樊彥恩，張俊霞

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230026）

0 引言

信息和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對計算機(jī)專業(yè)人才的綜合素質(zhì)、競爭能力和創(chuàng)新能力的要求越來越高。為推動我國計算機(jī)領(lǐng)域創(chuàng)新人才培養(yǎng)，為我國高端芯片及核心系統(tǒng)的技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化培養(yǎng)后備人才，教育部高等學(xué)校計算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會（簡稱“計算機(jī)類教指委”）和系統(tǒng)能力培養(yǎng)專家組共同發(fā)起 “全國大學(xué)生計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽”。大賽以賽促學(xué)、以賽促教，助力我國高校與企業(yè)產(chǎn)學(xué)研合作的健康、快速發(fā)展。其中，“龍芯杯”作為該賽事的CPU賽道（以下簡稱CPU設(shè)計大賽），以計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計、分析、優(yōu)化、應(yīng)用為目標(biāo)，涉及到計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的CPU、操作系統(tǒng)和編譯器3個方向的知識，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀、創(chuàng)新力、工程實(shí)踐能力和團(tuán)隊協(xié)作精神。

計算機(jī)組成原理作為計算機(jī)專業(yè)最重要的核心基礎(chǔ)課之一，其教學(xué)內(nèi)容是軟件與硬件的結(jié)合，不僅涉及計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中下層的數(shù)字邏輯電路設(shè)計和指令系統(tǒng)，還涉及到上層的操作系統(tǒng)和編譯程序等軟件技術(shù)，在整個計算機(jī)專業(yè)教學(xué)中起著承上啟下的作用［1-2］。該課程對于學(xué)生完整理解計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)地建立計算機(jī)整機(jī)概念，具有非常重要的作用。

近年來，在全國計算機(jī)教學(xué)指導(dǎo)委員會的指導(dǎo)和推動下，各高校都在進(jìn)行計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)改革［3-5］。其中，針對計算機(jī)組成原理實(shí)驗課程教學(xué)改革的研究與探討工作也在不斷發(fā)展和完善中。北京工業(yè)大學(xué)教學(xué)硬件課程組分析并梳理了計算機(jī)類競賽典型參賽作品中涉及到的各種硬件知識點(diǎn)，在計算機(jī)組成原理這一核心課程上，借鑒了競賽的CPU架構(gòu)，增加了一些典型外設(shè)的連接任務(wù)等內(nèi)容［6］。針對計算機(jī)組成原理實(shí)驗課程特點(diǎn)，成都大學(xué)提出將科技競賽與其融合，通過建立具有科技競賽背景的教師團(tuán)隊進(jìn)行教學(xué)改革［7］。硬件實(shí)驗平臺對于計算機(jī)組成原理的實(shí)驗課程教學(xué)具有重要意義。合肥工業(yè)大學(xué)教學(xué)課題組通過分析安徽省系統(tǒng)能力培養(yǎng)競賽題目和成績，以及對部分院校計算機(jī)組成原理實(shí)驗平臺的調(diào)查，提出以ModelSim為主要實(shí)驗平臺，以仿真為主的輕量級實(shí)驗體系［8］。南京郵電大學(xué)和北京科技大學(xué)通過引入龍芯開源 CPU的教學(xué)實(shí)驗平臺，開展了一系列教學(xué)改革嘗試［9-10］。綜上所述，各高校對計算機(jī)組成原理實(shí)驗課程的教學(xué)改革主要集中在實(shí)驗平臺、教學(xué)方法以及硬件外設(shè)應(yīng)用方面，并取得了預(yù)期成效［11-12］。然而，鮮有教改在實(shí)驗內(nèi)容中增設(shè)軟件技術(shù)和CPU功能調(diào)試技術(shù)，這兩方面內(nèi)容對于學(xué)生建立系統(tǒng)觀和鍛煉工程實(shí)踐能力非常有幫助。在計算機(jī)組成原理實(shí)驗的考核方面，目前的主流方式是實(shí)驗檢查，將實(shí)驗報告與平時成績相結(jié)合。在實(shí)驗檢查時，由于助教的知識水平和評判標(biāo)準(zhǔn)差異，給出的分?jǐn)?shù)帶有一定的主觀性，并且區(qū)分度較小。因此，對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行科學(xué)、有效的量化顯得尤為重要。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系春季學(xué)期開設(shè)的計算機(jī)組成原理實(shí)驗課程要求學(xué)生在FPGA開發(fā)板上設(shè)計出一個最小計算機(jī)硬件系統(tǒng)。其核心是針對給定的RISC-V指令系統(tǒng)，采用硬件描述語言Verilog HDL，在FPGA芯片上設(shè)計出擁有完整CPU架構(gòu)的片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）。為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)觀和工程實(shí)踐能力，課題組將CPU設(shè)計大賽中涉及到的計算機(jī)系統(tǒng)硬件、軟件知識點(diǎn)以及CPU功能調(diào)試技術(shù)，經(jīng)過研究、裁剪和融合，滲透到計算機(jī)組成原理實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容中，將在CPU設(shè)計大賽中采用的系統(tǒng)測試方法和評分標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中，更新和擴(kuò)充教學(xué)內(nèi)容，將競賽與教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，切實(shí)提高實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量。

