1. 計(jì)算機(jī)組成原理課程在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的位置

圖1描述了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)抽象層的轉(zhuǎn)換。從圖1可以看出，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由不同的抽象層構(gòu)成，“計(jì)算”的過程就是不同抽象層轉(zhuǎn)換的過程，上層是下層的抽象，而下層則是上層的具體實(shí)現(xiàn)。

“計(jì)算機(jī)組成”課程涉及的內(nèi)容主要位于圖1中寄存器傳送層（RTL）以上的微結(jié)構(gòu)和ISA層次，介于軟件和底層硬件電路之間的交界面上，屬于整個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)科和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的基礎(chǔ)核心內(nèi)容。該課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，所涉及的內(nèi)容除了與數(shù)字邏輯電路、嵌入式系統(tǒng)等偏硬件類課程有直接關(guān)聯(lián)外，還與操作系統(tǒng)、編譯程序、高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)等軟件方面的課程密切相關(guān)。因而，在整個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)中，該課程起著重要的承上啟下的作用。

目前，國內(nèi)高校的課程設(shè)置通常是先開設(shè)一門“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論”或“計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論”之類的入門課程，這些課程或者是內(nèi)容太散太多、沒有系統(tǒng)性（只是所有大學(xué)課程內(nèi)容的簡單羅列），或者是偏離計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而側(cè)重于可計(jì)算理論方面的內(nèi)容，僅通過學(xué)習(xí)這類入門課程，學(xué)生還不能夠很好地建立起完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整機(jī)概念，也無法深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各抽象層的等價(jià)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

對于與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心內(nèi)容相關(guān)的課程，通常是在低年級(jí)先開設(shè)最上層的“高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)”和最下層的“數(shù)字邏輯電路”課程，隨后開設(shè)中間層的“計(jì)算機(jī)組成”課程，然后是其上層的“操作系統(tǒng)”、“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”和“編譯技術(shù)”等。顯然，對于最上層“高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)”和最下層“數(shù)字邏輯電路”的教學(xué)，因?yàn)樗鼈冊谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)層次中相距較遠(yuǎn)，很難把它們相互聯(lián)系在一起，都只能限定在各自局部層次中進(jìn)行教學(xué)。在學(xué)習(xí)“高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)”時(shí)，學(xué)生無法在程序與機(jī)器指令以及機(jī)器結(jié)構(gòu)之間建立關(guān)聯(lián)，因而，對程序設(shè)計(jì)中的許多問題只能一知半解，甚至有些問題根本就無法理解。

同樣，在學(xué)習(xí)“數(shù)字邏輯電路”時(shí)，也很難讓學(xué)生把邏輯電路與機(jī)器指令以及機(jī)器結(jié)構(gòu)建立關(guān)聯(lián)，更不用說能夠明白邏輯電路和程序之間的關(guān)系了。在“計(jì)算機(jī)組成”課程教學(xué)時(shí)，如果把僅它當(dāng)成一門純硬件課程，僅將課程內(nèi)容限定在ISA和微體系結(jié)構(gòu)層，那么，學(xué)生還是不能把程序、指令、機(jī)器結(jié)構(gòu)和邏輯電路等關(guān)聯(lián)起來，原來需要建立課程之間的關(guān)聯(lián)才能明白的很多重要問題還是無法弄清楚，因此，不能把“計(jì)算機(jī)組成”當(dāng)成一門純硬件課程，需要將它的內(nèi)容與“高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)”和“數(shù)字邏輯電路”課程的內(nèi)容關(guān)聯(lián)起來。同樣，“計(jì)算機(jī)組成”和后續(xù)的“操作系統(tǒng)”、“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”和“編譯技術(shù)”等課程也是密切相關(guān)的，如果能夠在教學(xué)過程中，把它們之間的關(guān)聯(lián)描述清楚，那么將會(huì)為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

“計(jì)算機(jī)組成”課程在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程鏈中處于中心位置，該課程教學(xué)效果的好壞，對于學(xué)生建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整機(jī)概念和培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用能力是至關(guān)重要的。該課程應(yīng)起“粘合劑”的作用，在其教學(xué)過程中應(yīng)將計(jì)算機(jī)軟件和硬件有機(jī)結(jié)合，應(yīng)站在高級(jí)語言程序員的角度來理解計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過為程序員描述底層機(jī)器級(jí)行為來把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)抽象層聯(lián)系起來。

本文將詳細(xì)闡述“計(jì)算機(jī)組成”與其他相關(guān)課程之間的關(guān)聯(lián)，其中，第2節(jié)介紹該課程與“高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)”課程之間的關(guān)聯(lián)；第3節(jié)介紹該課程與“數(shù)字邏輯電路”和“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程之間的關(guān)聯(lián)；第4節(jié)和第5節(jié)分別介紹該課程與“操作系統(tǒng)”和“編譯技術(shù)”課程之間的關(guān)聯(lián)。

2 與高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)課程的關(guān)聯(lián)

高級(jí)語言程序必須轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言目標(biāo)代碼才能在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行，其執(zhí)行結(jié)果雖然由高級(jí)語言語句和所處理的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)的值來決定，但是，歸根到底還是由執(zhí)行程序的計(jì)算機(jī)的低層機(jī)器級(jí)行為來決定的。程序員如果能夠很好地了解計(jì)算機(jī)低層機(jī)器級(jí)行為特征，了解高級(jí)語言中數(shù)據(jù)、運(yùn)算、語句、(子)過程和文件操作等在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，那么，就可以編制出高效的程序，并在程序調(diào)試、性能提升、程序移植和健壯性等方面成為編程高手。因此，“計(jì)算機(jī)組成”課程內(nèi)容可作為“高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)”課程的深入內(nèi)容。

