計算機工程專業方向系統設計能力培養體系研究

張鋼　郭煒　車明　魏繼增　李雪威

摘要：設計計算機系統的能力已經成為衡量計算機工程專業方向本科學生能力的重要指標，但是培養學生的計算機系統設計能力并不容易。文章提出借鑒CDIO的思想，以硬件描述語言為設計工具、以FPGA為系統實現手段，將系統設計思想和設計實踐貫穿整個計算機工程專業方向人才培養過程。

關鍵詞：計算機工程；系統設計能力；教學改革；實踐教學

1.背景

對計算機工程專業方向的本科學生來說，設計處理器是一個特殊而重要的經歷，是計算機系統設計能力培養不可或缺的重要環節。設計CPU、設計計算機系統的能力已經成為衡量計算機工程專業方向本科學生能力的重要指標。

當計算機系統相對簡單、可以用分立元件或小規模集成電路實現時，通過設計并實現一個計算機系統，可以培養學生的計算機系統設計能力。隨著集成電路技術的發展，微處理器系統快速發展，特別是多核技術、嵌入式系統等領域的發展使計算機系統越來越復雜，對大規模和超大規模集成電路的依賴越來越大。由于一般的大學實驗室缺少硬件條件，對大學本科學生來說，設計和實現一個較復雜的計算機系統變得遙不可及。

集成電路技術的發展也使FPGA技術日趨成熟，為芯片的設計和實現創造了條件，復雜的大規模集成電路不僅不再是培養學生計算機系統設計能力的障礙，而且已經成為培養計算機系統設計能力的重要手段。

目前，該方向比較顯著的問題是學生學習了一系列課程后仍然缺乏基本的系統概念以及利用這些概念進行計算機系統設計的能力，主要原因是缺少將零散知識融會貫通的課程和相應的實踐環節，影響了學生深入理解計算機系統設計思想并提高系統設計能力。

2.研究思路與目標

集成電路技術的發展，使集成電路和處理器的關系密不可分。隨著多核技術的出現，處理器已經變成構成系統級芯片（SoC）的基本單元，因此，從集成電路的功能級設計層面講，計算機系統設計實現采用的方法就是大規模集成電路（VLSI）系統的設計方法。

從卓越人才培養的角度，VLSI系統設計是微處理器的邏輯實現手段，而數字邏輯是計算機組成的物理實現基礎。學生的數字邏輯系統設計能力和VLSI系統設計能力直接決定了其計算機系統設計能力。因此提升學生計算機系統設計能力的關鍵是提升學生的數字邏輯系統設計能力和VLSI系統設計能力。

為了切實提高計算機工程專業方向本科學生的計算機系統設計能力，教學改革研究工作的目標確定為：以數字邏輯設計方法為設計基礎、以硬件描述語言為設計工具、以硬件仿真系統為設計環境、以FPGA為系統實現手段、以計算機系統設計實現為目標和主線，將計算機系統設計實踐完整地貫穿于專業核心課程之中；教學改革研究思路確定為：系統視角、整體優先、設計牽引、講做結合、注重能力。該研究思路不同于一般的課程群，不是簡單的知識點的審視，是“自頂向下”的觀點和“自底向上”的實現的一種結合方法，最終目標是提升計算機工程專業方向本科學生的計算機系統設計能力。

3.研究內容

計算機工程專業方向的主干課程包括數字邏輯、計算機組成原理、匯編語言、計算機系統結構、嵌入式系統、計算機設計與調試、計算機系統設計、VLSI系統設計等。課程各有目標，課程之間有宏觀上的先后順序，有微觀上的相互穿插，有內容上的重疊。經過近幾年的教學研究和改革，各門課程都發生了非常大的變化：VLSI課程中會涉及算術邏輯單元的設計甚至處理器設計方面的內容；匯編語言的作用已經從編程工具轉變為描述和理解計算機系統工作原理的有效工具；HDL語言和仿真工具不再專屬于數字邏輯電路設計領域，已經成為計算機系統設計的通用語言和工具。但是，由于總目標不明確，導致課程分頭講，實驗分頭做，總體學時不少，最終效果欠佳。

筆者的主要研究內容以計算機系統設計為目標，從能力培養的視角看待和理解數字邏輯、計算機組成原理、匯編語言、計算機系統結構、嵌入式系統、計算機設計與調試、VLSI、計算機系統設計等課程，借鑒CDIO的思想，將系統設計思想和設計實踐貫穿整個計算機工程專業方向人才培養過程。

3.1重新審視和修訂教學計劃

在研究過程中，我們首先整理涉及的各門課程的全部知識點，對相互影響的重要知識點整體排序，整合相近和相似的知識點，歸并出一些重要的專題，提出有利于培養計算機系統設計能力的完整實踐教學體系，全線引入HDL語言，全線引入基于FPGA開發板的設計實驗，緊密配合理論課、設計方法課、實踐課，形成“學習-構思-設計-實現”的完整過程。

