1、本科计算机体系结构外文原版教材比较本科计算机体系结构外文原版教材比较国防科技大学陆洪毅沈立戴葵王志英/文一.引言高等教育的国际化在成为世界范围高等教育发展趋势的同时,也成为我国高等教育在 21 世纪必须做出的战略选择.同时,教材的质量直接体现着高等教育和科学研究的发展水平,也直接影响本科教学的质量.因此,加大课程内容的际前沿最新研究成果的比重.增加教师和学生的国际交流等已成为新时期教学改革的重要举措,然而其中重要的极具可操作性的一点,就是直接引进国外原版教材进行教学.目前在我国的教材体系建设中丰要存在的问题是:教学与科研的非紧密结合,使得编写或修订教材的教师一定切实掌握最新领域发展的前沿知识,
2、从而在客观上不能有效地将最新的知识整合到教材之中,而国外最新版专业教材的重要优点在于能及时跟踪,吸收和反映国际上最新的科学研究成果和教学实践经验;我国目前教材的创新和更新机制也使教材整合最新知识的能力受到制约,相比而言,国外教材在这方面优于国内教材.在教学实施过程中直接采用外文原版教材,一方面,有利于学生掌握学科前沿最新的知识,提高我们所培养人才的国际化竞争能力;另一方面,能够大大增加学生在“用中学 “外语的机会 ,在掌握专业知识的同时,提高专业英语的阅读能力.由上述可见,引进外文原版教材,无76 计算机教育 2004.7疑会引进相应的新教学思想,会对培养学生的想象力和创造性发挥重要作用.但是
3、,对外文原版教材的引进也必须大力开展细致的甄别分析工作,必须要从适应素质教育的需要和培养创新意识.创新精神和刨新能力的目标出发,结合我们专业教学的基本规律和分层次人才培养的教学目标选择合适的外文原版教材,在确保引进外文原版教材质量的同时,确保所引进教材的适用性和专业教学实施的可操作性.ingforPerformance(第五版,在后面的论述中,简称该书为性能设计),其作者 WilliamStallings 专长于计算机网络和计算机体系结构,拥有 17 本专着,现为多家顶尖计算机公司的顾问.本文将对墨0IgaIzalIolIIle 蛔DYA.P-nn 蚺州.-LH-,当前,在各国的计算体系结构教
4、学中,普遍使用的外文原版教材主要有:(1)(ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach(第三版,在后面的论述中,简称该书为量化方法),其作者 JohnL.Hennessy是斯坦福大学的校长,他于 1981 年在斯坦幅大学开始了 MIPS 项目的研究,他对 RISC技术做出了杰出的贡献;(2)(ComputerOrganizationandDesign:TheHardware/SoftwareInterface(第二版,在后面的论述中,简称该书为软硬件界面),其作者 DavidA.Patterson 自从1977 年开始就在加州大学伯克利分校讲授计算机体
5、系结构,他领导设计过第一台RISC 计算机,并演变为 SPARC 体系结构,他还是 RAID 项目的领导(3)(ComputerOrganzafionandArchitecture:Design这三本书的内容与结构体系,特点,教学目标和适用对象,教学辅助材料等方面进行综合论述与评价,以求为我们引进外文原版教材提供可参考的依据,同时也为我们在计算机体系结构教学过程中吸取最新的科研和教学成果,提高教学质量提供指导性的借鉴.二各教材的内容和结构体系的比较任何一门课程教学都有一些先修的前导课程和预备的知识点.计算机体系结构课程的前导课主要有:数字逻辑,计算机原理,存储与外设,微机原理,性能评价,汇编语
6、言,操作系统,编译原理等.在这些前导课程中,尤其以计算机原理,存储与外设的相关性最大,从计算机系统的教学观点来看,计算机原理,存储与外设课程主要是解决“什么是计算机系统 ,计算机系统和计算机各个组成部分如何连接在一起协同工作“的问题 ,也即着重介绍计算机系统的基本运算原理,以及计算机系统各个组成部分的基本工作原理,而计算机体系结构课程教学主要是解决“如何在现有的技术条件下设计出性能价格比高的计算机系统“的问题,也即着重介绍如何运用各种先进的技术将计算机系统的各个功能单元有效地组织起来,以最 I1,1,5代价获取最高的系统性能.可以说计算机体系结构技术是一门设计计算机的艺术,要掌握这门设计的艺术
7、,除了要具备相应的硬件知识外,同时还必须有相应的软件知识和系统综合分析问题解决问题的能力.作为计算机系统而言,其核心是指令集结构.在 20 世纪 90 午代以前,?育将指令集结构作为计算机系统的软硬件交界面,认为计算机体系结构设讣的问题是软硬件功能划分问题,而计算机系统的逻辑实现属于计算机组成的范畴,计算机系统的物理实现属于计算机实现的范畴.但是在 20 世纪 90 年代后期,随着微电子技术和计算机技术的发展,计算机体系结构的定义有了新的内涵.其一,要设计一个性式风险性也很大,特别是容易导致设计算机系统的投入代价增大,计算机系统设计所追求的“高性能价格比 “也迫切需要将计算机系统的性能评价技术
