董梁　翟社平　王曉婕　邢高峰

摘要：隨著對計算機硬件專業(yè)要求的不斷提高，軟硬件協(xié)同設(shè)計和開發(fā)已經(jīng)是發(fā)展的大勢所趨，因此要求計算機硬件教育從傳統(tǒng)的分離式、理論式，向系統(tǒng)性、實踐性的教學(xué)方向發(fā)展。文章分別從教學(xué)課程、綜合實驗和教學(xué)方法方面提出硬件教學(xué)的改進方案，以西安郵電大學(xué)為例，闡述根據(jù)計算機硬件發(fā)展方向和對人才培養(yǎng)的要求，對于傳統(tǒng)的硬件實踐教學(xué)進行探索創(chuàng)新的過程。

關(guān)鍵詞：計算機硬件、實踐教學(xué)、軟硬件協(xié)同設(shè)計

1.背景

傳統(tǒng)的計算機硬件教學(xué)主要的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，“微機原理與接口技術(shù)”課程是以intel8086為背景機，通過編寫匯編語言程序和在實驗箱上連接硬件電路，來讓學(xué)生深刻理解計算機的工作方式?！坝嬎銠C組成原理”課程是從設(shè)計者角度出發(fā)，使學(xué)生掌握一般意義上的計算機硬件系統(tǒng)各功能部件的組成、工作原理和實現(xiàn)方法，尤其是涉及微處理器的組成及工作原理、總線連接等硬件知識，培養(yǎng)學(xué)生對硬件系統(tǒng)的分析、開發(fā)和使用能力?！坝嬎銠C系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程從軟硬件兩方面出發(fā)，講述計算機系統(tǒng)的設(shè)計方法及其達到的功能性能指標。

在實際教學(xué)過程中，隨著intel8086應(yīng)用的不斷減弱，計算機硬件教學(xué)與實際應(yīng)用脫節(jié)等況，導(dǎo)致課堂上老師越講越費勁，學(xué)生越聽越?jīng)]興趣，考試內(nèi)容越來越簡單。針對這種情況，采取了一系列針對性的改進措施。

2.硬件教學(xué)的改進方案

計算機硬件與計算機學(xué)科其他部分是一個有機整體，為了方便教學(xué)需要劃設(shè)各門課程，例如匯編語言、硬件電路設(shè)計、c語言、編譯原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)等課程。在實踐教學(xué)中，通過課內(nèi)實驗，學(xué)生完成本課程知識的理解和消化；通過一些專項課程設(shè)計，學(xué)生完成對專業(yè)知識的掌握和提高；通過一些綜合設(shè)計，學(xué)生完成對整個計算機專業(yè)系統(tǒng)技能的掌握和提高。因此，計算機硬件教學(xué)主要通過對教學(xué)課程、綜合實驗、教學(xué)方法3個方面進行改進。

首先，在教學(xué)課程上進行改進。將“微型計算機原理”“匯編語言程序設(shè)計”“微機接口技術(shù)”等相關(guān)課程整合為一門“微機原理與接口技術(shù)”，統(tǒng)一教學(xué)大綱和課內(nèi)實驗要求。另外，將基于ARM的嵌入式開發(fā)和基于單片機的開發(fā)設(shè)為選修課。原有的“計算機組成原理”實驗主要以驗證性實驗為主，學(xué)生可以自主設(shè)計的部分很有限。而“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”實驗更是以軟件仿真為主，學(xué)生缺乏感性認識。為此，專門開設(shè)了“Verilog HDL語言程序設(shè)計班和“基于FPGA的開發(fā)設(shè)計”課程。通過硬件描述語言Verilog HDL程序設(shè)計，可以由硬件邏輯電路設(shè)計逐步達到向芯片設(shè)計的轉(zhuǎn)變。通過引入FPGA開發(fā)板，來實現(xiàn)硬件電路設(shè)計到實際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。

其次，在綜合實驗上進行改進。在“硬件課程設(shè)計”中，將原來的硬件布線在實驗箱上接線完成，改為由學(xué)生自行設(shè)計接口電路板，并完成程序運行。另外，專門設(shè)立了“基本模型機課程設(shè)計”，讓學(xué)生自行用Verilog HDL語言設(shè)計CPU及其相關(guān)部件，完成基本匯編/機器指令運行。

最后，在教學(xué)方法上進行改進。通過組織競賽調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，包括已經(jīng)舉辦了6屆的“西安郵電大學(xué)匯編語言程序設(shè)計競賽”。通過組織“計算機硬件協(xié)會”，讓一部分學(xué)生進入到科研項目中來，通過教師的管理和引導(dǎo)，來完成一些綜合性的實驗課題。