具體來說，在以下課程內(nèi)容中可以與高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容建立關(guān)聯(lián)。

2.1數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算

數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算是“計(jì)算機(jī)組成”課程中的基本內(nèi)容，傳統(tǒng)上在該課程中僅介紹各類定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的編碼表示，非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼表示，以及相應(yīng)的各種算術(shù)運(yùn)算算法及其運(yùn)算電路，而很少把這些內(nèi)容與高級(jí)語言程序中處理的數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)，而事實(shí)上高級(jí)語言程序中的數(shù)據(jù)就是該課程中所介紹的數(shù)據(jù)，只是從不同角度看到的數(shù)據(jù)的屬性不同罷了。例如，C語言程序中unsigned型數(shù)據(jù)就是定點(diǎn)二進(jìn)制數(shù)，int型數(shù)據(jù)就是定點(diǎn)補(bǔ)碼整數(shù)，float和double型數(shù)據(jù)就是IEEE 754單精度和雙精度浮點(diǎn)數(shù)；C語言中支持的各種運(yùn)算就是該課程中所介紹的運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)的；各種數(shù)據(jù)類型的位數(shù)就是定、浮點(diǎn)數(shù)編碼的位數(shù)。由于計(jì)算機(jī)中運(yùn)算數(shù)據(jù)通路寬度和其他底層機(jī)器結(jié)構(gòu)的限制，使得高級(jí)語言程序在進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換或特定運(yùn)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些意外結(jié)果[3]37-38,45-47,74-75，如果不把高級(jí)語言程序中的數(shù)據(jù)及其運(yùn)算與低層機(jī)器結(jié)構(gòu)及機(jī)器級(jí)數(shù)據(jù)的表示建立關(guān)聯(lián)，則很難理解為何會(huì)發(fā)生這些意外結(jié)果。

圖2是CMU CS213課程]的第一講講義中的一張幻燈片，它說明在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中int型數(shù)據(jù)不是現(xiàn)實(shí)世界中的整數(shù)，浮點(diǎn)數(shù)也不是現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)數(shù)，例如，對于現(xiàn)實(shí)世界中任意一個(gè)整數(shù)或?qū)崝?shù)x，都有xx≥0，但是，在計(jì)算機(jī)中，某些int型數(shù)據(jù)并不滿足這個(gè)結(jié)論，例如，當(dāng)x=50000時(shí)，結(jié)果會(huì)得出xx≤0的結(jié)論。再例如，在現(xiàn)實(shí)世界中，整數(shù)和實(shí)數(shù)都滿足結(jié)合律，但是，在計(jì)算機(jī)中，某些浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算時(shí)就不滿足結(jié)合律，如當(dāng)x=1e20，y=-1e20，z=3.14時(shí)，(x+y)+z=3.14，而x+(y+z)=0，兩者不等。

如果在教學(xué)中除了介紹編碼表示以外，還把編碼表示與程序設(shè)計(jì)中遇到的問題結(jié)合起來，相信學(xué)生會(huì)得到更多的收益，也會(huì)對“計(jì)算機(jī)組成”課程的學(xué)習(xí)更感興趣。

同樣，在講述數(shù)據(jù)存放方式時(shí)，也可把大端/小端方式與具體程序及指令相關(guān)聯(lián)。程序開發(fā)中經(jīng)常需要將二進(jìn)制代碼顯示出來以對程序進(jìn)行調(diào)試，程序員根據(jù)數(shù)據(jù)是按小端還是大端存放，就能通過二進(jìn)制代碼還原數(shù)據(jù)的真值。同樣，程序中的數(shù)據(jù)也涉及到是對齊還是不對齊存放的問題，在編譯器設(shè)置的數(shù)據(jù)對齊方式、高級(jí)語言程序中變量的地址（指針）、指令執(zhí)行時(shí)的訪存處理過程以及內(nèi)存模塊（內(nèi)存條）的組織結(jié)構(gòu)之間建立關(guān)聯(lián)，可以讓學(xué)生從一個(gè)對齊存放的小問題中去深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各層次之間的關(guān)聯(lián),而且有了這些認(rèn)識(shí)后，可以在程序設(shè)計(jì)和程序調(diào)試時(shí)注意因?yàn)閿?shù)據(jù)對齊而出現(xiàn)的意想不到的結(jié)果。

2.2 Cache的基本原理

Cache的基本原理是“計(jì)算機(jī)組成”課程中重要的內(nèi)容。對這一部分的教學(xué)，傳統(tǒng)上通常就介紹一下Cache的基本原理和訪問局部性，然后介紹三種映射方式和替換算法以及寫策略問題。實(shí)際上，高級(jí)語言程序與Cache之間有非常緊密的聯(lián)系[3]149-151。雖然從程序員角度來說，編程過程中根本感覺不到Cache的存在，Cache對程序員來說是透明的，但是，由于程序訪問的局部性特點(diǎn)，使得引入Cache后可以保證其命中率非常高，從而在絕大多數(shù)情況下可以只訪問高速的Cache而使CPU訪存速度加快，因此，程序設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮訪問局部性對程序的性能是至關(guān)重要的，要做一名高水平的程序員必須深刻理解Cache機(jī)制。

