摘要：本文對目前的計算機組成原理課程在計算機專業(yè)教學實踐中的現(xiàn)狀進行了分析，提出將目前的EDA技術融合到計算機組成原理的教學與實踐中，極大培養(yǎng)了學生的自主創(chuàng)新能力，為學生的計算機專業(yè)素質(zhì)提高提供一個很好的平臺。

關鍵詞：教學實踐；EDA技術；自主創(chuàng)新

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913 (2007) 22-0104-02

1計算機組成原理課程現(xiàn)狀

“計算機組成原理”是計算機科學與技術專業(yè)本科教學階段的一門核心專業(yè)基礎課程。其先修課有電子技術基礎，其后繼課程有微機原理與匯編語言，計算機系統(tǒng)結構，操作系統(tǒng)，計算機網(wǎng)絡等。本課程起著承上啟下的重要作用，通過本課程的學習，使學生掌握計算機單機系統(tǒng)硬件各部分的基本組成原理和工作機制以及相關的基本理論，建立起計算機系統(tǒng)的整機概念，為提高學生在硬件方面的專業(yè)素質(zhì)和以學習能力為代表的發(fā)展?jié)摿?，為其后續(xù)專業(yè)課程的學習和將來的科研工作奠定堅實的基礎。

但是以前的教學實踐中在CPU硬件設計這一重要內(nèi)容方面存在嚴重不足。CPU、DSP處理器乃至計算機系統(tǒng)的設計技術及相關課程隨著新技術的發(fā)展應該成為計算機科學與技術專業(yè)中重要的組成部分，計算機專業(yè)對于軟硬件綜合設計人才的培養(yǎng)是責無旁貸的，也是本專業(yè)的特色與亮點。作為計算機專業(yè)的人員，如果只會使用計算機而不會設計CPU和計算機，那么和其它專業(yè)比較就沒有優(yōu)勢，不符合計算機專業(yè)的辦學宗旨而缺失市場競爭性。調(diào)研表明，國內(nèi)大多高校僅將“計算機組成原理”定位為“計算機科學導論”和計算機模型認知的層面上；而在實驗與實踐方面，“計算機組成原理”的實驗則主要是在一些由分離元件構成的實驗平臺上，完成簡單模型CPU的驗證性實驗，基本談不上設計。這顯然難以滿足教育部在《關于加強高等學校本科教學工作，提高教學質(zhì)量的若干意見》中關于“高等學校要重視本科教學的實驗環(huán)節(jié)，保證實驗課的開出率達到本科教學合格評估標準，并開出一批新的綜合性、設計性實驗”的要求。

隨著科學技術的發(fā)展，核心技術已經(jīng)愈來愈集中在集成電路芯片和軟件這兩項之中，其中CPU和OS設計技術是最核心的兩項技術。特別是高性能計算機技術一直是衡量國家實力的一個重要標志。美國、日本和西歐等國都作為一種國家行為，不斷加大這方面的資助力度。美國的許多高校本科計算機專業(yè)中也都安排了CPU設計方面的課程和實驗內(nèi)容，例如麻省理工學院的一門相關課程是“計算機系統(tǒng)設計”。學生在實驗課中，須自主完成(即自行設計)ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU，乃至實現(xiàn)流水線32位MIPS CPU和Cache的設計。斯坦福大學計算機系的本科生也有相似的課程和實驗，即“計算機組成與設計”課，實驗要求學生以各自獨立的形式，用VHDL語言自主實現(xiàn)CPU、VGA顯示控制模塊等接口，并最后實現(xiàn)于FPGA中，及完成軟硬件調(diào)試。此外，如加利福里亞大學和Berkeley等學校在基于FPGA的超級計算機研制方面都實現(xiàn)了大量成果。因此我們有必要向國外的先進教學實踐學習，將EDA技術融合到“計算機組成原理”的教學實踐中。

2計算機專業(yè)人才培養(yǎng)的需要

計算機學科領域中人才的培養(yǎng)是自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，其目標應該是擁有自主知識產(chǎn)權計算機部件或系統(tǒng)設計技術及創(chuàng)新設計能力的人才的培養(yǎng)，這就要求包含“自主”這一重要因素。但是“創(chuàng)新”未必具備“自主”。例如，某項計算機軟件的設計完成；某嵌入式系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)成功等，都可能包含一些前人未曾有過的創(chuàng)新，甚至可以有自己的知識產(chǎn)權。但它們不是擁有完全自主知識產(chǎn)權的項目，這是因為它們都是基于某一CPU平臺上的軟件開發(fā)，離開了CPU，這些軟件中的所有創(chuàng)新價值都歸于0，因為CPU是別人的。這就是說，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)決不能脫離自主創(chuàng)造設計能力的培養(yǎng)，沒有了自主的創(chuàng)新便不是真正的創(chuàng)新。