3.硬件教學(xué)改進的實現(xiàn)

3.1在教學(xué)課程上的改進

規(guī)范全校的“微機原理與接口技術(shù)”課程教學(xué)大綱，該課程以intel 8086為背景機，編寫匯編語言程序，設(shè)計接口電路，完成基本的微型計算機開發(fā)。相關(guān)的選修課程有“嵌入式系統(tǒng)與開發(fā)”和“單片機技術(shù)”?！扒度胧较到y(tǒng)與開發(fā)”課程主要以ARM為背景機，編寫c語言程序，在已有的開發(fā)板上進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

“計算機組成原理”是計算機學(xué)科各專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)計算機相關(guān)專業(yè)學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新開發(fā)能力的核心課程。通過計算機組成原理課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握一般意義上計算機硬件系統(tǒng)各功能部件的工作原理和設(shè)計方法，尤其是涉及微處理器的組成及工作原理、總線連接等硬件知識。已有教學(xué)方式注重計算機科學(xué)理論，強調(diào)計算機體系設(shè)計思想和各部件的功能用途。這種教學(xué)模式的好處在于突出主干，使得學(xué)生可以把握整體，易于掌握計算機設(shè)計的核心思想。有別于傳統(tǒng)教學(xué)側(cè)重理論，實驗也主要是在實驗箱上的驗證性實驗，傳統(tǒng)教學(xué)方法對于考研學(xué)生很有幫助，但對于更多畢業(yè)找工作的學(xué)生就很難引起興趣。

首先，在確保理論課不放松、不降低教學(xué)質(zhì)量要求的前提下，與后續(xù)的“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程進行很好的銜接。選用了白中英教授編著的國家級精品教材《計算機組成原理））o同時根據(jù)全國計算機專業(yè)考研統(tǒng)考大綱，將蔣本珊教授編著的《計算機組成原理》、唐朔飛教授編著的《計算機組成原理》、王閔教授編著的《計算機組成原理》和王愛英教授編著的《計算機組成與結(jié)構(gòu)》作為參考教材。

其次，加強實驗環(huán)節(jié)，與現(xiàn)在主流的Verilog HDL硬件描述語言、FPGA開發(fā)板對接，將數(shù)字邏輯電路、硬件描述語言和可編程邏輯器件進行有機整合，從而讓學(xué)生在實驗中真正成為計算機系統(tǒng)的設(shè)計者。

這里需要團隊進行大量的準備工作，包括：選派教師參加南京大學(xué)的XILINX技術(shù)培訓(xùn)課程、選派教師參加北京航空航天大學(xué)的CPU工程化設(shè)計、選派教師參加計算機組成實驗課程的全國研討會、承辦“全國計算機核心課程教學(xué)改革研討會”、聯(lián)合北京至芯科技公司舉辦了FPGA硬件開發(fā)技術(shù)培訓(xùn)等工作。

在與全國各高校教師和公司工程師的討論學(xué)習(xí)中，尤其是與浙江大學(xué)計算機學(xué)院、北京航空航天大學(xué)計算機學(xué)院的專家學(xué)者進行深入的交流后認為，經(jīng)過數(shù)十年的建設(shè)，我國高校計算機專業(yè)已形成了一套相對穩(wěn)定人才培養(yǎng)模式。目前，面對可編程硬件時代機遇和計算機系統(tǒng)課程教學(xué)與實驗改革的需求，加強計算機類專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)已是當(dāng)務(wù)之急。以計算機系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)為手段，通過加強數(shù)字邏輯、計算機組成原理、計算機外設(shè)、操作系統(tǒng)、匯編語言、編譯原理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)日n程的有機銜接，促進計算機專業(yè)學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方面的工程實踐與創(chuàng)新能力得到提升。

錄制了計算機組成原理課程的教學(xué)微視頻，編寫了相應(yīng)的Verilog HDL指導(dǎo)書，改造并新建了計算機組成原理實驗室。改造的實驗室能很好地完成傳統(tǒng)的理論驗證性實驗，滿足非計算機專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。新建的實驗室引入了最新的XilinxK7系列FPGA開發(fā)版，以及Vivado綜合開發(fā)工具，開發(fā)出存儲器設(shè)計、運算器設(shè)計、基本模型機設(shè)計、總線設(shè)計等多個實驗項目。通過可編程方式來設(shè)計并實現(xiàn)電路，開展可重構(gòu)原理的計算機設(shè)計，使學(xué)生具有用硬件描述語言進行設(shè)計的能力，完成從驗證知識到設(shè)計、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。現(xiàn)在除了使得計算機專業(yè)教師學(xué)生能完成基本的理論課程要求實驗外，還可以開展設(shè)計性實驗參加競賽，進一步提高了實驗室的利用率。