因?yàn)镃ache對程序員透明，所以在程序設(shè)計(jì)課程中肯定不會(huì)涉及到Cache問題。如果在“計(jì)算機(jī)組成”課程中又不將Cache與程序設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)的話，學(xué)生就不知道在編程時(shí)要考慮局部性，從而可能編寫出局部性很差的程序，極大降低程序執(zhí)行性能。

圖3是CMU CS213課程的第一講講義中的一個(gè)例子，說明了求轉(zhuǎn)置矩陣的兩種具有同樣代碼量的不同實(shí)現(xiàn)方式，因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)訪問的局部性的不同，它們的性能在pentium 4上測試的結(jié)果相差21倍左右。

圖3中左邊的程序按照數(shù)組元素在內(nèi)存的存放順序進(jìn)行訪問，因而具有很好的空間局部性，而右邊的程序跳躍式訪問數(shù)組元素，因而空間局部性很差，在其他條件完全一樣的情況下，僅僅因?yàn)榭臻g局部性的不同就導(dǎo)致了20多倍的性能差異。相信學(xué)生通過學(xué)習(xí)這樣的例子，會(huì)對Cache與程序設(shè)計(jì)之間的關(guān)系產(chǎn)生深刻的印象，如果再進(jìn)一步對該例中每個(gè)數(shù)組元素的訪存過程進(jìn)行詳細(xì)講解，那么，對于Cache的工作原理以及訪問局部性和Cache之間的關(guān)系等原先很難理解的比較抽象的問題，就變得很容易理解了。

實(shí)際上，在高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)中很多情況下都存在如何開發(fā)訪問局部性的問題，也有很多程序例子可以用于分析訪問局部性和程序性能之間的關(guān)系，從而更好地理解Cache基本原理。

2.3虛擬地址空間劃分

虛擬存儲(chǔ)器是“計(jì)算機(jī)組成”課程中的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)教學(xué)只會(huì)介紹虛擬存儲(chǔ)器的基本概念、頁表和頁表項(xiàng)，以及頁式、段式和段頁式三種存儲(chǔ)管理方式，很少把虛擬存儲(chǔ)器與程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行關(guān)聯(lián)，因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的時(shí)候，會(huì)感到太抽象而不容易理解。例如，對于邏輯地址(即虛擬地址)，通常定義為“用戶編制程序時(shí)所使用的地址”，對于虛擬地址空間，通常解釋為“程序員編寫程序時(shí)所用的統(tǒng)一的地址空間，每個(gè)程序都有相同的地址空間”，除此之外不會(huì)有更多的解釋，這對于學(xué)生來說是很難理解的。他們雖然能使用高級(jí)語言編制程序，也許還學(xué)過如何使用匯編語言編制程序，但是從這些經(jīng)驗(yàn)里面，他們并不能明白編制程序所使用的地址是什么。

因?yàn)楦呒?jí)語言在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中屬于操作系統(tǒng)以上的抽象層，高級(jí)語言程序中所使用的地址，不管是代碼的地址還是數(shù)據(jù)的地址，對應(yīng)用程序員（即上述“邏輯地址”定義中的用戶）來說都是感覺不到的；匯編語言雖然在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中屬于較低抽象層，匯編語言程序員可以為代碼段和數(shù)據(jù)段定義地址，但是這個(gè)地址并不是我們所說的虛擬地址，因此，即便是學(xué)生有用匯編語言編寫程序的經(jīng)驗(yàn)，也無法正確理解“用戶編制程序時(shí)所用的地址”這樣的概念。

正確理解“虛擬地址”這個(gè)概念，對于虛擬存儲(chǔ)器整個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)是至關(guān)重要的。將虛擬地址空間的劃分和程序設(shè)計(jì)中的相關(guān)概念建立關(guān)聯(lián)[3]174-175，有助于學(xué)生理解“虛擬地址”概念，對于“所有程序使用相同的地址空間”這句話也就很好理解了，而且，對于學(xué)生進(jìn)一步理解程序設(shè)計(jì)中涉及到的變量的作用域和壽命等問題也有很大幫助。

圖4是在Linux操作系統(tǒng)下hello程序的一個(gè)進(jìn)程對應(yīng)的虛擬地址空間映像，通過對虛擬地址空間與hello程序各部分之間的對應(yīng)關(guān)系的說明，可以將很多相關(guān)概念關(guān)聯(lián)起來，從而使學(xué)生能夠比較容易地理解許多深層次的問題。

圖 4 hello程序?qū)?yīng)的Linux虛擬地址空間映像

首先，通過圖4可以簡要解釋程序開發(fā)過程中編譯鏈接環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)以及程序裝入過程，為學(xué)生對整個(gè)程序開發(fā)和裝入運(yùn)行過程的理解提供必要的基本知識(shí)，也為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器管理打下基礎(chǔ)。

其次，通過圖4還可以讓學(xué)生理解“程序”和“進(jìn)程”的本質(zhì)差別，hello程序是指在磁盤上的hello可執(zhí)行文件，而一旦通過操作系統(tǒng)“裝載程序”在虛擬地址空間中建立了圖4所示的存儲(chǔ)映像，hello程序就成為了“進(jìn)程”。

第三，通過圖4可以讓學(xué)生理解操作系統(tǒng)內(nèi)核空間和用戶空間的差別，理解為什么每個(gè)進(jìn)程的用戶空間的范圍和大小總是一樣的，例如圖4中顯示的用戶空間總是在0到0xc0000000之間的區(qū)間，每個(gè)用戶進(jìn)程的空間都一樣。

