應用ＥＤＡ技術改革“計算機組成原理”課程設計

張　亮

摘要:本文研究分析了國內“計算機組成原理課程設計”相關課程的開設情況,提出應用EDA技術,從實驗教學體系改革、實驗教學軟硬件設備及教材的建設、實驗教學內容的設計、實驗教學的組織方式等幾個方面實施改革的設想,并介紹了實施效果和實施過程中亟待改進的問題。

關鍵詞:計算機組成原理;EDA技術;課程設計

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1背景

“計算機組成原理課程設計”是計算機科學與技術專業本科教學階段的核心專業基礎課程“計算機組成原理”的重要實踐教學環節。其先修課有“數字邏輯”及其實驗,其后繼課程有“計算機體系結構”,“編譯技術”,“接口與通訊技術”等。

本課程起著承上啟下的重要作用,通過本課程的各項實驗,使同學進一步掌握計算機各部件的基本原理和結構,掌握計算機各部件的基本設計方法和實驗方法,幫助同學建立計算機時間—空間的整體概念,鞏固課堂知識,初步培養學生的實驗操作能力和分析解決問題能力。

但是以前的教學實踐中在CPU硬件設計這一重要內容方面存在不足。CPU、DSP處理器乃至計算機系統的設計技術及相關課程隨著新技術的發展應該成為計算機科學與技術專業中重要的組成部分,計算機專業對于軟硬件綜合設計人才的培養是責無旁貸的,也是本專業的特色與亮點。作為計算機專業的人員,如果只會使用計算機而不會設計CPU 和計算機,那么和其他專業比較就沒有優勢,不符合計算機專業的辦學宗旨而缺失市場競爭性。

調研表明,國內大多高校僅將“計算機組成原理”定位為“計算機科學導論”和計算機模型認知的層面上;而在實驗與實踐方面,“計算機組成原理”的實驗則主要是在一些由分離元件構成的實驗平臺上,完成簡單模型CPU的驗證性實驗,基本談不上設計。這顯然難以滿足教育部在《關于加強高等學校本科教學工作,提高教學質量的若干意見》中關于“高等學校要重視本科教學的實驗環節,保證實驗課的開出率達到本科教學合格評估標準,并開出一批新的綜合性、設計性實驗”的要求。

隨著科學技術的發展,核心技術已經愈來愈集中在集成電路芯片和軟件這兩項之中,其中CPU 和OS設計技術是最核心的兩項技術,特別是高性能計算機技術一直是衡量國家實力的一個重要標志。美國、日本和西歐等國都作為一種國家行為,不斷加大這方面的資助力度。美國的許多高校本科計算機專業中也都安排了CPU 設計方面的課程和實驗內容,例如麻省理工學院的一門相關課程是“計算機系統設計”。學生在實驗課中,須自主完成(即自行設計)ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU,乃至實現流水線32位MIPS CPU和Cache的設計。斯坦福大學計算機系的本科生也有相似的課程和實驗,即“計算機組成與設計”課,實驗要求學生以各自獨立的形式,用VHDL語言自主實現CPU、VGA顯示控制模塊等接口,并最后實現于FPGA中,及完成軟硬件調試。此外,如加利福尼亞大學和伯克利大學等學校在基于FPGA 的超級計算機研制方面都實現了大量成果。因此我們有必要向國外的先進教學實踐學習,應用EDA技術改革“計算機組成原理”課程的實踐教學環節。

2改革目標

基于以上問題的考慮,學院計算機體系結構教學組經過調查研究,深入討論,決定改變基于小型模擬計算機系統的實驗教學模式,采用基于硬件描述語言方式,通過讓學生實際進行計算機各個組成部件的設計方式進行實驗教學,以提高實驗教學水平。

為了更好地貫徹學院的本科教學培養計劃,培養出基礎知識扎實,具有創新意識,善于自主學習,實踐能力較強的計算機高級專門人才,我們提出了“計算機組成原理”實驗教學環節的下列改革目標。

2.1與基于EDA的現代工程設計接軌

首先,在“計算機組成原理課程設計”中增加向工程實際轉化的符合現代計算機系統工程設計規范的硬件設計內容。在傳統的實驗模式中雖也有“設計”內容,但主要是根據不同實驗系統各自規定的方法,用既定的分離元件和接口器件進行拼裝搭接而成,學生無法從這樣的“設計”過程中了解真實的現代實用CPU基本設計技術。