3.2在綜合實驗上的改進

自2008年起，完成了硬件課程設(shè)計的校級課程建設(shè)。編寫了相應(yīng)的《微機原理與接口技術(shù)實驗指導(dǎo)書》《計算機組成原理實驗指導(dǎo)書》《硬件課程設(shè)計指導(dǎo)書》及其配套的網(wǎng)絡(luò)資源，使得學(xué)生實驗前有準備、實驗中有指導(dǎo)、實驗后有對比，大大增強了學(xué)生對實驗課的重視程度。

“微機原理與接口技術(shù)”課程的硬件連線之前都是在實驗箱上完成，所以學(xué)生的連線固定，而且學(xué)生也不容易掌握硬件電路的具體細節(jié)。在相應(yīng)“硬件課程設(shè)計”實踐教學(xué)中進行了改革，讓學(xué)生自己設(shè)計接口電路板，包括使用接口芯片的類型，芯片引腳的排布，電源線地線的布置，LED燈、數(shù)碼管、按鍵開關(guān)、電阻的個數(shù)及排布都由學(xué)生自行設(shè)計，最后在面包板上焊接完成，使用原有的接口實驗箱來提供系統(tǒng)總線接口和匯編程序運行下載環(huán)境。通過這樣的改革，既有效地杜絕了抄襲現(xiàn)象，又使得學(xué)生對軟硬件設(shè)計加深了理解。

進一步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和使用Proteus仿真軟件，通過對硬件電路布線和匯編程序的運行環(huán)境的仿真，學(xué)生可以實現(xiàn)軟件和硬件協(xié)同設(shè)計，并行展開工作，同時對整個微型計算機系統(tǒng)有了進一步加深理解。

對于硬件課程設(shè)計的實踐教學(xué)改革自2010年起，已經(jīng)在計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程3個專業(yè)，6個年級得到了推廣和應(yīng)用，實際效果顯著。將過去以驗證性為主的實驗逐步過渡到以設(shè)計性為主的實驗，提高學(xué)生的動手實踐和創(chuàng)新能力。學(xué)生的參與熱情和動手能力得到了提高，教師的教學(xué)管理能力也得到了很大的提升。

3.3在教學(xué)方法上的改進

在保證傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容不放松的情況下，為增強學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，進行了全校性的匯編語言程序設(shè)計競賽。通過三人一組的競賽小組，既增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，又增加了學(xué)生的團結(jié)協(xié)作能力。事實證明，只要組織方法得當(dāng)，學(xué)生的熱情和能力往往會得到充分發(fā)揮。

圖2是第5屆匯編語言程序設(shè)計競賽的4組獲獎同學(xué)的作品。其中，圖2（a）的匯編程序?qū)崿F(xiàn)了將DOS窗口劃分為4塊，.能同時動態(tài)繪制不同顏色的圖形；圖2（b）的匯編程序?qū)崿F(xiàn)了一個四則運算式計算器，能自動識別用戶輸入的帶括號的四則運算式的值，還成功實現(xiàn)了小數(shù)運算；圖2（c）的匯編程序?qū)崿F(xiàn)了在4個窗口中分別動態(tài)輸出文本、計數(shù)與繪圖；圖2（d）的匯編程序?qū)崿F(xiàn)了4個窗口的展開和疊放。每組同學(xué)的作品都有自己的創(chuàng)意和特色，利用匯編語言編寫程序可執(zhí)行代碼小巧，任務(wù)切換速度快，執(zhí)行效率高，體現(xiàn)了匯編語言獨特的魅力。

全校性的匯編語言程序設(shè)計大賽自2010年起，每年舉辦一屆，已經(jīng)連續(xù)舉辦了6屆。學(xué)生們充分發(fā)揮了8086匯編語言的特長，從簡單的文本字符輸入輸出，到畫直線、畫三角形、畫圓，從簡單的動畫到游戲設(shè)計，從簡單的命令行程序到自行設(shè)計數(shù)據(jù)庫程序，從單一的窗口到多窗口設(shè)計，從單一任務(wù)到多任務(wù)并發(fā)，從簡單的匯編工具到實現(xiàn)c語言再到匯編語言的編譯系統(tǒng)設(shè)計。伴隨著學(xué)生們的積極熱情參與，教師團隊也受益頗多。