第四，通過圖4可以更好地理解用戶空間中的靜態(tài)區(qū)和動(dòng)態(tài)區(qū)的概念，從而更加深刻理解程序設(shè)計(jì)課程所學(xué)習(xí)過的變量的作用域和壽命的概念。如圖4所示，全局靜態(tài)變量全部分配在只讀數(shù)據(jù)或可讀寫數(shù)據(jù)區(qū)，這兩個(gè)區(qū)域是靜態(tài)區(qū)，不會(huì)被動(dòng)態(tài)覆蓋，因而只要進(jìn)程存在，變量的空間就一直存在，所以它們具有“全局壽命”；而局部動(dòng)態(tài)變量分配在用戶棧區(qū)，用戶棧是由過程調(diào)用中每個(gè)過程對應(yīng)的“棧幀”不斷地動(dòng)態(tài)生長和消退而形成的[3]216-223（這個(gè)概念在本課程其他相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的講解時(shí)建立），因而這類變量的作用域僅局限在所在過程或函數(shù)內(nèi)，并且僅具有限于所在過程或函數(shù)的“局部壽命”。

第五，通過圖4也能使學(xué)生更好地理解存儲(chǔ)保護(hù)中地址越界和訪問越權(quán)的概念。可以看出，為了便于存儲(chǔ)保護(hù)，圖4所示的虛擬空間中，程序中的只讀數(shù)據(jù)和所有代碼存放在一起，它們具有“不可寫”的特性，可讀寫的靜態(tài)數(shù)據(jù)占用固定的區(qū)域，它們具有“可讀可寫”的特性。這為在后續(xù)“操作系統(tǒng)”課程中學(xué)習(xí)相應(yīng)內(nèi)容打下了基礎(chǔ)。

第六，通過圖4可以幫助學(xué)生理解程序設(shè)計(jì)課程中與用戶空間的動(dòng)態(tài)分配與釋放相關(guān)的函數(shù)的功能，并且可以了解到虛擬空間中低地址向高地址增長的堆區(qū)就是動(dòng)態(tài)分配的空間，這些對學(xué)生在后續(xù)“操作系統(tǒng)”課程中學(xué)習(xí)相應(yīng)的存儲(chǔ)管理內(nèi)容會(huì)起到重要的作用，也使學(xué)生對存儲(chǔ)器泄漏問題的實(shí)質(zhì)有更清楚的認(rèn)識(shí)。

2.4指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)

指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最核心的抽象層，位于軟件和硬件交界面，因此，指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)是“計(jì)算機(jī)組成”課程中最核心的內(nèi)容。傳統(tǒng)上這部分教學(xué)著重介紹指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及的指令格式、操作碼編碼、操作類型和尋址方式問題，而不提及指令系統(tǒng)與高級(jí)語言之間的關(guān)系，事實(shí)上，高級(jí)語言程序作為指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，它們之間是密切相關(guān)的，高級(jí)語言處理的數(shù)據(jù)及其運(yùn)算就是指令中的數(shù)據(jù)及其運(yùn)算，高級(jí)語言語句的實(shí)現(xiàn)就是若干條指令構(gòu)成的指令序列的實(shí)現(xiàn)，因此，指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要從如何滿足高級(jí)語言中數(shù)據(jù)及其運(yùn)算以及各類語句功能的需要出發(fā)，從如何解決高級(jí)語言功能的問題入手來講解指令系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

例如，要有效實(shí)現(xiàn)選擇結(jié)構(gòu)語句需要提供哪些指令？要有效實(shí)現(xiàn)循環(huán)語句需要提供哪些指令？提供什么樣的尋址方式可以方便實(shí)現(xiàn)循環(huán)體中數(shù)組元素的訪問？要實(shí)現(xiàn)高級(jí)語言中的過程（函數(shù)）調(diào)用需要提供哪些指令以及什么樣的寄存器使用協(xié)議？過程調(diào)用時(shí)用戶棧中每個(gè)過程的棧幀的結(jié)構(gòu)如何規(guī)定？所有這些都是指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，如果講解指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容時(shí)不從上述這些問題出發(fā)，則學(xué)生基本上是只知其然而不知其所以然，了解的只是有關(guān)指令系統(tǒng)的一點(diǎn)皮毛，這樣的教學(xué)對學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)所起的作用不大。

3 與數(shù)字邏輯電路和體系結(jié)構(gòu)課程的關(guān)聯(lián)

通常，“數(shù)字邏輯電路”在“計(jì)算機(jī)組成”之前開設(shè)，而“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”則在“計(jì)算機(jī)組成”后面開設(shè)，這三門課程的內(nèi)容位于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中同一層或相鄰層，它們之間存在較大關(guān)聯(lián)。

“計(jì)算機(jī)組成”與“數(shù)字邏輯電路”之間的關(guān)聯(lián)，基本上貫穿所有涉及到微體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，例如，寄存器（組）、加法器、ALU、乘法器、除法器、BCD碼加法器、存儲(chǔ)器基本電路、數(shù)據(jù)通路、控制器、I/O接口電路等，這些功能部件及其定時(shí)設(shè)計(jì)都基于數(shù)字邏輯電路基本原理，因而兩門課程內(nèi)容銜接很自然。不過，“計(jì)算機(jī)組成”與“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程之間的關(guān)聯(lián)目前還存在很多問題，一方面兩門課重復(fù)內(nèi)容較多，另一方面兩門課又有一些內(nèi)容沒有銜接好。
在和“數(shù)字邏輯電路”及“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程的關(guān)聯(lián)方面，“計(jì)算機(jī)組成”課程需要在下面幾個(gè)內(nèi)容教學(xué)時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。

