張　亮

摘要:本文研究分析了國內(nèi)“計算機(jī)組成原理課程設(shè)計”相關(guān)課程的開設(shè)情況,提出應(yīng)用EDA技術(shù),從實驗教學(xué)體系改革、實驗教學(xué)軟硬件設(shè)備及教材的建設(shè)、實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計、實驗教學(xué)的組織方式等幾個方面實施改革的設(shè)想,并介紹了實施效果和實施過程中亟待改進(jìn)的問題。

關(guān)鍵詞:計算機(jī)組成原理;EDA技術(shù);課程設(shè)計

中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

1背景

“計算機(jī)組成原理課程設(shè)計”是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)階段的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程“計算機(jī)組成原理”的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。其先修課有“數(shù)字邏輯”及其實驗,其后繼課程有“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”,“編譯技術(shù)”,“接口與通訊技術(shù)”等。

本課程起著承上啟下的重要作用,通過本課程的各項實驗,使同學(xué)進(jìn)一步掌握計算機(jī)各部件的基本原理和結(jié)構(gòu),掌握計算機(jī)各部件的基本設(shè)計方法和實驗方法,幫助同學(xué)建立計算機(jī)時間—空間的整體概念,鞏固課堂知識,初步培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力和分析解決問題能力。

但是以前的教學(xué)實踐中在CPU硬件設(shè)計這一重要內(nèi)容方面存在不足。CPU、DSP處理器乃至計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)及相關(guān)課程隨著新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該成為計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中重要的組成部分,計算機(jī)專業(yè)對于軟硬件綜合設(shè)計人才的培養(yǎng)是責(zé)無旁貸的,也是本專業(yè)的特色與亮點。作為計算機(jī)專業(yè)的人員,如果只會使用計算機(jī)而不會設(shè)計CPU 和計算機(jī),那么和其他專業(yè)比較就沒有優(yōu)勢,不符合計算機(jī)專業(yè)的辦學(xué)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(jī)組成原理”定位為“計算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論”和計算機(jī)模型認(rèn)知的層面上;而在實驗與實踐方面,“計算機(jī)組成原理”的實驗則主要是在一些由分離元件構(gòu)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(shè)計。這顯然難以滿足教育部在《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作,提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中關(guān)于“高等學(xué)校要重視本科教學(xué)的實驗環(huán)節(jié),保證實驗課的開出率達(dá)到本科教學(xué)合格評估標(biāo)準(zhǔn),并開出一批新的綜合性、設(shè)計性實驗”的要求。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,核心技術(shù)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(shè)計技術(shù)是最核心的兩項技術(shù),特別是高性能計算機(jī)技術(shù)一直是衡量國家實力的一個重要標(biāo)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(jī)專業(yè)中也都安排了CPU 設(shè)計方面的課程和實驗內(nèi)容,例如麻省理工學(xué)院的一門相關(guān)課程是“計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計”。學(xué)生在實驗課中,須自主完成(即自行設(shè)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(shè)計。斯坦福大學(xué)計算機(jī)系的本科生也有相似的課程和實驗,即“計算機(jī)組成與設(shè)計”課,實驗要求學(xué)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,如加利福尼亞大學(xué)和伯克利大學(xué)等學(xué)校在基于FPGA 的超級計算機(jī)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(jìn)教學(xué)實踐學(xué)習(xí),應(yīng)用EDA技術(shù)改革“計算機(jī)組成原理”課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

2改革目標(biāo)

基于以上問題的考慮,學(xué)院計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教學(xué)組經(jīng)過調(diào)查研究,深入討論,決定改變基于小型模擬計算機(jī)系統(tǒng)的實驗教學(xué)模式,采用基于硬件描述語言方式,通過讓學(xué)生實際進(jìn)行計算機(jī)各個組成部件的設(shè)計方式進(jìn)行實驗教學(xué),以提高實驗教學(xué)水平。

