趙小剛，丁 玲

(1.武漢大學 國際軟件學院軟件工程系，湖北 武漢 430072；2.湖北科技學院 計算機科學與技術學院，湖北 咸寧 437100)

基于FPGA的計算機體系結構課程教學改革研究

趙小剛1，丁 玲2

(1.武漢大學 國際軟件學院軟件工程系，湖北 武漢 430072；2.湖北科技學院 計算機科學與技術學院，湖北 咸寧 437100)

傳統(tǒng)計算機體系結構教學實驗中缺乏對核心計算機組件CPU的設計分析，本課程改革提出采用先進FPGA實驗平臺來設計CPU，增強學生對CPU功能及原理的理解。結合計算機體系結構最新發(fā)展趨勢的新內容的引入，以及微信課堂的新型MOOC教學方式，課程改革取得了滿意的效果。

FPGA;CPU;微信課堂;MOOC

計算機硬件的發(fā)展日新月異，強大的硬件技術的進步為軟件的性能提升帶來巨大的便利。因此了解和掌握計算機內部的硬件組成、硬件工作機制等，能夠更加清晰的理解底層硬件為上層軟件提供的支持，也能夠優(yōu)化軟件的使用，更大程度發(fā)揮底層硬件的性能。所以對軟件工程系的學生來講，多接觸底層硬件，熟練掌握相關知識是成為一個優(yōu)秀軟件工程專業(yè)人才的必要條件。

計算機系統(tǒng)結構是軟件工程專業(yè)的核心必修課程，是數(shù)字邏輯、組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理和計算機接口技術等專業(yè)課程的后續(xù)課程。該課程是一門綜合了上述多門基礎專業(yè)課程知識，其重要性決定了學生必須對它進行熟練掌握。但是在我院進行計算機體系結構的教學過程中發(fā)現(xiàn)，計算機體系結構講述的內容比較抽象，主要是關于計算機內部各硬件的工作原理和運行機制，這些東西學生往往又沒有直觀的認識。計算機體系結構是一個涉及硬軟件等多方面知識的課程，一個知識點往往涉及到很多其他課程內容，講解起來很費力，學生理解難度大；計算機體系結構發(fā)展較快，現(xiàn)有書本內容無法保持快速更新；學生也缺乏對這些新熱點問題進行思考和實驗的平臺，無法進行創(chuàng)新性工作。

針對這些問題，需要對體系結構課程進行教學改革：及時更新教學內容，鼓勵學生多思考體系結構前沿問題；為學生提供良好的硬件實驗平臺，讓學生對計算機核心組件有直觀感受，同時該硬件平臺應該有足夠能力滿足學生創(chuàng)新型實驗。下面對這些教改內容進行描述。

一、教學內容改革

課程內容緊跟國內外計算機體系結構的發(fā)展，增加了以下內容：

(1)指令系統(tǒng)中增加了MIPS指令集；

(2)流水線技術中增加了ARM流水線詳細梳理過程；

(3)存儲系統(tǒng)中增加了NVRAM，SSD以及PCRAM等新型存儲器件的介紹；

(4)在互聯(lián)網絡中增加了集群互聯(lián)的消息傳遞機制和詳細示例如Hadoop的使用；

(5)增加了MIPS體系結構一章，介紹MIPS發(fā)展歷程、體系結構和主流MIPS系統(tǒng)代表Altera FPGA的介紹；

(6)多核技術中增加了虛擬化技術，GPU技術等；

(7)增加對人工智能等特定上層應用的支持的指令系統(tǒng)、CPU新架構的介紹。

通過增加業(yè)界和學術界流行的新的體系結構發(fā)展熱點內容，探討一些新的研究方向，有助于學生了解體系結構的前沿知識，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識，為他們以后的科學生涯打下基礎。

實驗內容上也做較大更新，我們增加了很多新的實驗：

(1)簡易CPU設計；

(2)基于MIPS架構的匯編程序和C程序設計；

(3)多核CPU交互；

(4)FPGA支持的機器學習算法加速。

二、教學方式改革

本課程在教學方式中，綜合采用多種方式來激發(fā)學生學習的積極性，加入更多的實踐環(huán)節(jié)強化理論知識點的掌握程度。具體如下。

1.采用多媒體教學方式

計算機系統(tǒng)結構具有較多的有關硬件工作原理的抽象理論，這些理論往往由于其他學科如操作系統(tǒng)、編譯原理和數(shù)字邏輯相關，學生理解較困難?？梢砸肼曇?、圖像和視頻等多種形式的多媒體素材，增強課堂教學中的理論知識的形象化描述，使教學媒體多樣化。我們將體系結構中較難理解的Cache-主存映射機制，流水線的控制相關消除機制等進行了動畫展示，這樣不僅可以加深學生對抽象理論的理解，而且提高了學生學習興趣。

