馬 莉，秦彩云

（北京石油化工學(xué)院 信息工程學(xué)院，北京 102617）

0 引 言

計算機組成原理是計算機專業(yè)一門非常重要的硬件類專業(yè)基礎(chǔ)課。計算機組成原理課程設(shè)計是組成原理的一門實踐類課程，課程主要教學(xué)內(nèi)容為運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，即馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的五大組成部分。教師在教學(xué)中須把握整體與局部、軟件和硬件、微觀現(xiàn)實和宏觀結(jié)構(gòu)這3條主線，引導(dǎo)學(xué)生認識計算機硬件系統(tǒng)，了解各功能部件的基本組織結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握各部件的設(shè)計方法。對程序員來說，計算機各功能部件的許多硬件細節(jié)都是透明抽象的，怎樣設(shè)計實驗環(huán)節(jié)為理論教學(xué)服務(wù)，使原本透明抽象的、“看不到摸不到”的部件變得具體化，是非常重要的。為了實現(xiàn)深刻理解計算機各主要功能部件的結(jié)構(gòu)、功能以及相互之間聯(lián)系這個實驗教學(xué)目標(biāo)，對實驗教學(xué)內(nèi)容和實驗步驟方法進行精心科學(xué)地設(shè)計，是非常必要的。同時，好的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計對提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、建立學(xué)生的成就感、培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力也是非常有效的。

1 實驗改革的必要性

目前，我國高校計算機組成原理及課程設(shè)計的實驗教學(xué)主要以傳統(tǒng)方式為主，實驗平臺基于特定的實驗系統(tǒng)，實驗內(nèi)容大多是完成運算器、存儲器、控制器等各部件的功能驗證實驗，其缺點非常明顯，即實驗以驗證各部件功能為主，學(xué)生缺少通過實驗訓(xùn)練硬件系統(tǒng)的設(shè)計能力。大多數(shù)高校的計算機組成原理實驗采用這種傳統(tǒng)方式，少部分985、211高校，如清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、南京大學(xué)等，計算機組成原理實驗教學(xué)采用另一種方式，即基于硬件描述語言進行CPU的設(shè)計。如清華大學(xué)設(shè)計了“基于FPGA的開放式教學(xué)的CPU設(shè)計與測試系統(tǒng)”綜合實驗平臺[1]；南京大學(xué)和東南大學(xué)硬件教學(xué)通過Altera DE2實驗板開展基于硬件描述語言和FPGA的CPU設(shè)計；浙江大學(xué)計算機組成原理課程的實驗選用Xinlix NS3的FPGA開發(fā)板完成[2]；國防科技大學(xué)[3]、武漢大學(xué)[4]等高校的計算機組成原理實驗是進行基于FPGA的CPU系統(tǒng)的設(shè)計，這種方式難度較大，采用此方案的高校還不多。

為緊跟計算機新技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)具有計算機硬件系統(tǒng)分析、綜合運用和設(shè)計能力的計算機專業(yè)人才，對現(xiàn)有計算機組成原理及課程設(shè)計的實驗進行教學(xué)改革，構(gòu)建一個計算機組成原理及課程設(shè)計的層次化和系列化實驗方案，是非常有必要的。

2 FPGA+VHDL技術(shù)方案的實驗內(nèi)容

基于FPGA+VHDL的實驗方案具體如下。硬件實驗平臺選用THINPAD教學(xué)計算機系統(tǒng)和實驗室的PC機搭建，以VHDL為硬件描述語言，以RISC為主要設(shè)計思想。THINPAD教學(xué)計算機系統(tǒng)的硬件電路如圖1所示。教學(xué)計算機的主要實驗芯片是Xilinx公司生產(chǎn)的FPGA芯片，型號為Spartan-3E系列的XC3S1200EFGG320，存儲器使用兩片容量為256K×16B的SRAM和8MB的Flash存儲芯片，采用哈佛結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)獨立存儲的，為實現(xiàn)更加靈活方便的實驗方式，還配置有豐富的外圍接口[5]。

圖1　THINPAD教學(xué)機實驗板

實驗方案是層次化的，設(shè)計難度逐步深入，分為兩個層次。

（1）計算機組成原理的實驗教學(xué)：完成4個部件實驗，每個實驗占用1次4學(xué)時的實驗學(xué)時，實驗內(nèi)容和理論教學(xué)同步，實驗內(nèi)容是環(huán)環(huán)相扣的，最終是為后續(xù)多周期CPU的設(shè)計打下基礎(chǔ)。

實驗一是熟悉開發(fā)環(huán)境的實驗。通過完成秒表的設(shè)計，熟悉FPGA工具軟件ISE，學(xué)習(xí)使用ISE創(chuàng)建工程并進行調(diào)試，以及如何在THINPAD硬件平臺上進行配置。

實驗二是THCO MIPS指令系統(tǒng)的實驗。實驗方案以多周期CPU的設(shè)計為主，要求學(xué)生至少設(shè)計實現(xiàn)7條指令，必須包括寄存器（R）型、立即數(shù)（I）型和轉(zhuǎn)移（B）型，每條指令的機器代碼、格式及尋址方式在符合MIPS16e的規(guī)定的前提下，可自行定義；實驗要求學(xué)生使用自己設(shè)計的指令編寫2個能完成特定功能的測試程序，并在模擬器上測試通過。實驗過程中使用終端程序Term協(xié)助開展實驗。