3.1基本運(yùn)算部件

半加器、全加器和無符號(hào)加法器的內(nèi)容應(yīng)該是“數(shù)字邏輯電路”中的主要內(nèi)容，包括像SN74181芯片和SN74182芯片等介紹都不應(yīng)作為”計(jì)算機(jī)組成”課程的主要內(nèi)容。特別是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中的CPU已經(jīng)集成了像Cache這樣的高速緩存，并且內(nèi)含了多個(gè)核處理器，已經(jīng)早就不需要通過用SN74181和SN74182類似芯片級(jí)聯(lián)形成CPU了，如果在課程教學(xué)中涉及到SN74181和SN74182等芯片及其級(jí)聯(lián)等內(nèi)容的話，其意義僅在于讓學(xué)生了解現(xiàn)代CPU中是如何用快速的先行進(jìn)位方式來實(shí)現(xiàn)加法器的，而不需要讓學(xué)生了解如何進(jìn)行芯片級(jí)聯(lián)，更不能讓學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，以為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的CPU是由芯片級(jí)聯(lián)形成。

3.2 CPU的組織結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)上有關(guān)CPU組織的內(nèi)容都是以總線式CPU作為模型機(jī)來進(jìn)行講解的，有的是單總線結(jié)構(gòu)模型，有的是雙總線或三總線結(jié)構(gòu)CPU模型，這樣的模型機(jī)實(shí)際上都不能反映現(xiàn)實(shí)技術(shù)，現(xiàn)代CPU中指令的執(zhí)行都采用高級(jí)流水線技術(shù)，而總線式CPU連最基本的指令流水線都無法實(shí)現(xiàn)，而且指令的執(zhí)行總是需要多個(gè)時(shí)鐘周期才能完成，相應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)也比現(xiàn)實(shí)更復(fù)雜，因此這些內(nèi)容的傳授，并沒有讓學(xué)生了解到CPU的真實(shí)結(jié)構(gòu)，也無助于培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行CPU設(shè)計(jì)的能力，更沒有為后續(xù)高級(jí)課程的學(xué)習(xí)打下必要的基礎(chǔ)，與“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程內(nèi)容之間存在較大鴻溝，學(xué)生無法從總線式CPU結(jié)構(gòu)一下子跳躍到“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程中的高級(jí)流水線CPU結(jié)構(gòu)。

為了與“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”能夠很好地銜接和關(guān)聯(lián)，“計(jì)算機(jī)組成”課程中需要細(xì)化指令流水線的執(zhí)行過程，為此，需要在講解指令流水線之前給出單周期數(shù)據(jù)通路及其控制器的結(jié)構(gòu)，然后在單周期處理器的基礎(chǔ)上給出流水線處理器的結(jié)構(gòu)，再在流水線處理器中分析一個(gè)指令序列中的各指令在指令流水線中每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)過程，從而為理解指令流水線執(zhí)行時(shí)可能的冒險(xiǎn)現(xiàn)象以及解決流水線冒險(xiǎn)的處理方法打下良好的基礎(chǔ)。

3.3 數(shù)據(jù)通路的定時(shí)

對于數(shù)據(jù)通路的定時(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)都會(huì)提到CPU的三級(jí)時(shí)序信號(hào)系統(tǒng)和機(jī)器周期的概念，事實(shí)上這些概念都是在引入Cache之前的處理器設(shè)計(jì)中所用的，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中它們是過時(shí)的一些知識(shí)點(diǎn)，不應(yīng)該作為其主要內(nèi)容，最多只能作為歷史性或過渡性介紹內(nèi)容。傳統(tǒng)教學(xué)中很少有對現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)通路定時(shí)方式的介紹，而這個(gè)內(nèi)容卻是非常重要的，它是學(xué)生理解時(shí)鐘周期和主頻以及計(jì)算機(jī)性能等內(nèi)容的基礎(chǔ)，需要在教學(xué)中增加這部分內(nèi)容。

3.4 微程序控制器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)教學(xué)中通常把微程序控制器設(shè)計(jì)的內(nèi)容作為重要的部分來講，但是，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中即使是CISC處理器，其微體系架構(gòu)也都采用RISC思想，將指令轉(zhuǎn)換為類似RISC指令的微操作來實(shí)現(xiàn)，因此那種與復(fù)雜指令對應(yīng)的微程序的設(shè)計(jì)應(yīng)該變得不重要了。

4 與操作系統(tǒng)課程的關(guān)聯(lián)

“操作系統(tǒng)”是“計(jì)算機(jī)組成”的后續(xù)課程。因?yàn)椤安僮飨到y(tǒng)”主要內(nèi)容是如何管理計(jì)算機(jī)中的資源，而“計(jì)算機(jī)組成”課程所介紹的正好就是這些計(jì)算機(jī)中的資源，如CPU、存儲(chǔ)器和I/O，而且操作系統(tǒng)需要通過硬件提供的特權(quán)指令直接對硬件底層進(jìn)行控制和處理,因而這兩門課程內(nèi)容之間存在非常密切的關(guān)聯(lián)。