把重在能力培養(yǎng)的創(chuàng)新、實踐、個性發(fā)展的理念貫穿到整個教學(xué)活動中，強調(diào)探究式、研討式的學(xué)習(xí)方法。為了加強學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，我們教學(xué)團隊成立了“計算機硬件協(xié)會”。該協(xié)會是以學(xué)生自愿為前提，采取以學(xué)生為主體、教師加以啟發(fā)指導(dǎo)的實踐教學(xué)模式，通過以項目設(shè)計為導(dǎo)向，以興趣小組為單位，對學(xué)生的一種管理和組織方式。

以項目導(dǎo)向的開放實驗是近年來為實施素質(zhì)教育、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實踐能力為目的而探索的一種實驗教學(xué)模式。該模式是在實驗室完成計劃內(nèi)教學(xué)、科研任務(wù)的前提下，利用現(xiàn)有儀器、設(shè)備、場地、設(shè)施等資源，面向?qū)W生開放。開放實驗的內(nèi)容主要以各種項目設(shè)計為基礎(chǔ)、掌握高新技術(shù)為特點、培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識為目的。

基于興趣小組學(xué)習(xí)法是學(xué)生自行組織、教師加以必要管理的實踐教學(xué)模式，是以項目設(shè)計為導(dǎo)向，綜合掌握各種知識、加強學(xué)生動手能力為目的一種學(xué)習(xí)方法。該方法能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力以及成就感。

“計算機硬件協(xié)會”現(xiàn)在已實現(xiàn)高年級學(xué)生帶低年級學(xué)生，興趣小組內(nèi)學(xué)生相互學(xué)習(xí)自行分配任務(wù)，教師引導(dǎo)解決實際問題的可喜局面?，F(xiàn)有的興趣小組完成作品：如圖3（a）所示，應(yīng)用ARM SMT32開發(fā)板設(shè)計尋跡小車，包括電機、輪子、各種傳感器的選材和安裝都由學(xué)生自行完成；如圖3（b）所示，四旋翼飛行器的組裝和GPS定位開發(fā)；如圖3（c）所示，利用Protel軟件，應(yīng)用STC89LE52單片機設(shè)計兩層PCB板，實現(xiàn)按鍵顯示、語音識別等，包括布線、選器件、編寫和下載程序部件實現(xiàn)自行設(shè)計和選擇；如圖3（d）所示，應(yīng)用Xilinx Base3開發(fā)板，用Verilog HDL語言編寫小型游戲，完成了驅(qū)動顯示器、按鍵等功能的自行開發(fā)。還有嵌入式Linux系統(tǒng)上的語音識別和開發(fā)；嵌入式Linux系統(tǒng)上攝像頭采集，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸，手機端圖像的接收等。

4.結(jié)語

計算機科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，要求采用更為貼近實際的教學(xué)方法，計算機專業(yè)畢業(yè)生已經(jīng)從過去的應(yīng)用開發(fā)者，向計算機的分析設(shè)計者轉(zhuǎn)變，軟硬件的協(xié)同設(shè)計是必然的發(fā)展趨勢。通過探索計算機硬件教學(xué)改進的方法，為后續(xù)工作打下了堅實的基礎(chǔ)。今后工作的重點將圍繞著系統(tǒng)性和實踐性教學(xué)，主要包括以下幾個方面：

（1）嵌入式處理器及其外圍電路：借鑒現(xiàn)有的80x86、ARM、MIPS架構(gòu)展開設(shè)計，包括指令集、單周期、多周期、流水線、中斷、雙發(fā)射等技術(shù)，進一步設(shè)計相應(yīng)的外圍互聯(lián)互通電路，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出的設(shè)計驗證。

（2）嵌入式的操作系統(tǒng)及其工具軟件：參考已有UCOS、Linux嵌入式操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計匯編工具和c語言的編譯工具。

（3）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板：能夠?qū)崿F(xiàn)處理器芯片、總線、接口電路、外設(shè)的集成。

（4）基本應(yīng)用開發(fā)：包括WiFi網(wǎng)絡(luò)通信、圖像采集傳輸、圖形游戲設(shè)計和機電控制等應(yīng)用。

通過計算機硬件的教學(xué)課程，綜合實驗和教學(xué)方法的不斷改進創(chuàng)新，使學(xué)生增加了學(xué)習(xí)興趣，提高了分析設(shè)計的能力，同時也鍛煉出一支理性務(wù)實、團結(jié)創(chuàng)新的教學(xué)科研團隊，實現(xiàn)了真正意義上的教學(xué)相長。