實驗三是算術(shù)邏輯運算單元實驗。實驗內(nèi)容是設(shè)計和實現(xiàn)算術(shù)邏輯運算單元。該實驗的目的是練習(xí)使用THINPAD硬件實驗系統(tǒng)，對硬件系統(tǒng)開發(fā)的基本過程有一定了解，分析運算器的數(shù)據(jù)傳送通路，掌握算術(shù)邏輯運算單元的基本設(shè)計方法。該實驗是一個設(shè)計性實驗，設(shè)計好的算術(shù)邏輯運算單元會被當(dāng)作后續(xù)系統(tǒng)實驗中處理器的一個重要組成部分[6]。

實驗四是內(nèi)存儲器實驗，實驗的主要內(nèi)容是設(shè)計一個狀態(tài)機和內(nèi)存讀寫邏輯，完成對THINPAD實驗板上存儲器RAM的訪問。為了實現(xiàn)該實驗內(nèi)容，學(xué)生必須熟悉內(nèi)存儲器的配置，了解與總線的連接方式，設(shè)計教學(xué)機內(nèi)存的訪問時序和方法，理解總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹怼１敬螌嶒炐枋褂脭?shù)據(jù)通訊程序Flash And Ram協(xié)助開展實驗[6]。

（2）課程設(shè)計的實驗教學(xué)：完成4個基礎(chǔ)實驗之后，在2周的課程設(shè)計期間要求學(xué)生設(shè)計并實現(xiàn)一個多周期CPU，CPU需具有16位數(shù)據(jù)總線，18位地址總線，至少8個16位的通用寄存器，其硬件實現(xiàn)能夠支持基礎(chǔ)實驗二設(shè)計的指令執(zhí)行。該CPU能夠在THINPAD開發(fā)系統(tǒng)上運行，能夠訪問開發(fā)板上的內(nèi)存，能夠通過基礎(chǔ)實驗二的2個測試程序的測試。

3 教學(xué)改革思路和實踐

3.1 教學(xué)改革初探和成果

考慮到本校學(xué)生的實際情況，2016—2017學(xué)年，首先在北京石油化工學(xué)院計算機專業(yè)的大三學(xué)生中抽選20名學(xué)生，組成5個實驗小組，完成4個部件實驗和多周期CPU的設(shè)計，其中，4組設(shè)計的CPU支持13條含R型、I型、B型的指令，1組學(xué)生設(shè)計的CPU支持25條指令，并設(shè)計實現(xiàn)了CPU系統(tǒng)的串口通訊，5個小組的設(shè)計方案全部通過測試程序的測試，且對CPU的性能進行了評測。

3.2 教學(xué)改革評價結(jié)果

為了提高教學(xué)質(zhì)量，有效跟蹤課程教學(xué)效果，北京石油化工學(xué)院計算機專業(yè)采用畢業(yè)指標(biāo)達成度的評價方法對課程進行量化評價。計算機組成原理課程設(shè)計的評價采用評分量表形式，對學(xué)生進行過程性評價，最終形成達成度計算結(jié)果，通過對達成度的總結(jié)分析，實現(xiàn)對教學(xué)方法、內(nèi)容和評價方法進行必要的教學(xué)改革。

北京石油化工學(xué)院計算機組成原理課程設(shè)計的課程與畢業(yè)要求指標(biāo)點的對應(yīng)關(guān)系及權(quán)重系數(shù)見表1。

計算機專業(yè)2014計算機組成原理課程設(shè)計畢業(yè)指標(biāo)點達成度統(tǒng)計表見表2，分為2套實驗方案的學(xué)生達成度統(tǒng)計，第1套實驗方案的樣本數(shù)為58人，第2套實驗方案的樣本數(shù)為20人。

其中，第1套實驗方案基于16位機指令系統(tǒng)的設(shè)計與微程序控制器實現(xiàn)，第2套實驗方案基于FPGA+VHDL的CPU設(shè)計。通過表2的數(shù)據(jù)分析可知，完成第2套實驗方案學(xué)生在指標(biāo)點3.1、4.2、4.3、5.1、5.3的達成度明顯高于采用第1套實驗方案的學(xué)生，在對學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具這3個畢業(yè)要求的培養(yǎng)上，第2套實驗方案優(yōu)于第1套方案。

表1　計算機組成原理課程設(shè)計與畢業(yè)要求指標(biāo)點對應(yīng)關(guān)系及權(quán)重系數(shù)