8、融人列计算机系统设计中,尽可能减少计算机系统设计的风险和代价.在当前的技术条件下,计算机体系结构课程教学的内容体系应该主要包括如下内容:?计算机体系结构的基本概念;?定量设计基本原则和技术;?指令集结构设计;?流水线技术;?向量处理技术;?指令级并行性技术;?存储甚次设计技术;?I/O 系统设计技术;?多处理机技术.这些内容的内涵要充分体现设计的宗旨,其组织的思路遵循从内到外,从单的相互支持显得越来越重要,以前在指令集结构设计上的一些取舍问题,现在已经上升到了编译器设计上一些问题取舍的层次,编译技术不仅影响剑计算机体系结构设计,同时计算机体系结构技术的要求也在不断充实和改变编译技术的内涵,也许
9、编译器会逐步成为重要的软硬件的交界面之一.其三,定量性设计技术在计算机体系结构的研究中越来越重要,以前的设计方法主要依赖于设计经验的学习和一些定性的分析,但是这种设计计算机系统的方机到大系统,从一般到特殊的原则.当然,在整个内容的组织上,最好沿着解析设计一个系统的实例来说明相应的设计技术和设计原则,在该设计实例的选择上,要选那些体现计算机系统最先进技术的简单教学性实例为宜,力求做到选择的实例简单,系统且又反映技术的本质.复杂的现实实例可作为验证性说明实例.下面分别给出前面三本计算机体系结构外文原版教材的内容组织和框架,然后对其涵盖的知识点进行比较,并就这些教材对上述九个汁算机体系结构教学基本内
10、容的涵盖情况进行分析和综合评述.(一)内容的组织和框架虽然达二本书在内容的组织框架方面比较类似,都是采用的层次论述的方法,但是软硬件界面)和量化方法)则更加相似,采用的是从内到外的方法,也即首先论述的是计算级系统的核心指令集结构,再论述当前 CPU 设计的核心.技术流水线技术和指令集并行技术,至此假设读者已经拥有了一种微处理器,然后论述存储器的层次结构设计技术和输入/输出系统的设计技术和接口设计技术,综合利用这些技术,就可以设计实现一个计算机系统.在微处理器,计算机系统的基础上,利用互连网络技术就可以构造出多处理机系统,所以软硬件界面)和量化方法最后叙述的是互连网络技术和多处理机设计技术.与软
11、硬件界面),量化方法) 不同,性能设计采用的基本论述方式是从外向内的论述方式,性能设计)首先论述的是计算机系统,这里首先把微处理器当成是黑匣子,仅仅论述如何通过系统总线将内部存储器,外部存储器,输入/输出等部件连结在一起,在操作系统的支持下,构造成为一种计算机系统.我们认为计算机的设计主要是两个方面,即结构和功能,目的是希望通过这一部分的学习先给读者建立起整机的概念.在整机系统概念的基础上,性能设计)再打开原来遗留的微处理器这个黑匣子,并论述微处理器的中央处理单元和控制单元.最后作者讨论了并行处理的一些相关内容.这三本教材在内容组织和编写框架上各有特点,但是究竟哪种方式更符合教学的规律,还得看
12、哪种论述方式更加符合学生学习的思维惯.在计算机体系结构的教学过程中,首先应该让学生知道计算机的几大组成部分:微处理器,存储器,输入/输出,以肢冯,诺伊曼结构的基本工作原理和设计的基本核心问题.性能设计的内容组织框架不太符合计算机系统设计的基本流程,按照这种层次方法教学,既不便于让学生理清设计思路,也不便于让老师按照清晰的层次讲述计算机系统设计的技术思路,往往会造成各种技术思想相互牵连的混乱局面.所以建议在计计算机教育 2004.777算机体系结构教学实施过程中,在首先概述计算机系统框架的基础上,采用由内向外,由部件向系统的层次递进讲述方式为宜,这也是我们多年从事计算机体系结构课程教学的重要体会
13、之一.(二)涵盖的知识点进行比较在前面的论述中,给出了计算机体系结构课程所应该涵盖的九大知识点.性能设计对九大知识点论述的篇幅相对于软硬件界面和量化方法而言较小,而量化方法论述的篇幅最大,是性能设计的两倍以上.就这三本教材本身的篇幅而言,性能设计对九大知识点论述的篇幅仅占其总篇幅的 43%,软硬件界面占其总篇幅的 51%,量化方法占其总篇幅的 98%.软硬件界面和量化方法基本涵盖了计算机体系结构九大知识点的相关内容,性能设计没有向量处理的内容,而且软硬件界面和量化方法对九大知识点各个部分的论述比例比较均衡,而性能设计则对计算机体系结构课程核心的知识点的论述篇幅较小,更大的篇幅是在论述计算机系统
14、的组织内容.这三本教材对计算机体系结构九大知识点的论述的篇幅比重如图 1 所示.可以看出,量化方法对计算机体系结构篇幅数口 COD日 CA口 CoA知识点图 1 三本外文原版教材对计算机体系结构九大知识点的涵盖情况的比较技术,存储层次技术,I/O 系统设计技术三大知识点的论述强度基本一样.三各教材教学目标,特点及适用对象与教学辅导材料的比较性能设计教材的作者认为,和任何系统一样,计算机系统是由一组相互关联的部件组成,通过结构和功能最能表征一个系统,计算机的组织是层次化的,通过将主要的部件分解成各个子部件,并描述各个子部件的结构和功能来进一步描述各主要部件.从前面的论述,我们可以看到,该书采用自下而上的方法来描述这种计,而性能设计对任何计算机体系结构知识点的论述均没有超出量化方法和软硬件界面.另外,软硬件界面和量化方法对流水线78 计算机教育 2004.7层次化组织,对现代计算机的组成和体系结构给出了全面的介绍,特别是着重强调基本
