摘要：針對計算機硬件體系實驗教學面臨的主要問題，我院提出了將EDA技術(shù)的應用貫穿于計算機專業(yè)硬件實驗教學體系的觀點。本文論述了基于EDA技術(shù)的實驗教學體系的構(gòu)建及實現(xiàn)這一體系的措施。

關(guān)鍵詞：EDA技術(shù)；計算機專業(yè)；硬件體系；實驗教學

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

1計算機硬件類實驗教學面臨的問題

計算機技術(shù)不斷進步與發(fā)展，若計算機硬件類實驗教學仍采用傳統(tǒng)的實驗教學模式和傳統(tǒng)的實驗平臺，開設(shè)自主性、綜合性、創(chuàng)新性實驗就面臨一些問題和困難。

1.1硬件設(shè)備投入高，硬件項目開發(fā)周期長

硬件實驗平臺的建設(shè)需要大量的資金投入，而且硬件類實驗消耗很大，需要持續(xù)的資金投入做保障。此外，硬件課程建設(shè)周期也較長，硬件實驗項目開發(fā)也非一蹴而就，實驗教師需要完備的理論知識和扎實的電子學知識，而且需要反復的實驗和長期的實踐，才能自如的設(shè)計實現(xiàn)，這一過程比掌握一門計算機語言或一種計算機軟件開發(fā)工具要難得多和慢得多。實驗設(shè)備的更新速度及實驗項目長周期開發(fā)難以滿足新技術(shù)、新方法的更新步伐。

1.2教學實驗臺的設(shè)計針對性強，硬件線路相對固定，實驗內(nèi)容受硬件設(shè)計的制約

很多教學實驗臺的設(shè)計針對性強，是針對某門課程而開發(fā)設(shè)計的，硬件線路部分相對固定，其擴展性很有局限，更新實驗內(nèi)容受硬件設(shè)計的制約。硬件實驗設(shè)備的高投入和實驗器件的大消耗，在沒有足夠資金投入的情況下，在現(xiàn)有硬件設(shè)備上進行實驗內(nèi)容的更新，開設(shè)自主性、綜合性、創(chuàng)新性實驗難以實現(xiàn)。

1.3硬件實驗教學彼此脫節(jié)，缺乏系統(tǒng)化的實驗體系

計算機專業(yè)硬件類課程必修課程一般包括數(shù)字邏輯、計算機組成原理、計算機接口與通信技術(shù)、計算機體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，選修課程一般包括單片機原理及應用、數(shù)據(jù)采集、計算機控制技術(shù)等。這些課程之間彼此存在內(nèi)在的聯(lián)系，學生通過這些課程的學習，應當能逐步建立起整個計算機系統(tǒng)設(shè)計的概念，掌握計算機系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)，掌握計算機的控制應用。但在具體課程和實驗安排中，卻往往忽略并割裂了這種內(nèi)在聯(lián)系，實驗內(nèi)容沒有從模塊化、系統(tǒng)化的角度整體考慮計算機系統(tǒng)設(shè)計和控制應用的要求。因此，分析這些課程之間的內(nèi)在聯(lián)系，設(shè)計階段性、模塊化、系統(tǒng)化的實驗教學內(nèi)容，建立計算機硬件實驗教學體系，對于培養(yǎng)學生的計算機系統(tǒng)設(shè)計能力和應用設(shè)計能力十分重要和必要。

2構(gòu)建基于EDA技術(shù)的計算機硬件實驗教學體系

EDA技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及可編程邏輯器件PLD的出現(xiàn)及不斷推舊出新，為解決上述矛盾提供了一個良好的契機。EDA技術(shù)不僅是一種先進的硬件設(shè)計技術(shù)，而且將在計算機專業(yè)的硬件體系實驗教學中發(fā)揮其重要作用。采用EDA技術(shù)可以實現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化，其實以軟件實驗替代硬件實驗的方法也將是計算機硬件設(shè)計技術(shù)的發(fā)展方向，在美國一些著名大學的計算機硬件實驗室，包括計算機組成原理實驗早已不用那種傳統(tǒng)接插式箱式實驗臺，采用EDA技術(shù)進行硬件實驗，通過可編程邏輯器件進行修改和重構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)編程和硬件邏輯設(shè)計的軟件化，設(shè)計方法較靈活。由于所有的實驗都在計算機上利用軟件來完成，不需連接導線，修改測試極為方便，可大大提高實驗效率。與通常的實驗手段相比，“軟件化”實驗無器件損耗，可節(jié)省實驗經(jīng)費，并減輕實驗管理人員的維護工作量。采用EDA技術(shù)將為學生進行自主實驗、綜合實驗和創(chuàng)新實驗提供廣闊的發(fā)展空間的同時，全面提高學生工程實踐能力和學習硬件設(shè)計的興趣。因此，構(gòu)建EDA技術(shù)貫穿于計算機硬件實驗教學體系十分必要。