表2　計算機專業(yè)2014計算機組成原理課程設(shè)計指標(biāo)點達成度統(tǒng)計表

3.3 改革思路

在之前改革試點取得一定成果的基礎(chǔ)上，我們計劃在計算機專業(yè)分層次推行2套實驗和課程設(shè)計方案，第1套繼續(xù)使用原有實驗教學(xué)內(nèi)容，完成運算器、存儲器、微程序控制器等模塊的驗證實驗，課程設(shè)計的內(nèi)容是16位教學(xué)機指令系統(tǒng)的設(shè)計與微程序控制器實現(xiàn)，但要增加擴展指令的功能設(shè)計；第2套采用FPGA+VHDL技術(shù)方案，在THINPAD開發(fā)板上完成寄存器堆、算術(shù)邏輯運算單元、內(nèi)存儲器訪問等模塊的設(shè)計實驗，在課程設(shè)計的教學(xué)環(huán)節(jié)完成多周期的CPU的設(shè)計，并逐步向流水CPU設(shè)計過渡。通過2套不同層次方案的實踐，為今后的計算機組成實驗全面鋪開FPGA+VHDL技術(shù)方案，從實驗內(nèi)容、指導(dǎo)方法、考核方式等多方面積累經(jīng)驗。

改革的目標(biāo)是通過一兩年的實施，全面過渡到采用FPGA+VHDL技術(shù)方案的CPU系統(tǒng)設(shè)計，減少甚至最終取消驗證性為主的實驗教學(xué)內(nèi)容，全面增加設(shè)計性和綜合性實驗內(nèi)容。支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)、小組合作研究，全面開放實驗室，改進實驗教學(xué)模式，完成實驗項目的設(shè)計和調(diào)試，努力實現(xiàn)使計算機專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生具有扎實的計算機基礎(chǔ)知識和基本技能，具有社會責(zé)任感、職業(yè)道德、創(chuàng)新意識和人文素養(yǎng)，且工程實踐能力強，成為面向軟件與信息服務(wù)行業(yè)的高級計算機應(yīng)用型人才這一培養(yǎng)目標(biāo)。

4 相關(guān)課程的教學(xué)改革

（1）掌握硬件描述語言對學(xué)生的發(fā)展是極為有益的。目前，北京石油化工學(xué)院計算機組成原理課程的理論學(xué)時為48學(xué)時，完成課程教學(xué)大綱所要求的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)很緊張，再增加硬件描述語言的教學(xué)內(nèi)容，幾乎是不可能的。北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的軟教學(xué)環(huán)境，組織學(xué)習(xí)小組，提前分配實驗任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，是非?？尚械?。同時，為緩解計算機組成原理課程的學(xué)時壓力，學(xué)院還統(tǒng)籌安排硬件類課程的教學(xué)內(nèi)容，修改先修的數(shù)字邏輯課程和電子工程設(shè)計課程的教學(xué)大綱，將硬件描述語言的有關(guān)內(nèi)容增加到理論和實驗教學(xué)中。

（2）修訂教學(xué)大綱，將控制器設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容過渡成組合邏輯控制器的工作原理和設(shè)計方法為主、微程序控制器為輔的教學(xué)內(nèi)容。控制器作為計算機的核心部件，其設(shè)計一直是該課程的教學(xué)重點。從控制信號的產(chǎn)生原理、實現(xiàn)方式的角度而言，控制器可以分為微程序控制器和組合邏輯控制器。北京石油化工學(xué)院的教學(xué)重點主要是微程序控制器設(shè)計方案，并有配套的實驗教學(xué)內(nèi)容，該方案通過設(shè)計指令微程序，產(chǎn)生指令實現(xiàn)所需的控制信號，易教易學(xué)。伴隨計算機新技術(shù)尤其是EDA技術(shù)的發(fā)展，新興計算機結(jié)構(gòu)如RISC中廣泛應(yīng)用的是執(zhí)行速度更快、硬件上由組合邏輯門電路和觸發(fā)器構(gòu)成的組合邏輯控制器[7]。通過計算機組成原理課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握硬件描述語言，掌握基于EDA的CPU設(shè)計技術(shù)，這對于提高學(xué)生的就業(yè)競爭力和提高我國計算機的設(shè)計水平方面都是很有價值且值得一做的。

5 結(jié) 語

北京石油化工學(xué)院通過對計算機組成原理及課程設(shè)計實驗方案和考核方法的精心設(shè)計，在實驗內(nèi)容上增加了基于FPGA+VHDL的CPU設(shè)計，在考核方法上采用評分量表的形式對學(xué)生進行過程性評價，并且在2016—2017學(xué)年初步實施，在課程設(shè)計的組織、管理、考核方面獲得了可觀的教學(xué)經(jīng)驗。實用性、前沿技術(shù)和硬件實驗的趣味性是該實驗方案的特點和優(yōu)點所在，通過三者的結(jié)合，教師在課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)重點上也做出了相應(yīng)的教學(xué)改革，使之更加有針對性和對應(yīng)性，特點鮮明；學(xué)生在設(shè)計實現(xiàn)多周期CPU時，選用的是現(xiàn)代計算機主流應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，學(xué)生具有很高的學(xué)習(xí)興趣，課程受到學(xué)生的歡迎，學(xué)生反映非常好。

總之，改革計算機組成原理實驗中的陳舊內(nèi)容、教學(xué)模式及其實驗平臺，在實驗中引入硬件描述語言、硬件開發(fā)工具和技術(shù)，是計算機組成原理及課程設(shè)計實驗今后的發(fā)展趨勢。

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