1 實(shí)驗課程知識儲備

計算機(jī)組成原理實(shí)驗課程旨在利用電子設(shè)計自動化技術(shù)（Electronic Design Automation，EDA），在FPGA開發(fā)板（Nexys4 DDR）上構(gòu)建一個能正確工作的最小計算機(jī)硬件系統(tǒng)，如圖1所示。該最小計算機(jī)硬件系統(tǒng)由擁有完整CPU架構(gòu)的SoC芯片及其外設(shè)接口設(shè)備組成。其中，開關(guān)和按鍵控制Run Mode模塊輸出時鐘信號clk_cpu，控制CPU工作在單步調(diào)試模式或連續(xù)運(yùn)行模式；CPU通過訪問IO Unit模塊管理外設(shè)，如驅(qū)動開發(fā)板上的LED燈、數(shù)碼管，并接收外部開關(guān)、按鍵的輸入等。在數(shù)字電路理論和實(shí)驗課程中，學(xué)生已經(jīng)掌握在Vivado集成環(huán)境下，采用Verilog HDL語言在FPGA芯片上進(jìn)行數(shù)字邏輯單元設(shè)計和簡單的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計。其次，在計算機(jī)組成原理理論課程中，學(xué)生深入學(xué)習(xí)了RISC-V指令系統(tǒng)，以及單周期、多周期和流水線CPU數(shù)據(jù)通路設(shè)計。計算機(jī)組成原理實(shí)驗課程建立在此基礎(chǔ)上，從設(shè)計CPU部件級電路開始，逐步完成RISC-V體系結(jié)構(gòu)的完整CPU設(shè)計。

Fig.1 Schematic diagram of minimum computer hardware system圖1 最小計算機(jī)硬件系統(tǒng)原理

2 實(shí)驗課程內(nèi)容設(shè)置

計算機(jī)組成原理實(shí)驗課程旨在以“搭積木”的方式構(gòu)建一個能正確工作的最小計算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)驗內(nèi)容主要包括CPU調(diào)試技術(shù)以及CPU部件級設(shè)計、編譯工具使用及匯編程序設(shè)計、單周期CPU設(shè)計、流水線CPU設(shè)計和綜合設(shè)計。其中，CPU作為計算機(jī)系統(tǒng)的核心器件，是實(shí)驗課程中需要重點(diǎn)設(shè)計的部分。最小計算機(jī)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

Fig.2 Working principle of minimum computer system圖2 最小計算機(jī)系統(tǒng)工作原理

2.1 CPU部件級設(shè)計

CPU硬件架構(gòu)由一系列功能部件組成，如算術(shù)邏輯單元（Arithmetic and Logic Unit，ALU）、寄存器、存儲器等。這些功能部件通過數(shù)據(jù)通路與控制器互連，實(shí)現(xiàn)了一個指令的5個處理步驟：取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、寫回。在實(shí)驗課程中，部件級實(shí)驗主要包括ALU設(shè)計及其應(yīng)用、寄存器堆與存儲器設(shè)計。

2.2 編譯工具使用及匯編程序設(shè)計

“龍芯杯”CPU設(shè)計大賽的初衷在于提高學(xué)生的計算機(jī)系統(tǒng)能力，參賽隊員不僅要掌握CPU的工作原理及設(shè)計方法，而且需要了解基于GNU編譯套件（GNU Compiler Collection，GCC）編譯的一般過程，即一個C或匯編程序是如何一步步轉(zhuǎn)化為一個可執(zhí)行文件的。由于待測試的最小計算機(jī)硬件系統(tǒng)沒有運(yùn)行任何操作系統(tǒng)，無法直接運(yùn)行可執(zhí)行文件，因此需要利用RAM IP的初始內(nèi)容加載功能?；诖?，課題組設(shè)計了GCC交叉編譯工具的使用和匯編程序設(shè)計方面的實(shí)驗內(nèi)容。