2.1研究計算機專業(yè)硬件類課程之間的關(guān)系，設(shè)計遞進層次的實驗結(jié)構(gòu)

要合理設(shè)置計算機實驗課的結(jié)構(gòu)，在強調(diào)計算機實驗課之間的邏輯順序的同時，注意知識內(nèi)容的相互銜接，上下呼應，以保證學生知識的增長、學生能力的發(fā)展和社會需求三者之間的統(tǒng)一。建立基于EDA技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)計、綜合設(shè)計、應用研究設(shè)計三個遞進層次的實驗結(jié)構(gòu)。

基礎(chǔ)設(shè)計：主要掌握基本技能、基本方法的運用，加深對理論知識理解。例如，數(shù)字邏輯實驗課程中組合邏輯和時序邏輯電路的設(shè)計，計算機組成原理實驗課程中功能部件的設(shè)計，計算機接口實驗課程中I/O接口部件的設(shè)計，學生用EDA軟件原理圖和硬件描述語言的方法在設(shè)計或描述這些功能時，必須清楚部件的結(jié)構(gòu)與性能，充分理解理論知識。以基礎(chǔ)設(shè)計實驗替代驗證性實驗不僅讓學生掌握基本技能和方法，更能透徹理解理論知識。

綜合設(shè)計：綜合所學的知識，應用現(xiàn)代化的設(shè)計思想，設(shè)計計算機的硬件系統(tǒng)。如將計算機組成原理、計算機接口技術(shù)與計算機體系結(jié)構(gòu)實驗課程結(jié)合，學生用硬件描述語言完成中斷控制器、總線控制器的設(shè)計，及RISC、CISC的CPU優(yōu)化設(shè)計。綜合設(shè)計實驗可以在單科單個實驗的基礎(chǔ)上，進一步將計算機硬件課程的實驗內(nèi)容打通，建立統(tǒng)一的平臺，完成多科目的綜合應用。實現(xiàn)更加復雜的計算機硬件系統(tǒng)的設(shè)計，達到對整個計算機硬件知識的融會貫通。

應用研究設(shè)計：進行軟、硬件綜合設(shè)計，能夠根據(jù)需要設(shè)計出一定規(guī)模的計算機硬件應用系統(tǒng)實例，此時的計算機硬件實驗就不僅僅是單個或綜合的實驗教學了，而是一個總的計算機硬件應用系統(tǒng)的設(shè)計項目或軟、硬件綜合設(shè)計。學生以接近于實際應用環(huán)境，完成高質(zhì)量綜合設(shè)計為訓練手段，使學生建立系統(tǒng)的概念與工程的概念。如基于SOPC的嵌入式設(shè)計項目，以掌握計算機硬件結(jié)構(gòu)與應用系統(tǒng)設(shè)計作為主要訓練目的，使學生對計算機的整個硬件系統(tǒng)、軟件環(huán)境有較全面、較系統(tǒng)的掌握，才能完成設(shè)計任務。

2.2以EDA技術(shù)為紐帶構(gòu)建階段性、層次化的實驗教學體系

仔細研究計算機專業(yè)硬件類課程之間的關(guān)系，構(gòu)建階段性、層次化、系統(tǒng)化的實驗體系。EDA技術(shù)好比紐帶，將那些分散的計算機專業(yè)硬件類課程有機地連接起來。具體可構(gòu)建如下幾個層次的實驗:

(1) 數(shù)字邏輯層次實驗

完成常用組合邏輯和時序邏輯電路的設(shè)計，以及具有一定實用功能的邏輯系統(tǒng)的實驗。通過這些實驗使學生熟悉EDA設(shè)計的的全過程。

(2) 計算機組成原理層次實驗

主要完成運算器、存儲器、CPU等大規(guī)模器件的設(shè)計，通過計算機的功能部件或整個計算機系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)過程，鍛煉學生的工程實踐能力。