這兩門課程之間的關(guān)聯(lián)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1 異常和中斷處理

異常和中斷是打斷用戶進(jìn)程正常執(zhí)行的兩大類事件，它們的發(fā)生會(huì)引起CPU從執(zhí)行用戶進(jìn)程的用戶模式轉(zhuǎn)入執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)程的內(nèi)核模式。有關(guān)中斷和異常的概念在兩門課程中都是重點(diǎn)內(nèi)容，因?yàn)閮砷T課程都涉及到同樣的內(nèi)容，所以，需要對學(xué)生交代清楚：對“計(jì)算機(jī)組成”和“操作系統(tǒng)”來說應(yīng)該各自關(guān)注哪些方面，也就是要在這兩門課程之間給出一個(gè)比較清晰的接口，讓學(xué)生明確整個(gè)異常和中斷機(jī)制中哪些是需要硬件實(shí)現(xiàn)的功能，哪些是需要操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。

目前在“計(jì)算機(jī)組成”課程傳統(tǒng)教學(xué)中，基本上沿用Intel 8086/8088中的說法，把內(nèi)部異常(exception)和外部中斷(Interrupt)統(tǒng)稱為中斷，并把中斷處理的相關(guān)內(nèi)容基本上都放到輸入/輸出系統(tǒng)部分進(jìn)行講解。在對異常和中斷部分的教學(xué)過程中，基本不會(huì)提到與操作系統(tǒng)及CPU運(yùn)行模式等內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，很少關(guān)注內(nèi)部異常和外部中斷之間的本質(zhì)差別，特別是沒有把有關(guān)異常和中斷的檢測及響應(yīng)過程放到指令執(zhí)行過程中去講解，因而學(xué)生很難理解隱指令的本質(zhì)含義，很難理解“異常和中斷的檢測與響應(yīng)由硬件執(zhí)行”這句話的實(shí)際含義，更無法理解指令流水線中的異常和中斷機(jī)制以及精確中斷和非精確中斷的含義。因?yàn)椤坝?jì)算機(jī)組成”課程的傳統(tǒng)教學(xué)中,沒有引入CPU運(yùn)行模式的概念，所以學(xué)生無法得到對很多關(guān)鍵問題的正確認(rèn)識(shí)，例如，異常和中斷如何引起CPU模式的切換？硬件需要為此提供哪些機(jī)制？硬件和操作系統(tǒng)之間是如何協(xié)調(diào)處理異常和中斷的？中斷(異常)返回指令與過程返回指令功能的差別以及它們各自在數(shù)據(jù)通路中的執(zhí)行過程是什么？

本文認(rèn)為，為了更好地與操作系統(tǒng)中相應(yīng)內(nèi)容銜接，在“計(jì)算機(jī)組成”課程中應(yīng)該增加或強(qiáng)化以下內(nèi)容：嚴(yán)格區(qū)分內(nèi)部異常和外部中斷，并將內(nèi)部異常的內(nèi)容放在對CPU數(shù)據(jù)通路和控制器進(jìn)行介紹的部分，通過分析具體指令執(zhí)行過程中可能的異常事件來強(qiáng)化內(nèi)部異常的概念，并通過例子來說明異常響應(yīng)過程的具體操作，同時(shí)引入CPU運(yùn)行模式，將異常響應(yīng)過程與模式切換結(jié)合起來，在操作系統(tǒng)課程教學(xué)時(shí)再重溫回顧這部分內(nèi)容并細(xì)化操作系統(tǒng)內(nèi)核中相應(yīng)的處理細(xì)節(jié)，這樣，學(xué)生可以非常清晰地了解整個(gè)過程，包括相關(guān)的硬件和軟件部分。
對于異常和中斷，“計(jì)算機(jī)組成”和“操作系統(tǒng)”兩門課程各自的側(cè)重點(diǎn)不同，前者應(yīng)更側(cè)重于異常和中斷的識(shí)別檢測及響應(yīng)，對異常和中斷處理只要簡單提一下框架即可，而后者更側(cè)重于異常和中斷的處理，特別是針對不同異常類型和不同設(shè)備中斷的處理流程以及處理前的準(zhǔn)備工作流程和處理后的恢復(fù)及返回工作流程。

4.2 虛擬存儲(chǔ)器機(jī)制

“計(jì)算機(jī)組成”和“操作系統(tǒng)”課程中都涉及到虛擬存儲(chǔ)器，傳統(tǒng)教學(xué)在這兩門中所講的內(nèi)容很多都是重復(fù)的，例如，兩門課程都會(huì)講三種虛擬管理方式，地址轉(zhuǎn)換、頁表和頁表項(xiàng)、TLB等，如果不特別強(qiáng)調(diào)硬件和操作系統(tǒng)各自在實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)機(jī)制中的角色，就會(huì)給學(xué)生帶來困惑，不知道哪些內(nèi)容屬于硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的，哪些是操作系統(tǒng)需要考慮的。

在“計(jì)算機(jī)組成”課程傳統(tǒng)教學(xué)中，很少提及操作系統(tǒng)是如何介入虛擬存儲(chǔ)管理機(jī)制的，而在“操作系統(tǒng)”課程教學(xué)中也很少明確告訴學(xué)生在虛擬存儲(chǔ)管理中硬件和操作系統(tǒng)之間的接口在哪里，學(xué)生很難建立“地址轉(zhuǎn)換是由CPU在執(zhí)行指令時(shí)完成的”這樣的概念，也很難明白“操作系統(tǒng)可借助于一種特殊的異常事件—缺頁來介入虛擬存儲(chǔ)管理”，更不容易明白“TLB缺失處理可以用軟件實(shí)現(xiàn)也可以用硬件實(shí)現(xiàn)”的道理。而上述這些都是關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的非常重要的內(nèi)容。