為了更好地貫徹學(xué)院的本科教學(xué)培養(yǎng)計劃,培養(yǎng)出基礎(chǔ)知識扎實,具有創(chuàng)新意識,善于自主學(xué)習(xí),實踐能力較強(qiáng)的計算機(jī)高級專門人才,我們提出了“計算機(jī)組成原理”實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的下列改革目標(biāo)。

2.1與基于EDA的現(xiàn)代工程設(shè)計接軌

首先,在“計算機(jī)組成原理課程設(shè)計”中增加向工程實際轉(zhuǎn)化的符合現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范的硬件設(shè)計內(nèi)容。在傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ街须m也有“設(shè)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,用既定的分離元件和接口器件進(jìn)行拼裝搭接而成,學(xué)生無法從這樣的“設(shè)計”過程中了解真實的現(xiàn)代實用CPU基本設(shè)計技術(shù)。

其次,使學(xué)生在了解計算機(jī)組成原理和軟件設(shè)計技術(shù)的同時,學(xué)會計算機(jī)硬件設(shè)計技術(shù)。計算機(jī)的軟硬件設(shè)計技能是一個合格的計算機(jī)專業(yè)學(xué)生本應(yīng)具備的基本知識,離開了硬件設(shè)計,自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)便無從談起。以前不少計算機(jī)專業(yè)學(xué)生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(jī)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)上面,對于硬件技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用研究不感興趣或忘而生畏,培養(yǎng)學(xué)生掌握計算機(jī)硬件設(shè)計技術(shù),能從根本上解決這個問題。

2.2培養(yǎng)創(chuàng)造能力

從創(chuàng)造能力培養(yǎng)的角度看,軟件設(shè)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(shè)計的成功,即過量單純的軟件設(shè)計,不斷強(qiáng)化設(shè)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(shè)計訓(xùn)練只能歸類為技能性和知識性訓(xùn)練。

硬件系統(tǒng)設(shè)計則不同。首先,硬件系統(tǒng)可以有許多相關(guān)或互為獨立的模塊組成,相關(guān)模塊的關(guān)系可以是同步,也可以是異步。其次,硬件系統(tǒng)設(shè)計本身并不能離開軟件設(shè)計,因此硬件系統(tǒng)的構(gòu)建是一個軟硬綜合的并發(fā)系統(tǒng),設(shè)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Verilog HDL語言正是描述和設(shè)計硬件系統(tǒng)的計算機(jī)語言,它的語句都是并發(fā)的,甚至包括進(jìn)程中的順序語句?；贓DA技術(shù)和Verilog的計算機(jī)設(shè)計訓(xùn)練無疑十分有利于強(qiáng)化發(fā)散性思維和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3實施方案

3.1實驗教學(xué)體系的改革

計算機(jī)專業(yè)的硬件基礎(chǔ)實驗課多年來一直采用傳統(tǒng)的芯片搭電路的方法,此方法過于陳舊,限制了學(xué)生能動性的發(fā)揮。在實驗教學(xué)中引入現(xiàn)代EDA技術(shù)是必然趨勢。

在計算機(jī)組成原理實驗中我們引入該技術(shù),采用先進(jìn)的虛擬設(shè)計及仿真軟件工具quartusII,結(jié)合GW48_SOPC實驗箱,可以設(shè)計、仿真與硬件下載驗證計算機(jī)的各功能部件。

3.2實驗教學(xué)軟硬件設(shè)備及教材的建設(shè)

EDA技術(shù)的發(fā)展已從根本上改變了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)模式,我們必須適應(yīng)這一趨勢。為此,在學(xué)院的大力支持下,我們建設(shè)了一個可以容納65人的計算機(jī)組成原理專用實驗室,新購置了65臺高性能的PC機(jī)及終端桌椅。另外,學(xué)院還將采購65臺新型的基于FPGA芯片和EDA環(huán)境進(jìn)行實驗的計算機(jī)組成原理實驗臺,該平臺已被國內(nèi)數(shù)十所大學(xué)采用。學(xué)院的EDA課程實驗即采用類似平臺,兩年多的運(yùn)行證明性能良好。在實驗軟件工具方面,我們緊跟國際步伐,引入了高級的虛擬設(shè)計與仿真軟件工具quartusII。