通過以上的討論不難發(fā)現(xiàn)，在計算機技術的教學中，“計算機組成原理”課程中必須加入代表現(xiàn)代技術發(fā)展的EDA技術相關教學內(nèi)容和合理的實驗設計才能夠承擔起培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新能力，即原始性創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重任。

3課程改革目標的探討

基于以上問題的考慮，在教學中應采用基于VHDL的EDA技術中實現(xiàn)CPU和計算機系統(tǒng)的設計理論和設計技術。諸如基于微程序控制模式的8位CISC模型CPU設計，基于狀態(tài)機控制模式的16位CISC CPU設計，MCS51單片機系列兼容型單片機軟核系統(tǒng)設計，基于流水線技術的16位RISC CPU設計，以及基于SOPC技術的軟核嵌入式系統(tǒng)軟硬件設計等等。其所有的實踐設計和示例都應采用與國際接軌技術，目標如下。

3.1與國際接軌

教程中的多數(shù)內(nèi)容應是能與發(fā)達國家許多高校計算機本科相關教學內(nèi)容和實驗模式相吻合的，使我們的學生也有可能象國外學生將自己設計的芯片拿去面試，帶上自己的設計芯片、系統(tǒng)設計HDL程序、整機網(wǎng)表文件和時序仿真結果去應聘，其效果比普通的成績單更能說明學生的創(chuàng)新和設計能力。

3.2包含基于EDA的符合現(xiàn)代工程設計技術的CPU設計

首先，在原有的“計算機組成原理”課中增加理論向工程實際轉化的符合現(xiàn)代計算機系統(tǒng)工程設計規(guī)范的硬件設計內(nèi)容。這在傳統(tǒng)的實驗模式中往往不是這樣，因為在傳統(tǒng)的實驗模式中雖也有“設計”內(nèi)容，但主要是根據(jù)不同實驗系統(tǒng)各自規(guī)定的方法，用既定的分離元件(也有包括部分可編程器件)和接口器件進行拼裝搭接而成，學生無法從這樣的“設計”過程中了解真實的現(xiàn)代實用CPU基本設計技術。

其次，使學生在了解計算機組成原理和軟件設計技術的同時，達到學會計算機硬件設計技術。計算機的軟硬件設計技能是一個合格的計算機專業(yè)學生本應具備的基本知識，離開了硬件設計，自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)便無從談起。從而使以前不少計算機專業(yè)學生存在“重軟輕硬”，“欺軟怕硬”，甚至“只軟不硬”的現(xiàn)象，學生們只將注意力和興趣集中在各種編程環(huán)境、開發(fā)工具、數(shù)據(jù)庫、計算機網(wǎng)絡的集成技術上面，對于硬件技術的學習和應用研究不感興趣或忘而生畏的問題得到根本解決。

3.3創(chuàng)造能力的培養(yǎng)

從創(chuàng)造能力培養(yǎng)的角度看，軟件設計人員只須擁有邏輯上的單向一維思維能力就能保證軟件設計的成功，即過量單純的軟件設計，不斷強化設計者純邏輯性思維和收斂性思維。顯然，這與培養(yǎng)植根于多維多向的發(fā)散性思維方式和非邏輯思維方式的創(chuàng)造能力是相違背的。因此，多數(shù)純軟件設計訓練只能歸類為技能性和知識性訓練。

而硬件系統(tǒng)設計則不同。首先，硬件系統(tǒng)可以有許多相關或互為獨立的模塊組成，相關模塊的關系可以是同步，也可以是異步。其次，硬件系統(tǒng)設計本身并不能離開軟件設計，因此硬件系統(tǒng)的構建是一個軟硬綜合的并發(fā)系統(tǒng)，設計和把握它自然必須擁有并發(fā)和多維的思想方法。例如在時序問題和競爭冒險問題的解決上有時還可能用上非邏輯思維方法。而VHDL正是描述和設計硬件系統(tǒng)的計算機語言，它的語句都是并發(fā)的，甚至包括進程中的順序語句?；贓DA技術和VHDL的計算機設計訓練無疑十分有利于強化發(fā)散性思維和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4教學實踐總結

通過對本屆63位學生教學實踐的探索，我們發(fā)現(xiàn)結合了EDA技術的計算機組成原理的教學極大的提高了學生的學習積極性，90％以上的學生通過學習對計算機設計有了清楚的認識，解決了以前不少計算機專業(yè)學生存在“重軟輕硬”，“欺軟怕硬”，甚至“只軟不硬”的現(xiàn)象，極大培養(yǎng)了學生的自主創(chuàng)新能力，得到很好的應用效果。

參考文獻

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[2] 唐朔飛． 計算機組成原理[M]． 北京：高等教育出版社，2000．

[3] 中國計算機科學與技術學科教程2002研究組．中國計算機科學與技術學科教程2002[M]． 北京：清華大學出版社，2002．

作者簡介：肖朝暉(1970-)，男，漢，湖南衡陽人，重慶工學院計算機學院副教授。主要研究方向為軟件無線電及計算機應用。

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