編程下的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

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摘要：該文分析了基于編程的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，介紹了字節(jié)順序和數(shù)據(jù)對齊、存儲器層次結(jié)構(gòu)與局部性原理、整數(shù)的機(jī)器表示與運(yùn)算、浮點(diǎn)數(shù)的表示與運(yùn)算、DEBUG與機(jī)器指令、C語言程序的機(jī)器級表示等實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。實(shí)踐表明，基于編程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握計(jì)算機(jī)組成原理十分有效。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)；編程；C語言

1引言

計(jì)算機(jī)組成原理課程的主要目標(biāo)是：(1)理解單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。(2)理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識和基本實(shí)現(xiàn)方法。（3）能夠綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問題進(jìn)行計(jì)算、分析，對一些基本部件進(jìn)行簡單設(shè)計(jì);并能對高級程序設(shè)計(jì)語言(如C語言)中的相關(guān)問題進(jìn)行分析[1]。該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程不可缺少的組成部分和重要環(huán)節(jié)，通過理論聯(lián)系實(shí)際，可以加深理解和掌握計(jì)算機(jī)的組成原理，為計(jì)算機(jī)組成原理的具體應(yīng)用打下基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)課與理論課相互作用才能實(shí)現(xiàn)課程的總體目標(biāo)。5年多以前，我們采用一些專門的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)箱）進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)，如：EL-JY-Ⅱ計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開設(shè)了運(yùn)算器、移位運(yùn)算、存儲器讀寫和總線控制、總線控制、微程序控制器原理、微程序設(shè)計(jì)、簡單模型機(jī)組成原理等實(shí)驗(yàn)，對計(jì)算機(jī)組成原理的理論教學(xué)具有一定的幫助，但也存在不少問題，主要有：(1)通過插拔連線、撥動開關(guān)、編制微程序等操作步驟與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行交互完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生普遍對操作過程有興趣，但不少學(xué)生只關(guān)注操作過程，不注意學(xué)習(xí)背后的原理，不能很好地起到鞏固理論教學(xué)內(nèi)容的作用。(2)對于簡單的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生基本上能夠順利完成，但比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)（如：簡單模型機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)）卻很少成功，打擊了不少學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。沒有Cache、浮點(diǎn)數(shù)的表示與運(yùn)算等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。(3)實(shí)驗(yàn)箱數(shù)量相對較少，學(xué)生人數(shù)較多，只能分成多個小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而且實(shí)驗(yàn)箱有時會因故障得不到及時維修，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來很大影響。(4)實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)系統(tǒng)與學(xué)生應(yīng)用開發(fā)的環(huán)境差距很大，學(xué)生很難感受到計(jì)算機(jī)組成原理課程對實(shí)際計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)的作用。為了解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，為了適應(yīng)新時代的教學(xué)需要，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從2015年起開始我們對計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行了改革，緊扣經(jīng)典教材[2]，結(jié)合我們的實(shí)際情況，進(jìn)行了基于編程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，基本思想是通過程序員的視角[3,4,5]來學(xué)習(xí)、理解、掌握計(jì)算機(jī)組成原理,在這幾年的實(shí)踐中對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了不斷修改、補(bǔ)充和完善。實(shí)踐表明，基于編程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有較好的教學(xué)效果，受到學(xué)生的肯定。下文將簡要介紹基于編程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的最新內(nèi)容。

2基于編程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

2.1字節(jié)順序和數(shù)據(jù)對齊

數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的字節(jié)順序一般包括兩種：大端方式和小端方式[2,3]。大端方式是指數(shù)據(jù)的高字節(jié)存放在低地址，低字節(jié)存放高地址，也就是數(shù)據(jù)在內(nèi)存中從高位字節(jié)開始存放。而小端方式則相反，數(shù)據(jù)的低字節(jié)存放在低地址，高字節(jié)存放在高地址，也就是數(shù)據(jù)在內(nèi)存中從低位字節(jié)開始存放。數(shù)據(jù)的大端、小端方式存放順序如圖1中左圖所示。內(nèi)存中數(shù)據(jù)存放方式的驗(yàn)證可以通過調(diào)用圖1中右圖的C語言函數(shù)[3,6]來實(shí)現(xiàn)，將輸出從地址start開始的len個字節(jié)的地址及該地址存放字節(jié)的十六進(jìn)制值。數(shù)據(jù)對齊是指系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始地址值（邊界）能被該數(shù)據(jù)所占字節(jié)數(shù)整除，如C語言中的short類型數(shù)據(jù)占2字節(jié)，要求其起始地址能被2整除，int類型數(shù)據(jù)占4字節(jié)要求其起始地址能被4整除，等等。正是由于這個原因，當(dāng)C語言結(jié)構(gòu)類型數(shù)據(jù)中包含不同類型數(shù)據(jù)成員時，相鄰成員之間地址不一定是連續(xù)的，可能存在“空隙”。數(shù)據(jù)邊界對齊的驗(yàn)證可以通過調(diào)用圖1中右圖的C語言函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)通過編寫、運(yùn)行、調(diào)試C語言程序，幫助學(xué)生理解各種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的字節(jié)順序（大端還是小端），理解各種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的邊界對齊方式，并掌握結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)內(nèi)各成員在內(nèi)存中地址之間的關(guān)系以及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)大小的正確計(jì)算方法（相鄰成員之間地址不一定是連續(xù)的），從而加深對理論教材相關(guān)內(nèi)容的理解，同時也可以對C語言相關(guān)內(nèi)容的溫習(xí)與深化。

