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新工科背景下的计算机组织与体系结构实践教学
改革
摘 要：面向新工科建设中培养高素质复合型新工科人才要求，围绕计算机组织与体系结构课程的实
践教学体系，从实验平台、实验项目、实验教材和实践教学过程方面介绍课程改革的建设内容，通过
实践效果分析，说明实践教学改革措施的有效性。
关键词：计算机组成；计算机体系结构；实践教学体系
DOI:10.16512/ki.jsjjy.2021.05.018
0 引 言1 计算机组织与体系结构实践教学改革
目标
教育部自2017年提出新工科建设，是基于
科技革命新挑战、产业变革新需求与国家发展目前，国内大部分高校的计算机组织与体
新驱动提出的。新工科专业包括智能制造、云计系结构相关教学内容还是分成了计算机组成原理
算、人工智能、机器人等，用于传统工科专业的和计算机体系结构两个课程，其中，计算机组成
升级改造。相对于传统的工科人才，未来新兴产原理课程的实验大多是以简单的部件级设计（如
业和新经济需要的是实践能力强、创新能力强、CPU、MEM、I/O）为主[7]，很少涉及计算机系
[1-2]
具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。统级性能分析、优化设计等内容；而计算机体系
计算机组织与体系结构课程涵盖计算机组成结构课程的实验一般基于MIPS仿真器，完成流
原理和计算机体系结构两部分内容[3-6]。计算机水线冲突、指令调度、Cache性能分析等[8]。由
组成原理主要以顺序执行为主要特征，从部件到于两门课程的实验平台和实验项目不统一，学生
整机介绍冯·诺依曼结构计算机基本部件的组织也很难将两部分的知识结合起来，深入理解计算
结构和实现，而计算机体系结构则主要从计算机机系统工作过程及其设计和开发过程。为此，对
的系统架构出发，把当前主流的、先进的计算机于计算机组织与体系结构实践教学进行改革，基
设计和实现过程中的一些较为典型的思想和方法于一个统一的实验平台设计贯穿两部分内容的实
提取出来作为教学内容讲授。计算机组织与体系验体系，同时改进实验教材和实践教学过程，对
结构课程内容既有概念抽象难于理解的计算机理于提高学生的学习兴趣和主动性非常重要。
论知识，又具有实践性强的特点。作为一门计算
机工程专业方向的硬件核心课程，计算机组织与2 基于FPGA的自主实验平台
体系结构课程实践教学是实现课程理论与实践相
结合的基础，也是培养学生实践创新能力的重要目前，基于FPGA的硬件电路开发方式已经
环节。成为计算机硬件类工程项目开发的主要模式。通
第5期实践论坛81
过硬件描述语言VHDL，学生可以进行硬件电路工作，如6264存储芯片扩展、可编程通用并行
FPGAI/O8255ALU
的设计和仿真，并可以下载到实际开发板接口芯片、运算器、微程序控制器等。
上，具有非常好的灵活性和可操作性。随着FPGA技术的发展，近年来转变为如何使用硬
计算机系统的硬件结构包括CPU、内存、
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