在關(guān)于虛擬存儲(chǔ)器內(nèi)容的教學(xué)中，正如本文2.3節(jié)中所述，首先要講清楚虛擬地址空間的概念，然后，在此基礎(chǔ)上把虛擬存儲(chǔ)管理中最重要的“按需分頁”的基本思想說清楚，從而引入頁表和頁表項(xiàng)的概念，最后把地址轉(zhuǎn)換放到一條指令的執(zhí)行過程中來介紹，以強(qiáng)化地址轉(zhuǎn)換是由硬件執(zhí)行這樣的概念，在介紹地址轉(zhuǎn)換過程時(shí)，再把硬件與操作系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)講清楚。讓學(xué)生明白“缺頁”、“地址越界”和“訪問越權(quán)”等需要操作系統(tǒng)介入的異常事件是由CPU在執(zhí)行指令過程中進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)現(xiàn)的，這些事件是與存儲(chǔ)管理相關(guān)的異常事件，像上述4.1節(jié)所述，在遇到這些異常事件時(shí)，會(huì)發(fā)生CPU執(zhí)行模式的切換，使CPU從執(zhí)行用戶進(jìn)程的用戶態(tài)轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)執(zhí)行，在內(nèi)核態(tài)中CPU可以執(zhí)行特權(quán)指令并訪問操作系統(tǒng)內(nèi)核存儲(chǔ)區(qū)，因而通過把頁表保存在操作系統(tǒng)內(nèi)核地址空間，操作系統(tǒng)內(nèi)核就可更新頁表，并防止用戶進(jìn)程改變頁表，從而確保用戶進(jìn)程只能訪問由OS分配給的用戶地址空間。

通過將虛擬存儲(chǔ)管理與指令執(zhí)行關(guān)聯(lián)起來講解可以非常具體地說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件和操作系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)完成特定任務(wù)的過程。

同樣，介紹TLB工作原理時(shí)也可以與指令的執(zhí)行過程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生了解TLB缺失也是由CPU在執(zhí)行指令過程中進(jìn)行進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)現(xiàn)的，如果用硬件實(shí)現(xiàn)對TLB缺失的處理，那么就像Cache缺失處理一樣，CPU凍結(jié)當(dāng)前指令的執(zhí)行時(shí)序，即當(dāng)前正在執(zhí)行的指令被阻塞，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的缺失處理控制邏輯去執(zhí)行，結(jié)束后再回到當(dāng)前被凍結(jié)的指令進(jìn)行執(zhí)行；如果用軟件實(shí)現(xiàn)對TLB缺失的處理，那么就像缺頁處理一樣，會(huì)引起CPU執(zhí)行模式的切換，調(diào)出操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行相應(yīng)處理。

4.3 系統(tǒng)控制類指令的設(shè)計(jì)

在“計(jì)算機(jī)組成”課程中講解指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，都會(huì)提到指令系統(tǒng)中有系統(tǒng)控制類指令，但是對于具體有哪些指令則很少提到。事實(shí)上，這些系統(tǒng)控制類指令主要用于操作系統(tǒng)內(nèi)核程序，并且與機(jī)器底層的控制有關(guān)，例如，操作系統(tǒng)在進(jìn)程切換時(shí)，需要沖刷Cache和TLB，因此，會(huì)有一些與Cache和TLB管理相關(guān)的系統(tǒng)控制類指令；自陷和系統(tǒng)調(diào)用是從用戶態(tài)向核心態(tài)轉(zhuǎn)換的其中一種方式，因此，指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要有自陷指令和系統(tǒng)調(diào)用指令。如果在講到相關(guān)內(nèi)容時(shí)，提一下系統(tǒng)控制類指令與進(jìn)程切換和CPU模式轉(zhuǎn)換等的關(guān)系，也可以為學(xué)生學(xué)好操作系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。

4.4 輸入/輸出系統(tǒng)

在“計(jì)算機(jī)組成”課程中，通常會(huì)有一個(gè)專門的章節(jié)來介紹I/O系統(tǒng)，而操作系統(tǒng)與I/O系統(tǒng)有著極其密切的關(guān)系。OS在I/O系統(tǒng)方面的職責(zé)主要由I/O系統(tǒng)的三個(gè)特性決定的。

(1)共享性：指I/O系統(tǒng)被處理器執(zhí)行的多個(gè)程序共享，因此I/O系統(tǒng)應(yīng)該由OS統(tǒng)一調(diào)度管理，以保證用戶程序只能訪問自己有權(quán)訪問的那部分I/O設(shè)備，并對共享的I/O資源提供合理的調(diào)度管理，使系統(tǒng)的吞吐率達(dá)到最佳。

(2)復(fù)雜性:指I/O設(shè)備控制的細(xì)節(jié)比較復(fù)雜，不能由上層用戶程序來實(shí)現(xiàn)，需要OS提供專門的驅(qū)動(dòng)程序來控制，以對用戶程序屏蔽設(shè)備控制的細(xì)節(jié)，簡化用戶程序的編寫。

