摘 要： 《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》是計(jì)算機(jī)大類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)教學(xué)中一門(mén)非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。它涵蓋了計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)工作原理，以及軟硬件的劃分和界面。在當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入發(fā)展、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用更加廣泛的背景下，深入理解計(jì)算機(jī)的軟硬件系統(tǒng)，并與工程實(shí)際相結(jié)合，為將來(lái)的嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)顯得更加重要。本文分析了江南大學(xué)《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)的現(xiàn)狀，探討了與企業(yè)建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的應(yīng)對(duì)方案。
　　關(guān)鍵詞： 江南大學(xué) 《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》 實(shí)踐教學(xué) 實(shí)踐現(xiàn)狀 應(yīng)對(duì)方案
　　一、引言
　　當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，嵌入式技術(shù)已成為信息產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的計(jì)算機(jī)技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)電子、醫(yī)療電子、工業(yè)控制和交通系統(tǒng)等領(lǐng)域。資料顯示，在2009年中國(guó)軟件業(yè)收入的9513億元中，嵌入式占了將近20%，而且每年都以近40%的速度增長(zhǎng)。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心的軟硬件混成專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)人員統(tǒng)籌考慮軟硬件設(shè)計(jì)，以最大限度地適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、成本、體積、功耗、可靠性等方面的要求。傳統(tǒng)的軟件、硬件分別進(jìn)行的設(shè)計(jì)方法難以滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，而需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行軟硬件的綜合考慮和協(xié)同設(shè)計(jì)。
　　然而和上述趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的是，目前計(jì)算機(jī)類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)軟件方面的教學(xué)和實(shí)踐都實(shí)施得較好。學(xué)生除了課堂學(xué)習(xí)外，還可以利用學(xué)校和自己的計(jì)算機(jī)充分進(jìn)行軟件編程的實(shí)踐和訓(xùn)練。而且軟件類(lèi)課程C語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)等相對(duì)直觀(guān)和容易理解，容易入門(mén)。但對(duì)于硬件類(lèi)的課程尤其是計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，學(xué)生普遍反映內(nèi)容較為抽象，如果沒(méi)有適合的實(shí)踐環(huán)節(jié)將課堂概念和實(shí)際工程聯(lián)系起來(lái)，學(xué)習(xí)效果將難以得到保障。因此，探索適合計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐教學(xué)工具、教學(xué)方法和配套機(jī)制，加強(qiáng)學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的聯(lián)系，建立形象直觀(guān)、便于理解的學(xué)習(xí)途徑至關(guān)重要。本文重點(diǎn)討論江南大學(xué)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐教學(xué)實(shí)施現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方向，為增強(qiáng)計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學(xué)效果作有益探討。
　　二、《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀分析
　　當(dāng)前國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)硬件主干課程設(shè)置有兩種模式：一種是數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（技術(shù)基礎(chǔ)課）→計(jì)算機(jī)組成原理（專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課）→計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（專(zhuān)業(yè)課）。大多數(shù)重點(diǎn)院校采用這種模式。另一種是數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（技術(shù)基礎(chǔ)課）→計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)（專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課）。江南大學(xué)及國(guó)內(nèi)其他許多本科高等學(xué)校采用第二種課程設(shè)置模式。
　　《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程綜合了《計(jì)算機(jī)組成原理》和《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》兩門(mén)課程的要求，要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)部件的組成原理，最終從系統(tǒng)、整機(jī)的角度理解計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成，是計(jì)算機(jī)類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，以及計(jì)算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)方向非常重要的一門(mén)課程。這門(mén)課程的建設(shè)與教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到人才培養(yǎng)中計(jì)算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)方向教育的成效。尤其是在當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)日益流行，軟硬件一體化設(shè)計(jì)需求不斷擴(kuò)大的背景下，計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程能否達(dá)到預(yù)期效果顯得更為重要。
　　目前在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生普遍反映該門(mén)課程內(nèi)容較為抽象，難以和一個(gè)具體的可見(jiàn)的系統(tǒng)相聯(lián)系理解整個(gè)的運(yùn)行過(guò)程，學(xué)習(xí)效果欠佳，依然停留在為應(yīng)付考試的習(xí)題練習(xí)為主的方式上，通過(guò)課程的學(xué)習(xí)無(wú)法鍛煉搭建完整電路系統(tǒng)的能力。這些問(wèn)題急需通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)有針對(duì)性地解決。
　　傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是在開(kāi)放的電路板上用插線(xiàn)的方式搭建邏輯，學(xué)生通過(guò)將對(duì)應(yīng)的引腳互聯(lián)起來(lái)構(gòu)成特定的數(shù)據(jù)通路。這種方法無(wú)需編寫(xiě)程序，可以直觀(guān)地顯示計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況，但對(duì)學(xué)生的影響僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，不能和企業(yè)的實(shí)際開(kāi)發(fā)相結(jié)合，沒(méi)有更多的實(shí)用價(jià)值。