2.引入微信課程公眾號及微信課堂

隨著智能手機的普及，學生越來越喜歡通過這種社交工具進行交流和溝通。移動設備的好處是可以有效的利用碎片化的時間，隨時隨地就可以通過手機獲取信息和相互交互。而微信是學生利用的最多的手機應用。因此可以將微信作為一個新的MOOC平臺。我們?yōu)橄到y(tǒng)結構教學專門建立了一個課程公眾號，共有三大核心應用：包括課程資料、在線評測和互助答疑等。

課程資料包括課程介紹、課程大綱、課程教案、課程特色和參考資料等，學生可以通過該板塊學習課程主要內容；在線評測板塊主要是各章節(jié)核心知識點的一些考試題目，學生可以學完相應章節(jié)后做些自我評測、檢測和鞏固自己的學習效果；互助答疑是一個學生之間、學生和教師之間進行就系統(tǒng)結構相關難點進行交互討論的地方，提供給大家一個交流溝通的好場所。

互助答疑還有一個十分重要的小板塊，就是微信課堂或微信課程群。這是微信的一個強大的在線學習的功能。微信課堂是針對某一知識點(重點、難點或考點等)進行闡述的、短小精辟的教學視頻，它適合于智能手機、平板電腦等互聯(lián)網終端結合，支持翻轉課堂學習、移動學習以及碎片化學習等形式的在線教學應用。我們使用手機錄制了Cache-主存映射機制講解視頻，CPU流水線工作原理等視頻，放在微信課堂上讓學生隨時觀看；此外通過在微信課堂上放置一些核心知識點的PPT，配合一些語音講解，使學生隨時隨地可以參加微課堂的學習，進一步強化學生的認知；學生對相關知識點有疑問，可以通過微信進行在線溝通。

3.新的實驗平臺的引入

(1)原有平臺功能受限

目前體系結構實驗主要采用軟件模擬的方式來展示體系結構中關鍵知識點的內容，包括流水線工作原理和特性，Cache存儲器工作原理和優(yōu)點等。主要采用的軟件包括WinDLX和SimpleScalar。WinDLX能夠以圖形方式演示DLX流水線的工作原理。通過改變流水線的段數(shù)、緩沖器延時大小、每段花費時間等控制參數(shù)，獲得不同流水線配置下的流水線加速比等。SimpleScalar模擬器是基于單處理器架構模擬器，同時包含眾多的工具集。通過工具集可以模擬許多不同體系結構的CPU，是研究人員使用軟件手段模擬和研究CPU架構的方法。

這兩種模擬器的使用方法主要是先進行相關體系結構參數(shù)設定，然后運行測試程序，最后根據(jù)程序運行結果驗證設計思路的，其實驗對象全部是驗證型實驗。對于學生而言，所做的工作僅僅只是系統(tǒng)結構技術參數(shù)的給定和測試程序的運行，最后從一堆運行出來的數(shù)據(jù)中得到實驗結論。

使用軟件模擬的方式適合研究工作者進行學術研究和理論驗證，將對體系結構中的新思想體現(xiàn)在相應結構參數(shù)中，通過輸出結果進行學術論證的常用方法，但是對于理論知識不夠完善成熟的本科學生而言，此種實驗形式過于枯燥。學生做完實驗后，對整個實驗過程缺乏感性認識，更談不上進行進一步的創(chuàng)新工作，實驗做到最后流于形式。因此迫切需要一種對設計型實驗進行實踐操作的實驗方法，同時對驗證型實驗也有直觀的驗證。

(2)可以支持CPU設計的FPGA平臺

計算機體系結構中十分重要的一個內容就是處理器的特性和工作機制。目前的體系結構教學課程中只有處理器結構描述，功能介紹，學生聽起來很抽象，沒有直觀的認識，最好的辦法是能夠讓學生動手設計一個CPU，將書本上的理論知識完全融入到實踐中。

對于CPU設計來說，目前有兩種方式：一種為軟件方式，如SimpleScale等只是實現(xiàn)對CPU功能的模擬，不能對CPU內部工作流程進行控制，指令集的定制等；第二種為采用單片機形式來驗證CPU功能，如驗證CPU對存儲器的訪問功能，對總線的訪問等，將CPU當作黑盒，根本的原因是單片機的功能固定，不能定制化。

塊狀潰瘍：黃色塊狀1 mm2記1分，黑色塊狀1 mm2記2分（塊狀面積計算方法S＝長徑/2×短徑/2×π）。

合理的方式是采用硬件方式來設計CPU，主流的方法是采用FPGA。FPGA為可編程陣列，通過硬件描述語言可以對FPGA芯片編程，定義不同的功能部件和內部連接方式，包括運算功能的定義，指令集的支持，存儲部件的連接等。定義好相關功能后，可以直接在上位機上進行模擬仿真，驗證設計方案；也可以方便的下載到FPGA上，通過硬件運行來輸出結果。我們在實驗課程中采用的是國際通用的Altera DE2教育平臺，該平臺功能十分強大，除了核心FPGA外，還連接有內存接口，外設接口等，這些接口可以用來與設計好的CPU進行交互。