2.2.1 GCC交叉編譯工具使用

結(jié)合CPU設(shè)計大賽中對交叉編譯工具的使用要求，同時借鑒美國一流大學(xué)UC-Berkeley、Stanford大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等在相關(guān)實(shí)踐課程方面的教學(xué)理念及教學(xué)思路［13］：“C語言程序→匯編語言程序→機(jī)器目標(biāo)代碼→處理器結(jié)構(gòu)”，在單周期CPU設(shè)計實(shí)驗開始之前，課題組安排了GCC交叉編譯工具的使用實(shí)驗。學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)書完成虛擬機(jī)環(huán)境搭建，通過使用GCC工具和簡單的Linux 操作命令，將一個簡單的C語言程序hello.c通過編譯、匯編、鏈接，轉(zhuǎn)換成目標(biāo)機(jī)器代碼。該實(shí)驗作為一個驗證性實(shí)驗，具有很強(qiáng)的綜合性，旨在幫助學(xué)生理解高級語言與機(jī)器語言之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，使學(xué)生對一個程序的處理過程以及計算機(jī)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)是如何協(xié)調(diào)工作的，有一個全面了解，初步建立計算機(jī)系統(tǒng)概念。

2.2.2 匯編程序設(shè)計

計算機(jī)組成原理實(shí)驗要求學(xué)生在FPGA開發(fā)板上設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一個最小計算機(jī)硬件系統(tǒng)，然后通過在該計算機(jī)硬件系統(tǒng)上運(yùn)行測試程序來完成CPU的功能驗證。該測試程序通常采用C語言或匯編語言編寫。編寫C語言代碼比較方便、快捷，適合編寫復(fù)雜程序；匯編語言在編寫時雖然比較繁瑣，但可以明確控制指令順序，編譯結(jié)果。因此，幫助學(xué)生學(xué)會閱讀并設(shè)計匯編程序非常有必要的。

在匯編程序設(shè)計實(shí)驗中，要求學(xué)生設(shè)計匯編程序，實(shí)現(xiàn)斐波那契—盧卡斯數(shù)列，然后利用匯編仿真工具Rars（RISC-V Assembler and Runtime Simulator），將匯編程序的代碼段與數(shù)據(jù)段分別轉(zhuǎn)換成inst.coe和data.coe文件。該coe文件即可作為后續(xù)CPU的功能測試程序。

2.3 CPU調(diào)試技術(shù)

從學(xué)生做實(shí)驗的周期來看，仿真和調(diào)試所占比重相對較大，也是學(xué)生反饋?zhàn)疃鄦栴}的地方。CPU設(shè)計大賽給出了一套基于Trace比對的調(diào)試仿真技術(shù)［14］，其核心思想是單步調(diào)試策略，能夠判斷每一行代碼的運(yùn)行結(jié)果是否正確，可以幫助參賽者對自己的設(shè)計進(jìn)行仿真驗證。但在實(shí)際調(diào)試過程中，經(jīng)常會碰到仿真上板行為不一致的情況，更多時候是仿真正常，上板異常。由于學(xué)生上板調(diào)試能力較弱，導(dǎo)致很難定位錯誤?；诖?，課題組借鑒基于Trace比對的調(diào)試仿真技術(shù)核心思想：單步調(diào)試策略，對本部分實(shí)驗內(nèi)容作如下安排：①設(shè)置Vivado在線調(diào)試工具ILA（Integrated Logic Anylyzer）；②通過FPGA開發(fā)板上的撥碼開關(guān)控制Run Mode模塊，控制CPU工作在單步運(yùn)行或連續(xù)運(yùn)行模式；③在單步運(yùn)行模式下，通過按鍵控制Run Mode模塊輸出時鐘脈沖，即按一次按鍵，輸出一個時鐘脈沖。