(3) 計算機接口與通信技術(shù)層次實驗

完成計算機I/O接口部件的設(shè)計，側(cè)重于硬件邏輯實現(xiàn)，如定時/計數(shù)器、中斷控制器、DMA 控制器、并行接口、串行接口和VGA顯示器的控制電路等。

(4) 計算機體系結(jié)構(gòu)層次實驗

完成諸如RISC、CISC和總線控制器等的設(shè)計，實現(xiàn)計算機的各種組成部件或整機系統(tǒng)，追求結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和性能的提高，培養(yǎng)學生進行性能分析和測試的能力。

(5) 嵌入式計算機系統(tǒng)層次

主要完成嵌入式系統(tǒng)的硬件、軟件的設(shè)計和軟硬件綜合設(shè)計、多機容錯系統(tǒng)設(shè)計、多機并行算法設(shè)計等，使學生能熟練進行嵌入式系統(tǒng)應用程序開發(fā)和運用嵌入式操作系統(tǒng)進行任務調(diào)度和管理，最終設(shè)計出一個完整的嵌入式系統(tǒng)。

3實現(xiàn)基于EDA技術(shù)的計算機硬件實驗體系的措施

3.1增設(shè)EDA技術(shù)課程是當務之急

EDA技術(shù)課程以應用為主，主要介紹當前可編程邏輯器件PLD設(shè)計的主導思想和設(shè)計方法，以及PLD的體系結(jié)構(gòu)、硬件描述語言HDL、EDA開發(fā)工具和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法。實驗教學是EDA課程的一個重要實踐環(huán)節(jié)，通過一系列由淺入深的、不同層次(如基礎(chǔ)設(shè)計型、綜合設(shè)計型、應用研究型)的實驗，學生可在較短時間內(nèi)掌握EDA技術(shù)的原理和方法，熟悉EDA設(shè)計的全過程。

EDA是以PLD及其開發(fā)板為硬件平臺，以硬件描述語言HDL和EDA技術(shù)為開發(fā)工具，以軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)硬件的功能。EDA課程的意義不僅僅在于教會學生掌握某種HDL語言和某種EDA工具的使用，更重要的是引導學生掌握現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的方法與思想，能夠用形式化的方法來描述硬件電路，并能綜合運用先進的EDA技術(shù)對設(shè)計進行仿真、綜合和測試、驗證，從而培養(yǎng)和提高學生的硬件設(shè)計能力。國外加州大學伯克利分校、斯坦福大學、威斯康辛大學等高校早已經(jīng)在計算機專業(yè)應用EDA技術(shù)進行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計和CPU的設(shè)計。國內(nèi)著名高校近年也在計算機專業(yè)開設(shè)了EDA技術(shù)課程，開始應用EDA技術(shù)進行計算機系統(tǒng)的設(shè)計。在計算機領(lǐng)域應用EDA技術(shù)是計算機硬件設(shè)計技術(shù)的發(fā)展方向，對于還沒有開設(shè)EDA技術(shù)課程或在計算機硬件系統(tǒng)設(shè)計還不能自如應用EDA技術(shù)的計算機專業(yè)，應該盡早增設(shè)EDA技術(shù)課程。

3.2精選實驗內(nèi)容，優(yōu)化實驗設(shè)置

精選一些基本的實驗作為計算機實驗的必修內(nèi)容。在內(nèi)容選取上，可以打破傳統(tǒng)的模式，如以基礎(chǔ)設(shè)計替代驗證性實驗，實驗內(nèi)容以訓練的性質(zhì)、層次進行分類。在實驗類型的設(shè)計上，強調(diào)實驗項目的設(shè)計，擬定方案、調(diào)試方法等由學生獨立完成，使學生在基礎(chǔ)知識、基本方法和基本技能上得到系統(tǒng)的訓練，提高學生的主動性。

實驗教學項目的設(shè)計，應開展多種類型、多種層次、多種目的實驗，如基礎(chǔ)設(shè)計型、綜合設(shè)計型、創(chuàng)新設(shè)計型或應用研究型。合理設(shè)置計算機實驗課的結(jié)構(gòu)，注意知識內(nèi)容的相互銜接，前后呼應。如在計算機組成原理層次實驗，學生需掌握EDA技術(shù)的原理和方法，熟悉EDA設(shè)計的全過程；在嵌入式計算機系統(tǒng)層次實驗，學生需掌握嵌入式處理器組織結(jié)構(gòu)，如NiosII CPU軟核或MicroBlaze CPU軟核。