在教材的建設(shè)方面,我們經(jīng)過兩年的教學(xué)實踐,在實驗項目方面有了一定的積累,但距離改革目標(biāo)還有很大的距離。為了促進(jìn)教學(xué)改革的進(jìn)一步深入開展,我們將在原有實驗指導(dǎo)手冊的基礎(chǔ)上,增加新的實驗項目,并系統(tǒng)整理與實驗內(nèi)容相關(guān)的硬件描述語言Verilog HDL,quartusII使用手冊及實驗臺技術(shù)手冊。在此工作的基礎(chǔ)上,將形成“計算機(jī)組成原理課程設(shè)計”正式出版的配套教材。另外,我們還將結(jié)合多媒體技術(shù)開發(fā)新的教學(xué)課件,并建設(shè)相應(yīng)的課程網(wǎng)站,作為教學(xué)強(qiáng)有力的輔助手段。

3.3實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

實驗教學(xué)內(nèi)容根據(jù)學(xué)院實驗計劃大綱要求,結(jié)合工程實際來確實,充分考慮了可操作性與可行性。計算機(jī)組成原理實驗的最終目的是讓學(xué)生能夠設(shè)計出CPU,但首先,學(xué)生必須初步掌握Verilog HDL硬件設(shè)計語言,學(xué)會使用quartusII設(shè)計工具,知道CPU的各個功能部件如何工作,以及相互之間是如何配合構(gòu)成CPU的。

因此,為滿足教學(xué)需要,實驗教學(xué)內(nèi)容將采用由基本到綜合的方式逐層開展,“必修實驗+選修實驗+綜合實驗”相結(jié)合的方式。首先,設(shè)計出一個完整的CPU實驗方案,然后再將這個CPU分解出一套功能部件實驗,包括:總線傳輸實驗、運(yùn)算器實驗、存儲器實驗、數(shù)據(jù)通路實驗、時序電路的組成、控制原理實驗、微程序控制器實驗等。必修實驗內(nèi)容主要由這些功能部件實驗作為基礎(chǔ),同時增加大量相關(guān)的其他實驗內(nèi)容作為選修實驗以供學(xué)生選擇,滿足不同層次的需要。必修實驗完成的功能部件在綜合實驗中進(jìn)行組裝,形成一個完整的CPU。

3.4實驗教學(xué)的組織方式

培養(yǎng)學(xué)生實驗?zāi)芰驮O(shè)計創(chuàng)新能力是我們實驗教學(xué)的重要目標(biāo)。為了貫徹這一指導(dǎo)思想,根據(jù)該實驗課程的特點,課堂上教師只是啟發(fā)性地講解實驗的關(guān)鍵點,其余部分全部由學(xué)生獨立完成。每位學(xué)生可根據(jù)自己的實際能力在完成必修實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上,還可選做選修實驗以擴(kuò)大知識面加深理解,完成選做實驗項目者可適當(dāng)加分。

由于課程的學(xué)時數(shù)十分有限,因此我們要鼓勵學(xué)生在課后自己動手完成大量的選修實驗,任課教師除上課時間外,每周還可以安排一次集中答疑時間,以解決學(xué)生在課外實踐中遇到的困難。

實驗中的模塊我們只給出框圖,其具體內(nèi)容要求學(xué)生自己用電路圖或Verilog HDL硬件描述語言完成。在編譯調(diào)試過程中遇到困難盡量由學(xué)生根據(jù)理論所學(xué)內(nèi)容自己解決,并記錄在實驗日志中,讓教師充分了解每位學(xué)生的實驗情況。另外每個模塊可以設(shè)計一些障礙讓學(xué)生修改,提高他們的實驗興趣。實驗內(nèi)容的安排遵循驗證與設(shè)計相結(jié)合,注重基礎(chǔ),突出應(yīng)用的原則。