(3)“中斷”式交互性：指外部設(shè)備請求CPU介入時(shí)只能使用中斷方式，請求的目的是希望處理器執(zhí)行專門的輸入/出程序來完成外設(shè)與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換，或希望處理器執(zhí)行像打印機(jī)缺紙這種特殊事件處理程序。像上述4.1節(jié)所述，中斷導(dǎo)致用戶態(tài)向操所系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)移，因此，各種具體的中斷處理過程由OS來實(shí)現(xiàn)。
在操作系統(tǒng)的設(shè)備管理程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和中斷服務(wù)程序中都涉及到關(guān)于I/O設(shè)備、I/O接口和I/O控制方式等內(nèi)容，而這些是“計(jì)算機(jī)組成”課程的基本內(nèi)容，在講解這部分內(nèi)容時(shí)如果能有意識(shí)地說明和操作系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，將會(huì)為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)操作系統(tǒng)課程打下良好基礎(chǔ)。MIT6.004課程[5]（Computation Structures，相當(dāng)于國內(nèi)的計(jì)算機(jī)組成課程）的實(shí)驗(yàn)8設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容很有啟發(fā)性，它非常恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)了“計(jì)算機(jī)組成”和“操作系統(tǒng)”兩個(gè)課程與輸入/輸出系統(tǒng)之間的關(guān)系，對學(xué)生理解用戶是如何從用戶進(jìn)程陷入到操作系統(tǒng)，最終由操作系統(tǒng)內(nèi)核直接控制輸入/輸出設(shè)備這樣的過程很有幫助。

5 與編譯技術(shù)課程的關(guān)聯(lián)

“計(jì)算機(jī)組成”是“編譯技術(shù)”課程的先行課程。因?yàn)榫幾g器的功能是將高級(jí)語言程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器級(jí)程序，而機(jī)器級(jí)程序(即匯編指令序列或機(jī)器指令序列)的相關(guān)內(nèi)容以及執(zhí)行機(jī)器級(jí)程序的機(jī)器的相關(guān)內(nèi)容就是“計(jì)算機(jī)組成”課程講解的主要內(nèi)容，因此，“計(jì)算機(jī)組成”和“編譯技術(shù)”之間也有很大關(guān)聯(lián)。在“計(jì)算機(jī)組成”課程教學(xué)時(shí)，可以在以下幾個(gè)方面與編譯程序建立關(guān)聯(lián)。

5.1 程序的等價(jià)翻譯轉(zhuǎn)換

在“計(jì)算機(jī)組成”第一講中通常會(huì)通過程序功能等價(jià)轉(zhuǎn)換的例子來闡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，在這里可以通過例子讓學(xué)生初步了解編譯程序的概念。然后，在后續(xù)相關(guān)內(nèi)容的講解中，只要遇到用高級(jí)語言程序舉例說明時(shí)，都強(qiáng)調(diào)是經(jīng)過編譯后得到的對應(yīng)機(jī)器級(jí)程序，并強(qiáng)調(diào)選擇哪個(gè)寄存器來存放高級(jí)語言程序變量是編譯器的工作，選擇什么樣的指令序列來實(shí)現(xiàn)特定高級(jí)語言程序功能也是編譯器的工作，由此來強(qiáng)化編譯程序與“計(jì)算機(jī)組成”相關(guān)內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)，潛移默化地強(qiáng)化學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念。

5.2 流水線調(diào)度與編譯優(yōu)化

在“計(jì)算機(jī)組成”課程中涉及到指令流水線設(shè)計(jì)，其中的數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)和控制冒險(xiǎn)的處理以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)流水線調(diào)度等內(nèi)容都與編譯優(yōu)化有關(guān)，在介紹這些內(nèi)容時(shí)，可以通過例子來說明編譯優(yōu)化的概念。因?yàn)樵凇熬幾g技術(shù)”課程中不會(huì)涉及計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，因而這方面的編譯優(yōu)化技術(shù)不可能在這門課中介紹，因此安排在“計(jì)算機(jī)組成”或“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程中講解比較適合。

6 結(jié)語

“計(jì)算機(jī)組成”課程內(nèi)容位于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最核心的中間位置，它對學(xué)生建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念，對培養(yǎng)學(xué)生深刻理解、使用、設(shè)計(jì)和開發(fā)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)起著非常重要的作用。在該課程的教學(xué)過程中，如果能夠很好地把它和高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)課程內(nèi)容建立關(guān)聯(lián)，它將能起到為“高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)”課程解疑答惑的作用，強(qiáng)化學(xué)生在程序調(diào)試、程序性能提升、程序移植和程序健壯性等方面的能力。在與“數(shù)字邏輯電路”和“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程的銜接中，還需要更加合理地安排內(nèi)容，減少重復(fù)的和陳舊的內(nèi)容，增加必要的過渡內(nèi)容。在與“操作系統(tǒng)”課程的關(guān)聯(lián)部分，需要把硬件實(shí)現(xiàn)部分和操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分區(qū)分開來，側(cè)重講清楚硬件實(shí)現(xiàn)部分以及硬件與操作系統(tǒng)之間的接口部分，而把操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的部分留給操作系統(tǒng)課程。在與“編譯技術(shù)”課程的關(guān)聯(lián)中，著重讓學(xué)生了解編譯程序與機(jī)器結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)的密切關(guān)系，并建立編譯優(yōu)化和指令流水線技術(shù)的關(guān)聯(lián)。

作者袁春風(fēng)，南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授。