DE2-115開發(fā)板除了可以支持CPU設計外，還可以支持很多的體系結構實驗，包括CPU-存儲器訪問實驗，CPU-外設訪問實驗，總線通訊實驗和支持流水線功能的復雜CPU設計，多核CPU等。由于FPGA可以方便的進行硬件編程，它可以支持不同指令集，不同體系結構的CPU設計，也可以支持由簡到繁、逐步提升的設計模式。

(3)支持高級課程實驗開發(fā)

DE2開發(fā)板與眾不同的地方在于它除了可以支持CPU設計之外，在它的FPGA芯片中還包含一個Nios軟核，該軟核主頻在200MHz左右，基于MIPS架構。加上FPGA上集成的外設接口，存儲器接口，整個母版形成了一個完整的專用MIPS指令集的計算機系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可以支持MIPS模式的匯編程序設計，高級語言C語言的程序開發(fā)。

由于基于Nios架構的專用處理器不同于常用的通用Intel處理器模式，加上其指令集可以定制，因此可以將它適用于專用場合，用來加速某些特定的數(shù)據(jù)的處理過程，加速某些特定算法的運算過程，如數(shù)字信號處理、機器學習等領域。對于學有余力或希望進行創(chuàng)新實驗的學生來說，可以用該平臺進行定制化開發(fā)工作，參與電子設計大賽。

三、課程改革特色

總體來說，本課程改革的特色如下。

1.引入了體系結構熱點前沿知識，鼓勵學生自主學習和討論

隨著計算機硬件水平發(fā)展速度的不斷提升，計算機體系結構方向的新技術也不斷涌現(xiàn)。AlphaGo就采用了GPU技術來加快神經網絡算法的求解速度，智能手機上采用的不同架構的多核技術等。本課程改革會與時俱進，不斷將新的知識點引入課堂，提高學生的眼界；引導學生主動查閱最新文獻，討論學科發(fā)展前沿知識。

為了將計算機體系結構的較抽象的硬件知識點講透徹，我們采用了較多的多媒體手段來制作課件，使用聲音、圖像和動畫來演示復雜的硬件工作機制；為了讓學生在講課之前對所講內容有較好的認識，在課后能夠檢驗學習效果，我們采用了微信這種能夠隨時隨地學習和溝通的工具，建立了體系結構課程公眾號，學生可以通過公眾號方便地進行課程學習，自我評測和疑難點討論。

3.采用先進的FPGA硬件實驗平臺，豐富和完善體系結構實驗環(huán)境

CPU是計算機的核心，也是體系結構中需要重點講述的計算機組件。一直以來，由于不能對CPU內部展開，學生無法準確理解CPU工作原理。而傳統(tǒng)的CPU實驗只是將CPU當作黑盒，驗證其功能。本課程改革引入了最新的FPGA硬件平臺，該平臺可以支持電路設計和硬件編程，學生可以根據(jù)需要進行定制化的CPU設計，加入不同的指令集來加速不同的上層應用包括機器學習程序的運行。學生可以使用該FPGA設計不同的嵌入式程序來驅動不同的外部設備，進行創(chuàng)新型實驗。

四、教學效果

自從我院從2014年開展計算機體系結構課程改革以來，學生的學習熱情得到了極大提高，通過新的FPGA實驗平臺開展了較多的課程實驗，體系結構中的眾多重難點知識學生理解難度大大降低。對比2015年體系結構期末考試結果來看，在知識點覆蓋相似的條件下，不及格率從12%下降到8%，而優(yōu)秀率提高了3個百分點。

五、結語

本文對我院引入FPGA實驗平臺進行計算機體系結構課程教學改革進行了詳細分析和介紹。通過一系列新內容和新教學方法的引入，學生不僅對計算機體系結構的基礎知識點認識更加深入，而且對目前體系結構發(fā)展的熱點問題有了濃厚的興趣；新的FPGA實驗平臺更使得學生可以將體系結構的理論知識轉化為實際的實驗過程，大大強化其感性認知，抽象知識點就可以得到深刻理解；強大的硬件平臺更可以支持學生進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。

隨著計算機體系結構技術的不斷進步，社會上對既掌握熟練的軟件編程技術，又對計算機硬軟件系統(tǒng)的工作原理有深刻了解的軟件工程人才需求越來越大。我們的課程改革也要不斷引入新的知識點，采用新的教學方法來不斷改進教學質量，努力培養(yǎng)具備現(xiàn)代計算機系統(tǒng)結構視角的軟件工程人才。

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2095-4654(2016)12-0064-04

2016-04-22 基金項目：湖北省自然基金項目(201FFB04505)資助

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