2.2存儲器層次結(jié)構(gòu)與局部性原理

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)存儲器采用金字塔層次結(jié)構(gòu)。高速緩存（Cache）至關(guān)重要，可以利用Windows10任務(wù)管理器的性能選項(xiàng)卡（或CPU-Z軟件）查看系統(tǒng)的緩存結(jié)構(gòu)，如圖2所示，如：L緩存、L2緩存、L3緩存容量及特性，如：一級數(shù)據(jù)緩存（大小32KBytes×2,8-waysetassociative,64-bytelinesize）等。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生理解這些參數(shù)的含義，并分析L1緩存分為L1指令緩存和L1數(shù)據(jù)緩存的原因。這些問題在理論教材[2,3,8]中都有詳細(xì)介紹（特別是Cache的工作原理）或說明。通過實(shí)際編程理解程序訪問的局部性（時間和空間局部性）原理對系統(tǒng)性能的影響是本實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)，通過大小可變的二維數(shù)組的不同訪問順序（按行、按列）的C語言程序段[2]與Java程序段的執(zhí)行時間來分析Cache的影響和作用。圖3中左邊是C語言程序段，右邊是Java程序段。二維數(shù)組按行訪問較按列訪問具有良好的空間局部性，Cache命中率更高，按行訪問性能更高，C程序與Java程序運(yùn)行得出的結(jié)論相同。

2.3整數(shù)的機(jī)器表示與運(yùn)算

理論課介紹了機(jī)器數(shù)的定點(diǎn)整數(shù)表示及其算術(shù)運(yùn)算（如移位、加、減、乘、除等），C語言中整數(shù)類型（char、short、int、long）在計(jì)算機(jī)內(nèi)是定點(diǎn)整數(shù)表示，帶符號數(shù)采用補(bǔ)碼表示，無符號（unsigned）整數(shù)則沒有符號位。這部分實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握C語言整數(shù)類型在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示方法與算術(shù)運(yùn)算方法，還應(yīng)注意無符號數(shù)整數(shù)類型和帶符號整數(shù)類型之間運(yùn)算的特殊性，以及機(jī)器整數(shù)運(yùn)算與數(shù)學(xué)中整數(shù)運(yùn)算的差別，如C語言表達(dá)式200*300*400*500的值會溢出，若作為數(shù)學(xué)表達(dá)式則沒有溢出的概念。為了使C語言整數(shù)的表示與運(yùn)算結(jié)果以二進(jìn)制形式輸出，我們設(shè)計(jì)了如圖4所示的兩個C語言函數(shù)show_bits和show_bytes，它們的功能分別是將一個顯示一個字節(jié)的二進(jìn)制代碼（每4位二進(jìn)制加一個空格，以便閱讀）、從高位字節(jié)到低位字節(jié)調(diào)用show_bits顯示整數(shù)對象（也可以是其他類型的對象）的二進(jìn)制表示。