在上板異常時，首先控制CPU運(yùn)行在單步運(yùn)行模式，然后按下時鐘脈沖觸發(fā)按鍵，通過單步調(diào)試的“慢動作”運(yùn)行程序的每一行代碼，之后利用ILA工具抓取關(guān)鍵的調(diào)試信號，如PC值、從RF讀出的數(shù)據(jù)rf_data、從數(shù)據(jù)存儲器讀出的數(shù)據(jù)m_data、RF的寫回數(shù)據(jù)wb，以及各流水段寄存器控制信號ctrl、ctrlm、ctrlw等，能夠看到每一行代碼的運(yùn)行行為是否符合預(yù)期，從而及時定位出錯點(diǎn)，如圖3所示。其中，clk_cpu是CPU模塊的時鐘信號，將clk_cpu的上升沿作為觸發(fā)條件。

Fig.3 CPU single step running ILA interface圖3 CPU單步運(yùn)行ILA界面

2.4 CPU設(shè)計

2.4.1 單周期 CPU設(shè)計

為了使學(xué)生能夠在最短時間內(nèi)接觸到CPU設(shè)計的核心知識，課題組從基礎(chǔ)整數(shù)指令集RV32I中選取10條最具代表性的指令，構(gòu)建最小計算機(jī)系統(tǒng)。10條指令分別為：add，addi，sub，auipc，lw，sw，beq，blt，jal，jalr，其功能介紹如表1所示。實(shí)現(xiàn)上述10條指令的單周期CPU數(shù)據(jù)通路如圖4所示。

Table 1 The instructions implemented by CPU表1 CPU需要實(shí)現(xiàn)的指令

Fig.4 Datapath of single-cycle CPU圖4 單周期CPU數(shù)據(jù)通路

2.4.2 流水線CPU設(shè)計

流水線是現(xiàn)代工業(yè)體系的關(guān)鍵思想。在現(xiàn)代CPU中，為了縮短數(shù)據(jù)通路、提升主頻，設(shè)計者使用多組寄存器將CPU的各個部分分割開來，形成了指令與數(shù)據(jù)的流水線。一般來說，電路主頻越高，所需的流水線的級數(shù)則越多，但這并不意味著級數(shù)越多越好。由于觸發(fā)器本身存在延時，兩級流水線之間的路徑和組合邏輯都會引入延時，因此主頻不能無限提高。其次，流水線級數(shù)越多，所帶來的相關(guān)性問題便會越復(fù)雜。在本實(shí)驗中，采用最經(jīng)典的5級流水線設(shè)計，每條指令均包含IF（Instruction Fetch，取指令）、ID（Instruction Decode，譯碼）、EX（Execution，執(zhí)行）、MEM（Memory Access，訪存）和 WB（Write Back to Register，寫回）5個步驟。

流水線CPU可能存在3類相關(guān)問題［15］：結(jié)構(gòu)相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)。本實(shí)驗要求學(xué)生在單周期CPU數(shù)據(jù)通路基礎(chǔ)上，設(shè)計出相同指令集的流水線CPU數(shù)據(jù)通路，然后按照以下4個步驟設(shè)計并運(yùn)行CPU：

步驟1：設(shè)計理想流水線CPU，并能夠運(yùn)行無數(shù)據(jù)相關(guān)和轉(zhuǎn)移指令的測試程序（指令存儲器加載no_hazard.coe）。

步驟2：設(shè)計僅有數(shù)據(jù)相關(guān)檢測和處理單元的流水線CPU，并能夠運(yùn)行僅有數(shù)據(jù)相關(guān)的測試程序（指令存儲器加載data_hazard.coe）。

步驟3：在步驟2的基礎(chǔ)上，增加控制相關(guān)檢測和處理單元的流水線CPU，并能夠運(yùn)行僅有數(shù)據(jù)相關(guān)和轉(zhuǎn)移指令的測試程序（指令存儲器加載hazard_test.coe）。

步驟4：運(yùn)行測試程序，計算斐波那契—盧卡斯數(shù)列，查看時序報告和資源利用率，并與單周期CPU運(yùn)行結(jié)果作比對。

2.5 綜合設(shè)計

經(jīng)過前面對CPU部件級設(shè)計、匯編語言程序設(shè)計、單周期CPU設(shè)計、流水線CPU設(shè)計及CPU調(diào)試技術(shù)的實(shí)踐訓(xùn)練后，學(xué)生基本掌握了在FPGA開發(fā)板上設(shè)計出一個最小計算機(jī)硬件系統(tǒng)的方法，并且熟悉了FPGA開發(fā)板的外設(shè)資源。在本實(shí)驗課程的最后，課題組安排了綜合設(shè)計實(shí)驗。