其次,使學生在了解計算機組成原理和軟件設計技術的同時,學會計算機硬件設計技術。計算機的軟硬件設計技能是一個合格的計算機專業學生本應具備的基本知識,離開了硬件設計,自主創新能力的培養便無從談起。以前不少計算機專業學生只將注意力和興趣集中在各種編程環境、開發工具、數據庫、計算機網絡的技術上面,對于硬件技術的學習和應用研究不感興趣或忘而生畏,培養學生掌握計算機硬件設計技術,能從根本上解決這個問題。

2.2培養創造能力

從創造能力培養的角度看,軟件設計人員只須擁有邏輯上的單向一維思維能力就能保證軟件設計的成功,即過量單純的軟件設計,不斷強化設計者純邏輯性思維和收斂性思維。顯然,這與培養植根于多維多向的發散性思維方式和非邏輯思維方式的創造能力是相違背的。因此,多數純軟件設計訓練只能歸類為技能性和知識性訓練。

硬件系統設計則不同。首先,硬件系統可以有許多相關或互為獨立的模塊組成,相關模塊的關系可以是同步,也可以是異步。其次,硬件系統設計本身并不能離開軟件設計,因此硬件系統的構建是一個軟硬綜合的并發系統,設計和把握它自然必須擁有并發和多維的思想方法。例如在時序問題和競爭冒險問題的解決上有時還可能用上非邏輯思維方法。而Verilog HDL語言正是描述和設計硬件系統的計算機語言,它的語句都是并發的,甚至包括進程中的順序語句。基于EDA技術和Verilog的計算機設計訓練無疑十分有利于強化發散性思維和自主創新能力的培養。

3實施方案

3.1實驗教學體系的改革

計算機專業的硬件基礎實驗課多年來一直采用傳統的芯片搭電路的方法,此方法過于陳舊,限制了學生能動性的發揮。在實驗教學中引入現代EDA技術是必然趨勢。

在計算機組成原理實驗中我們引入該技術,采用先進的虛擬設計及仿真軟件工具quartusII,結合GW48_SOPC實驗箱,可以設計、仿真與硬件下載驗證計算機的各功能部件。

3.2實驗教學軟硬件設備及教材的建設

EDA技術的發展已從根本上改變了傳統電子系統的設計與開發模式,我們必須適應這一趨勢。為此,在學院的大力支持下,我們建設了一個可以容納65人的計算機組成原理專用實驗室,新購置了65臺高性能的PC機及終端桌椅。另外,學院還將采購65臺新型的基于FPGA芯片和EDA環境進行實驗的計算機組成原理實驗臺,該平臺已被國內數十所大學采用。學院的EDA課程實驗即采用類似平臺,兩年多的運行證明性能良好。在實驗軟件工具方面,我們緊跟國際步伐,引入了高級的虛擬設計與仿真軟件工具quartusII。

在教材的建設方面,我們經過兩年的教學實踐,在實驗項目方面有了一定的積累,但距離改革目標還有很大的距離。為了促進教學改革的進一步深入開展,我們將在原有實驗指導手冊的基礎上,增加新的實驗項目,并系統整理與實驗內容相關的硬件描述語言Verilog HDL,quartusII使用手冊及實驗臺技術手冊。在此工作的基礎上,將形成“計算機組成原理課程設計”正式出版的配套教材。另外,我們還將結合多媒體技術開發新的教學課件,并建設相應的課程網站,作為教學強有力的輔助手段。

3.3實驗教學內容的設計

實驗教學內容根據學院實驗計劃大綱要求,結合工程實際來確實,充分考慮了可操作性與可行性。計算機組成原理實驗的最終目的是讓學生能夠設計出CPU,但首先,學生必須初步掌握Verilog HDL硬件設計語言,學會使用quartusII設計工具,知道CPU的各個功能部件如何工作,以及相互之間是如何配合構成CPU的。

因此,為滿足教學需要,實驗教學內容將采用由基本到綜合的方式逐層開展,“必修實驗+選修實驗+綜合實驗”相結合的方式。首先,設計出一個完整的CPU實驗方案,然后再將這個CPU分解出一套功能部件實驗,包括:總線傳輸實驗、運算器實驗、存儲器實驗、數據通路實驗、時序電路的組成、控制原理實驗、微程序控制器實驗等。必修實驗內容主要由這些功能部件實驗作為基礎,同時增加大量相關的其他實驗內容作為選修實驗以供學生選擇,滿足不同層次的需要。必修實驗完成的功能部件在綜合實驗中進行組裝,形成一個完整的CPU。