2.4浮點(diǎn)數(shù)的機(jī)器表示與運(yùn)算

理論課還介紹了機(jī)器數(shù)的浮點(diǎn)表示及其算術(shù)運(yùn)算，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，浮點(diǎn)數(shù)的表示則是采用IEEE754標(biāo)準(zhǔn)，它是20世紀(jì)80年代以來最廣泛使用的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算標(biāo)準(zhǔn)，便于計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與協(xié)同工作。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了4種表示浮點(diǎn)數(shù)值的方式，常用的是單精確度（32位）、雙精確度（64位）。C語言的float、double類型通常分別指IEEE單精確度、雙精確度浮點(diǎn)數(shù)，本實(shí)驗(yàn)主要是掌握float、double浮點(diǎn)數(shù)在機(jī)器中的二進(jìn)制表示方法、運(yùn)算方法和運(yùn)算過程。為了使C語言浮點(diǎn)數(shù)的表示及運(yùn)算結(jié)果以二進(jìn)制形式輸出依然調(diào)用圖4中的兩個C語言函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。同時應(yīng)理解IEEE754浮點(diǎn)數(shù)一些特殊值的表示，如：零、非零、1、-1、正無窮、負(fù)無窮的表示等。還要注意理解浮點(diǎn)數(shù)與整數(shù)運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算的區(qū)別，如C語言表達(dá)式3.14+1e20>1e20的值等于0（為假），但在數(shù)學(xué)上該表達(dá)式的值一定為真。2.5DEBUG與機(jī)器指令為了使學(xué)生深入理解理論教材[2]第7章“指令系統(tǒng)”以及第8章“CPU的結(jié)構(gòu)和功能”中“CPU的寄存器”部分的內(nèi)容，我們采用DEBUG（DOS、Windows實(shí)模式下的調(diào)試工具）命令使學(xué)生快速學(xué)習(xí)、理解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中CPU寄存器、機(jī)器指令、尋址方式、堆棧操作、子程序調(diào)用、中斷調(diào)用、I/O端口操作等基本概念，理解機(jī)器語言與匯編語言的對應(yīng)關(guān)系。圖5左圖是利用DEBUG學(xué)習(xí)機(jī)器指令的尋址方式，輸入、保存、調(diào)試程序的過程，右圖為教材表7.2求N個數(shù)平均值程序的具體實(shí)現(xiàn)。通過快速的學(xué)習(xí)和使用DEDUG程序，學(xué)生普遍反映學(xué)會了利用DEBUG編寫、運(yùn)行匯編程序，還獲得意外收獲：“…還可以手工檢查計(jì)算機(jī)病毒，學(xué)習(xí)到了新的技能！”。2.6C語言程序的機(jī)器級表示理論教材[2]第1章中給出了求一元二次多項(xiàng)式a*x*x+b*x+c的機(jī)器語言程序（表1.2），為了理解x86指令集體系結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)對應(yīng)功能以及C語言程序與實(shí)際機(jī)器語言的對應(yīng)關(guān)系，圖6中給出實(shí)現(xiàn)該功能的兩個C語言函數(shù)intSum和float⁃Sum，并在Eclipse+MinGWGCC調(diào)試環(huán)境中利用Windows→ShowView→Disassembly，打開反匯編視圖給出對應(yīng)的反匯編代碼（為了便于分析，圖6對實(shí)際截圖進(jìn)行重排：上面是C語言函數(shù)，下面是對應(yīng)的匯編語言程序）。通過圖6可以看出，兩個函數(shù)中C語言表達(dá)式并沒有優(yōu)化為((a+0)*x+b)*x+c，但在對應(yīng)的匯編語言程序中對表達(dá)式的求值進(jìn)行了優(yōu)化處理，而且由于兩個函數(shù)中變量的數(shù)據(jù)類型不同（int、float），對應(yīng)的機(jī)器指令也不同，如mov、flds、imul、fmuls等。要真正理解這兩段匯編語言程序要結(jié)合上一個實(shí)驗(yàn)，并參考文獻(xiàn)資料進(jìn)行對照分析。

3結(jié)論

上述基于編程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，緊扣教材和教學(xué)總體目標(biāo)，對理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了具體化和深化，使學(xué)生能夠在高級語言程序（如C語言）、匯編語言程序、機(jī)器指令代碼和機(jī)器結(jié)構(gòu)之間建立相互的對應(yīng)關(guān)系，使一些抽象的概念變成看得見的具體數(shù)據(jù)。最近幾學(xué)期（從前往后）學(xué)生學(xué)期平均成績、及格率依次為：63.545、72.235%；65.915、77.405%；76.37、98.39%；71.5、83.83%。最后一組數(shù)據(jù)是本學(xué)期的情況，由于受到疫情影響，理論課在線上完成，實(shí)驗(yàn)課則在線下分組完成。可以看出，教學(xué)質(zhì)量總體上在逐步提高，這種教學(xué)改革實(shí)踐也受到學(xué)生的肯定：“課堂內(nèi)容充實(shí)，簡單明了，使學(xué)生能夠輕輕松松掌握知識”。我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革還在不斷探索過程中，還存在不少問題，如如何更好地讓學(xué)生自己動手編寫、調(diào)試、運(yùn)行程序，充分體會到計(jì)算機(jī)組成原理課程的重要意義及對從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)的重要作用等。我們將不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)國內(nèi)外該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革最新成果，進(jìn)一步提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

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作者：吳元斌 單位：重慶三峽學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院