課程嚴(yán)格遵循課前預(yù)習(xí)和設(shè)計(電路圖和Verilog程序)、課上調(diào)試(實驗日志記錄)和驗收、課后完成報告的實驗環(huán)節(jié)。其中實驗日志記錄是其中一個重要的環(huán)節(jié),它將貫穿于整個實驗階段,體現(xiàn)學(xué)生實際實驗的情況,是學(xué)生獨立實驗的一項重要證明。實驗日志按時間順序主要記錄:實驗進(jìn)行中遇到的問題及解答;回答實驗教材中以及教師課堂上提出的問題。

3.5實施效果和亟待改進(jìn)的問題

實驗教學(xué)改革方案從2007年春季開始,已經(jīng)實施了兩個學(xué)期。總的來說,實施效果令人滿意,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1) 加深了學(xué)生對理論課的理解和學(xué)習(xí)興趣。在實驗課中,通過啟發(fā)性地講解實驗關(guān)鍵點,使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撜n上學(xué)到的知識和具體的實驗有機(jī)地聯(lián)系起來。學(xué)生在理論課上學(xué)到的主要原理都能應(yīng)用于具體的實驗項目中。而具體的實驗過程反過來又能加深對原理的理解和認(rèn)識。兩者之間相輔相成,極大地促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(2) 調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識的主觀能動性。在實驗課中,一方面教師只講解關(guān)鍵點,這樣要完成實驗,學(xué)生就必須要自己去主動的查閱相關(guān)資料;另一方面實驗內(nèi)容設(shè)置了綜合性實驗和選做性實驗,這些實驗涉及的知識點較多,教材中給的提示相對較少,學(xué)生往往需要費(fèi)一番周折,克服一些障礙,才可能完成實驗。

(3) 大大減少抄襲作業(yè)的現(xiàn)象。以前經(jīng)常出現(xiàn)的抄襲作業(yè)現(xiàn)象,由于實驗日志的出現(xiàn)而大大減少。實驗日志記錄是實驗完成過程的一個詳細(xì)記錄,是學(xué)生和教師共同完成的過程。實驗日志是沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的,每個學(xué)生的實驗日志也不可能雷同,因而能有效地減少抄襲的出現(xiàn)。

實驗教學(xué)改革是一個不斷深入和發(fā)展的過程。在方案的實施過程中,也發(fā)現(xiàn)了不少亟待改進(jìn)的問題,其中如何組織好教學(xué)內(nèi)容是至關(guān)重要的。一方面要在有限的課時內(nèi)將理論課中的關(guān)鍵知識點融入到實驗內(nèi)容中,另一方面為了配合好先行和后續(xù)課程的教學(xué)內(nèi)容,還要將一些新的知識點和實驗內(nèi)容融入進(jìn)來。這樣如何在不增加學(xué)時的前提下,將這兩部分內(nèi)容更加有機(jī)的組織起來是日后必須要解決的問題。

4結(jié)束語

“計算機(jī)組成原理”課程設(shè)計的教學(xué)改革經(jīng)過兩學(xué)期的實踐摸索,已基本明確了今后進(jìn)一步展開深入教學(xué)改革的方向和目標(biāo)。下一步將根據(jù)規(guī)劃好的改革方案,繼續(xù)實施各項改革內(nèi)容,朝著預(yù)期目標(biāo)邁進(jìn)。

相信在對課程進(jìn)行了上述改革后,必將極大地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,啟發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣,為培養(yǎng)出基礎(chǔ)知識扎實,具有創(chuàng)新意識,善于自主學(xué)習(xí),實踐能力較強(qiáng)的計算機(jī)高級專門人才奠定基礎(chǔ)。

科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,計算機(jī)技術(shù)更是日新月異。因此,“計算機(jī)組成原理”實驗課程的教學(xué)方式、方法也需不斷更新變化。改革是一個持續(xù)不斷的過程,需要我們不斷地研究與探索。

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