通路、計(jì)數(shù)器到微程序控制器、基本模型機(jī)實(shí)現(xiàn)、基本模型機(jī)到復(fù)雜模型機(jī)系統(tǒng)、復(fù)雜模型機(jī)系統(tǒng)到系統(tǒng)優(yōu)化過程的順序由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由部分到整體的基本方法實(shí)現(xiàn)。通過三門課程一系列實(shí)驗(yàn)使學(xué)生加深對(duì)計(jì)算機(jī)工作原理的理解，掌握計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的基本方法，提高學(xué)生解決實(shí)際工程技術(shù)問題的工作能力[4]。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的《數(shù)字邏輯》實(shí)驗(yàn)主要包括與計(jì)算機(jī)五大組成部件(輸入/輸出設(shè)備、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器)相對(duì)應(yīng)的編解碼器、二進(jìn)制加法器、寄存器、控制總線設(shè)計(jì)、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，各部件最終組成一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)基本算術(shù)運(yùn)算的簡(jiǎn)單計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)方式可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)與FPGA實(shí)驗(yàn)箱相結(jié)合的方式，虛實(shí)結(jié)合，既能使學(xué)生充分理解現(xiàn)象又能提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算機(jī)相關(guān)各功能部件的邏輯實(shí)現(xiàn)及處理器的設(shè)計(jì)，包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、微程序控制器、基本模型機(jī)設(shè)計(jì)。先導(dǎo)課程《數(shù)字邏輯》實(shí)驗(yàn)中完成的基本數(shù)字邏輯單元在《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)中組合成具有一定獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)部件，并將獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)部件(如運(yùn)算器與存儲(chǔ)器、運(yùn)算器與控制器、運(yùn)算器與輸入輸出系統(tǒng)，存儲(chǔ)器與輸入輸出系統(tǒng))聯(lián)系起來協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作。《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程實(shí)驗(yàn)在《計(jì)算機(jī)組成原理》基本模型機(jī)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，主要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型機(jī)、基于流水線技術(shù)構(gòu)成模型計(jì)算機(jī)、帶Cache的CPU的設(shè)計(jì)及代碼優(yōu)化等。通過不同層次的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生更深入地理解計(jì)算機(jī)的整體性能、加深對(duì)流水線的認(rèn)識(shí)，能進(jìn)一步優(yōu)化程序設(shè)計(jì)，編寫出執(zhí)行速度快、資源利用率高、性能接近于最優(yōu)的程序。

　　四、總結(jié)

　　人工智能的發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才硬件課程的學(xué)習(xí)和掌握程度提出了更高的要求，學(xué)生要夯實(shí)硬件課程基礎(chǔ)才能在其他相關(guān)課程的深度和廣度上有所提升。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生通過《數(shù)字邏輯》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》三門課程的理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作，搭建從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的模型機(jī)，深入理解計(jì)算機(jī)的工作原理，為未來從事IT相關(guān)行業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]肖娟,王嵩,張?chǎng)╇?計(jì)算機(jī)硬件類專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)體系改革研究[J].亞太教育,2015,(27):90.

　　[2]王婧.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討[J].軟件工程,2017,20(7):42-44.

　　[3]徐愛萍,張玉萍,涂國(guó)慶.計(jì)算機(jī)組成原理課程整機(jī)實(shí)習(xí)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育,2014,(10):101-104.

　　[4]王冬.《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2015,(4):50-52.

　　《計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)三門硬件課程》來源：《教育教學(xué)論壇》，作者：易叢琴 馮國(guó)富 池濤 王靜