　　隨著硬件可重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課采用了基于FPGA的實(shí)驗(yàn)裝置?；贔PGA的優(yōu)點(diǎn)在于學(xué)生可以通過(guò)自己的邏輯設(shè)計(jì)得到專(zhuān)用芯片，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)板上的I/O觀(guān)察芯片的運(yùn)行情況，更接近實(shí)際CPU的運(yùn)行狀態(tài)。目前，根據(jù)不同學(xué)校學(xué)生能力的強(qiáng)弱，基于FPGA的組成原理實(shí)驗(yàn)采用了兩種不同的輸入方式。
　　一種是基于原理圖的設(shè)計(jì)方式。學(xué)生通過(guò)連接原理圖的方式，構(gòu)成自己想要的邏輯電路。將該電路下載到FPGA芯片后構(gòu)成特定的芯片，通過(guò)實(shí)驗(yàn)板上的I/O觀(guān)察芯片內(nèi)部的運(yùn)行情況。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是直觀(guān)、易于理解。缺點(diǎn)是隨著系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，原理圖輸入的方式耗費(fèi)時(shí)間太長(zhǎng)，連線(xiàn)也容易出錯(cuò)，不太可能用于搭建復(fù)雜的系統(tǒng)。
　　另一種是基于硬件描述語(yǔ)言VHDL/Verilog的設(shè)計(jì)方式。優(yōu)點(diǎn)是可以利用現(xiàn)有的資源搭建較為復(fù)雜的系統(tǒng)，甚至多級(jí)流水線(xiàn)的CPU，可以極大地提高學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)能力。缺點(diǎn)是對(duì)學(xué)生的要求比較高，需要有硬件描述語(yǔ)言的基礎(chǔ)。
　　三、《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實(shí)踐教學(xué)工具的選擇
　　通過(guò)上述分析，可以看出基于硬件描述語(yǔ)言和FPGA的組成原理實(shí)驗(yàn)方式由于可與將來(lái)的企業(yè)實(shí)際開(kāi)發(fā)相結(jié)合，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。學(xué)生可以通過(guò)VHDL搭建復(fù)雜和完整的硬件系統(tǒng)，對(duì)于理解計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)的運(yùn)行情況有非常現(xiàn)實(shí)的意義。關(guān)鍵問(wèn)題是，應(yīng)該如何選擇適當(dāng)?shù)幕贔PGA的開(kāi)發(fā)環(huán)境和教學(xué)方法，以適應(yīng)不同水平的學(xué)生的具體需求。
　　由于現(xiàn)在基于硬件描述語(yǔ)言已有許多公開(kāi)源代碼的資源可以加以利用，因此在進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)和實(shí)踐中，可以圍繞某一種有代表性的CPU進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。如國(guó)內(nèi)外有一些學(xué)校選擇以MIPS處理器作為教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的對(duì)象。學(xué)生可以根據(jù)自己的掌握程度借鑒或自己設(shè)計(jì)某個(gè)模塊，最終形成完整的CPU。同時(shí)還可以在此基礎(chǔ)上通過(guò)匯編程序進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這樣的方式，學(xué)生可以將課堂講解的內(nèi)容完全與實(shí)際的CPU系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而為將來(lái)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。而且由于所選用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和環(huán)境都和企業(yè)實(shí)際使用的一樣，可以縮短將來(lái)的工作中的學(xué)習(xí)時(shí)間。
　　四、《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實(shí)踐教學(xué)機(jī)制探討
　　選定了適當(dāng)?shù)膶?shí)踐語(yǔ)言和工具之后，還要有適合的配套管理和運(yùn)作機(jī)制才能保證實(shí)踐教學(xué)的效果?，F(xiàn)在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室都是學(xué)校購(gòu)買(mǎi)設(shè)備后由實(shí)驗(yàn)室人員管理和維護(hù)，并配合任課老師在上課時(shí)間為學(xué)生提供實(shí)踐教學(xué)服務(wù)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)和上課時(shí)間有限，學(xué)生并不能完全完成和理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。因此，我認(rèn)為可以采取多種方法改善這一狀況。
　　1.Xilinx/Altera等FPGA提供商建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，隨時(shí)可獲得提供商提供的一些最新資料和技術(shù)服務(wù)，同時(shí)確保實(shí)驗(yàn)室可以在課外對(duì)學(xué)生開(kāi)放，可以借鑒以往機(jī)房的管理方式，讓感興趣的學(xué)生付費(fèi)使用設(shè)備。
　　2.為學(xué)生配備或鼓勵(lì)學(xué)生購(gòu)買(mǎi)低價(jià)FPGA設(shè)備，將實(shí)驗(yàn)室?guī)Щ厮奚?，隨時(shí)可以進(jìn)行FPGA系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。
　　3.企業(yè)建立培訓(xùn)協(xié)議，抽出整段時(shí)間送學(xué)生到專(zhuān)門(mén)的FPGA企業(yè)進(jìn)行集中強(qiáng)化訓(xùn)練，積累實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。
　　將上述幾種方法相結(jié)合，可以使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)效果達(dá)到現(xiàn)在軟件開(kāi)發(fā)的學(xué)習(xí)效果，為嵌入式系統(tǒng)軟硬件的開(kāi)發(fā)培養(yǎng)合格的人才。
　　五、結(jié)語(yǔ)
　　本文分析了江南大學(xué)《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的一些具體困難，并從幾個(gè)方面提出了應(yīng)對(duì)方案。當(dāng)然，這些方法依賴(lài)于計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考核方式的相應(yīng)改變。只有在教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐形式和方法、體制和具體實(shí)施等多方面協(xié)調(diào)一致，整體推動(dòng)，才能取得預(yù)期的結(jié)果。
　　參考文獻(xiàn)：
　　［1］任春明，劉軍.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考與改進(jìn).實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，10.
　?。?］李彩虹，屈志毅，劉剛，馬俊.“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式探討與實(shí)踐.高等理科教育，2006，2.
　?。?］陳媛，黃賢英.基于EDA技術(shù)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，2.
　?。?］方愷晴，石琳，林亞平.EDA技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2001，3.
　?。?］孫冰，齊曉梅.VHDL在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究.價(jià)值工程，2011，27.
　　［6］付小晶，武俊鵬，程旭輝.關(guān)于提高“計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)質(zhì)量的探討.計(jì)算機(jī)教育，2009，