3.4實驗教學的組織方式

培養學生實驗能力和設計創新能力是我們實驗教學的重要目標。為了貫徹這一指導思想,根據該實驗課程的特點,課堂上教師只是啟發性地講解實驗的關鍵點,其余部分全部由學生獨立完成。每位學生可根據自己的實際能力在完成必修實驗內容的基礎上,還可選做選修實驗以擴大知識面加深理解,完成選做實驗項目者可適當加分。

由于課程的學時數十分有限,因此我們要鼓勵學生在課后自己動手完成大量的選修實驗,任課教師除上課時間外,每周還可以安排一次集中答疑時間,以解決學生在課外實踐中遇到的困難。

實驗中的模塊我們只給出框圖,其具體內容要求學生自己用電路圖或Verilog HDL硬件描述語言完成。在編譯調試過程中遇到困難盡量由學生根據理論所學內容自己解決,并記錄在實驗日志中,讓教師充分了解每位學生的實驗情況。另外每個模塊可以設計一些障礙讓學生修改,提高他們的實驗興趣。實驗內容的安排遵循驗證與設計相結合,注重基礎,突出應用的原則。

課程嚴格遵循課前預習和設計(電路圖和Verilog程序)、課上調試(實驗日志記錄)和驗收、課后完成報告的實驗環節。其中實驗日志記錄是其中一個重要的環節,它將貫穿于整個實驗階段,體現學生實際實驗的情況,是學生獨立實驗的一項重要證明。實驗日志按時間順序主要記錄:實驗進行中遇到的問題及解答;回答實驗教材中以及教師課堂上提出的問題。

3.5實施效果和亟待改進的問題

實驗教學改革方案從2007年春季開始,已經實施了兩個學期。總的來說,實施效果令人滿意,主要體現在以下幾個方面:

(1) 加深了學生對理論課的理解和學習興趣。在實驗課中,通過啟發性地講解實驗關鍵點,使學生能夠將理論課上學到的知識和具體的實驗有機地聯系起來。學生在理論課上學到的主要原理都能應用于具體的實驗項目中。而具體的實驗過程反過來又能加深對原理的理解和認識。兩者之間相輔相成,極大地促進了學生的學習興趣。

(2) 調動了學生學習相關知識的主觀能動性。在實驗課中,一方面教師只講解關鍵點,這樣要完成實驗,學生就必須要自己去主動的查閱相關資料;另一方面實驗內容設置了綜合性實驗和選做性實驗,這些實驗涉及的知識點較多,教材中給的提示相對較少,學生往往需要費一番周折,克服一些障礙,才可能完成實驗。

(3) 大大減少抄襲作業的現象。以前經常出現的抄襲作業現象,由于實驗日志的出現而大大減少。實驗日志記錄是實驗完成過程的一個詳細記錄,是學生和教師共同完成的過程。實驗日志是沒有標準答案的,每個學生的實驗日志也不可能雷同,因而能有效地減少抄襲的出現。

實驗教學改革是一個不斷深入和發展的過程。在方案的實施過程中,也發現了不少亟待改進的問題,其中如何組織好教學內容是至關重要的。一方面要在有限的課時內將理論課中的關鍵知識點融入到實驗內容中,另一方面為了配合好先行和后續課程的教學內容,還要將一些新的知識點和實驗內容融入進來。這樣如何在不增加學時的前提下,將這兩部分內容更加有機的組織起來是日后必須要解決的問題。

4結束語

“計算機組成原理”課程設計的教學改革經過兩學期的實踐摸索,已基本明確了今后進一步展開深入教學改革的方向和目標。下一步將根據規劃好的改革方案,繼續實施各項改革內容,朝著預期目標邁進。

相信在對課程進行了上述改革后,必將極大地調動學生的學習積極性,啟發他們的學習興趣,為培養出基礎知識扎實,具有創新意識,善于自主學習,實踐能力較強的計算機高級專門人才奠定基礎。

科學技術不斷發展,計算機技術更是日新月異。因此,“計算機組成原理”實驗課程的教學方式、方法也需不斷更新變化。改革是一個持續不斷的過程,需要我們不斷地研究與探索。

參考文獻:

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