3.3抓好計算機硬件師資隊伍建設(shè)

要培養(yǎng)高質(zhì)量的學生，就必須有高水平的教師。教師是實踐教學改革的關(guān)鍵，其知識結(jié)構(gòu)、業(yè)務素質(zhì)、實踐能力、敬業(yè)精神將影響學生久遠。從事計算機硬件教學的教師需要具備豐富的計算機系統(tǒng)知識、扎實的理論功底、一定的工程實踐經(jīng)驗。值得思考的是，在當今實踐教學內(nèi)容更新迅速，實踐教學指導難度加大，社會用人單位急需實踐能力強的應用型人才的情況下，高等工科院校的實踐教學教師仍然被定義為“教輔人員”，在崗位津貼、晉升職稱、項目申報等方面仍然處于弱勢地位。這種現(xiàn)象與重視實踐教學和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量并不合諧一致。需要盡快轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的觀念，抓好計算機硬件師資隊伍建設(shè)，一方面積極引進計算機硬件人才；另一方面定期進行新技術(shù)培訓、實踐教學方法培訓；此外，加強與企業(yè)單位橫向合作，鼓勵老師走向社會，多參加科研項目的研究，不斷更新知識，提高業(yè)務水平，為實踐教學改革與應用型人才培養(yǎng)打下堅實的基礎(chǔ)。

3.4建立開放式EDA實驗室

可編程片上系統(tǒng)SOPC(System On a Programmable Chip)使得在一個芯片上實現(xiàn)一個完整的計算機系統(tǒng)成為可能。SOPC集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯，采用基于SOPC的實驗平臺，使學生調(diào)試、驗證自己的設(shè)計項目成為可能，為學生的自主實驗提供廣闊的發(fā)展空間。比如軟硬件協(xié)同設(shè)計實驗，面向DSP等實際應用的實驗，基于SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實驗等，使學生能夠應用EDA技術(shù)完成大型硬件的原型設(shè)計，或進行創(chuàng)新性課題的研究。

由于PLD自身的特點，學生最初完全可以在計算機上借助于EDA工具完成設(shè)計輸入、編譯、仿真和綜合，這樣學生在普通的計算機上即可完成PLD設(shè)計的大部分工作，最后再到EDA實驗室進行編程下載和驗證。借助EDA技術(shù)學生能完成涉及多門硬件類課程的實驗，在不同的學習階段，學生學習了相應的硬件課程后，就可以采用EDA技術(shù)，自行設(shè)計與本課程相關(guān)的實驗設(shè)計或復雜應用系統(tǒng)設(shè)計。

采用這種模式開設(shè)硬件系列實驗，建立一個一定規(guī)模的EDA實驗室，配備一定數(shù)量的SOPC實驗臺和配套的計算機。這并不需要很大的實驗室，也無須與學生規(guī)模相配套的實驗設(shè)備，在計算機上安裝各種成熟高效的EDA工具，實驗室作為開放式實驗室，可以是實驗時間開放和實驗內(nèi)容開放，為計算機專業(yè)學生提供一個良好的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。EDA技術(shù)的應用貫穿于計算機硬件體系實驗教學，學生的自主設(shè)計能力和創(chuàng)新意識將得到極大提高，這無疑對培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的人才有著重要的作用。

4結(jié)束語

計算機科學是一門實踐性很強且發(fā)展迅猛的學科，實踐環(huán)節(jié)是計算機學科建設(shè)與發(fā)展的重要組成部分。構(gòu)建合理

的計算機硬件實驗體系，對培養(yǎng)學生良好的計算機硬件基礎(chǔ)，提高學生設(shè)計、應用計算機的能力至關(guān)重要。構(gòu)建系統(tǒng)的EDA技術(shù)的實驗教學體系，實行開放式實驗教學，有利于增加新技術(shù)、新方法的實踐應用；有利于隨時更新實驗內(nèi)容，開設(shè)自主性、綜合性、創(chuàng)新性實驗。建立EDA技術(shù)的實驗教學體系必將極大地推進計算機專業(yè)硬件實驗教學內(nèi)容和教學形式的改革，為創(chuàng)新人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。

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