綜合設(shè)計實(shí)驗要求學(xué)生分組完成，每組由2名同學(xué)分工合作，從而鍛煉學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作的能力。實(shí)驗結(jié)果評估采用項目答辯的形式，每個小組選派代表上臺，通過PPT和視頻展示，介紹項目設(shè)計原理和特點(diǎn)，鍛煉學(xué)生的心理素質(zhì)；通過問答環(huán)節(jié)，提升學(xué)生主動探索的熱情和學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)各個小組之間的對抗性。

3 實(shí)驗考核評價

實(shí)驗考核評價是實(shí)驗教學(xué)過程中非常重要的一環(huán)，建立科學(xué)的實(shí)驗考核評價機(jī)制是保證實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量的重要手段［16］。在單周期和流水線CPU實(shí)驗的考核過程中，由于系統(tǒng)功能復(fù)雜，對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行科學(xué)有效的量化則顯得尤為重要。課題組借鑒了部分CPU設(shè)計大賽中的評分標(biāo)準(zhǔn)，將CPU實(shí)驗考核劃分為功能測試得分和性能測試得分。

（1）功能測試得分以正確通過CPU測試程序中的指令項數(shù)為評價依據(jù)。計算方法由式（1）所示：

學(xué)生每次測試通過一部分指令即可得到一部分分?jǐn)?shù)，不僅提高了學(xué)生對實(shí)驗的興趣，而且還能較好地了解學(xué)生的完成情況。

（2）性能測試得分以CPU運(yùn)行測試程序所需的時間為評價依據(jù)。在FPGA內(nèi)部集成1個時鐘周期計數(shù)器，并將計數(shù)值顯示在外設(shè)數(shù)碼管上?；居嬎惴椒ㄈ缦拢?/p>

課題組設(shè)置一個最小和最大執(zhí)行時間，性能測試分值分別定義為100分和0分，學(xué)生成績映射至［0，100］區(qū)間。

程序執(zhí)行時間的計算方法如式（2）所示：

性能得分計算如式（3）所示：

其中，參數(shù)k、b由最大執(zhí)行時間和最小執(zhí)行時間決定。

4 教學(xué)效果

經(jīng)過計算機(jī)組成原理實(shí)驗課程的訓(xùn)練后，絕大多數(shù)學(xué)生能夠針對給定的RISC-V指令系統(tǒng)，在FPGA開發(fā)板上設(shè)計出一個最小計算機(jī)硬件系統(tǒng)；通過對編譯工具的使用及匯編程序設(shè)計，學(xué)生能夠全面理解計算機(jī)系統(tǒng)硬件與軟件之間的銜接關(guān)系。目前匯編程序設(shè)計實(shí)驗在2021年和2022年春季學(xué)期得到實(shí)施，學(xué)生接受程度較高，增加該部分實(shí)驗內(nèi)容的意義是為了幫助學(xué)生初步建立計算機(jī)系統(tǒng)概念。在2022年春季學(xué)期，編譯工具使用、單步調(diào)試思想結(jié)合ILA工具使用和量化實(shí)驗檢查方案的相關(guān)實(shí)驗僅在分級教學(xué)中面向CPU設(shè)計競賽選拔的提高班得到初步實(shí)施，讓提高班的學(xué)生提前了解CPU設(shè)計大賽的技術(shù)方案，提高學(xué)生參與學(xué)科競賽的積極性。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在2020、2021年度參加提高班的學(xué)生人數(shù)分別是9人和14人，2022年度增加至18人，說明學(xué)生參賽的積極性得到提高。

5 結(jié)語

課題組經(jīng)過不斷探索挖掘，從計算機(jī)組成原理實(shí)驗課程部分設(shè)計內(nèi)容和考核評價體系方面引入了競賽元素，將競賽與教學(xué)有機(jī)結(jié)合，彌補(bǔ)了課程在難度和新穎性方面的不足，引導(dǎo)更多學(xué)生積極參與學(xué)科競賽，從而達(dá)到了以賽促學(xué)、賽教融合的目標(biāo)。該教學(xué)改革方案計劃在2023學(xué)年同時應(yīng)用于計算機(jī)組成原理實(shí)驗分級教學(xué)中的普通班和提高班。