3.2數字邏輯電路設計課程內容的改革

數字邏輯電路設計課程改革的研究重點是設法強化和提升學生使用硬件描述語言說明硬件系統的能力，將硬件設計語言的介紹提前到課程的開始部分，使學生在學習數字邏輯電路設計過程中就開始使用硬件設計語言，相當于使學生掌握了一個設計工具，為計算機組成原理課程和計算機系統結構課程提供支持，另外，從教學上形成學習數字邏輯電路設計就是學習集成電路設計的理念。數字邏輯電路設計課程的實驗既有使用邏輯電路器件搭建實驗電路的傳統型實驗，又有使用FPGA開發板的設計實驗。

3.3計算機組成原理課程的教學改革

計算機組成原理課程借鑒“深入理解計算機系統”教材中的思想，調整了部分課程內容和授課重點，比如，在數據表示部分增加了C語言的整數表示以及比較運算的示例，在存儲器部分增加了程序訪問局部性原理的C語言示例，在指令系統部分增加了尋址方式的C語言示例等。增加C語言的示例是進行教學視角調整的一種嘗試，由于學生已經學習過C語言，已經初步掌握了編程方法，但是并不清楚程序在計算機內部，特別是在計算機系統底層硬件中是如何表示、如何執行的。通過在計算機組成原理課程中增加一些C語言的示例，讓學生真正理解程序的執行過程。

3.4計算機系統結構課程內容的調整

計算機系統結構課程在課程內容方面進行了一些調整，主要為了更好地與計算機組成原理和計算機設計與調試等課程銜接。增加多核處理器和多線程調度等方面的內容；對教材中給出的一些具體處理器實例給予更多關注，比如Pentium、PowerPC和MIPS處理器實例等；重視向量運算和向量處理器部分的內容。

3.5計算機設計與調試課程實踐教學改革

計算機設計與調試課程把以往讓學生設計實現一個有十幾條基本指令的微程序控制器改變為設計實現向量協處理器；以PowerPC RISC處理器的指令系統為參考，把設計PowerPC擴展指令協處理器AltiVec模塊中的VSFX指令部分作為教學內容。整個設計任務分為8個相互聯系、難度逐步增加的子任務，通過教師引導、分組討論、學生實踐、實現設計、完成測試等一系列教學環節，讓學生完成協處理器中的部分設計工作并熟悉完整的協處理器的設計與調試方法。

3.6嵌入式系統設計課程實踐教學改革

嵌入式系統設計課程開發出嵌入式系統計算機結構及相關軟件的綜合實驗，使硬件與軟件相結合，強化對學生計算機綜合開發應用能力的培養，提高學生的實踐能力。綜合實驗要求學生完成一個嵌入式系統開發實現的全過程，包括完成硬件、軟件的功能分配，進行主控數字系統硬件的設計和制作，設計驅動和功能軟件，硬件、軟件的分別測試與綜合測試等。

3.7VSLI系統設計課程實踐教學改革

VSLI系統設計課程的實踐教學改革，把實踐分為3種類型：課程實驗、自主實驗和課程設計，3種類型的實驗全部基于Nexys3 FPGA開發板進行設計。課程實驗包括Xifinx FPGA設計流程、Nexys3 FPGA開發板主要模塊接口設計和基于IP的數字電路設計等。自主實驗部分的題目類型包括：串一并轉換電路、FIFO存儲器設計、大數加法器設計和HR數字濾波器設計等。課程設計部分的題目類型包括密碼協處理器設計、數字信號協處理器設計和圖像處理協處理器設計等。

4.實驗室建設

天津大學計算機科學與技術學院2006年建立了數字邏輯電路設計實驗室、計算機組成實驗室、計算機系統結構實驗室、嵌入式系統實驗室，建立了超大規模集成電路設計與應用研究所。實驗室配備了數字邏輯實驗臺、計算機組成原理實驗臺、計算機系統結構實驗臺（帶有FPGA模塊）、嵌入式系統設計實驗臺等教學實驗設備。這些實驗室和實驗設備能夠滿足常規的計算機系統實驗，但對計算機系統設計能力培養的支持還不夠。為此，學院2013年與美國Xilinx公司合作，建立了天津大學一美國Xilinx公司計算機系統設計聯合實驗室，實驗室配備了50多塊Nexys3 FPGA開發板，實驗時可以滿足每人一塊開發板的要求。

超大規模集成電路設計與應用研究所于2012年引進BEECube公司先進的BEE3系統，該系統基于計算機系統的第三代商用FPGA系統，包括4個Virtex 5 FXT FPGA芯片，以及高達64GB的DDR2 ECC DRAM和8個用于模塊間通信的10GigE接口。

有了Nexys3 FPGA開發板和BEE3系統，我們具備了實現學生設計的各種計算機系統的設備平臺，為培養學生計算機系統設計能力提供了強有力的支撐。

5.結語

經過兩年多的教學改革與實踐，在新的教學改革思路指引下，學院調整了教學計劃和課程內容，建設了新的實驗室，引入了新的實踐手段和方法，教學研究和改革實踐工作取得了初步成效?！坝嬎銠C學院教學管理過程化規范化改革”和“嵌入式系統設計課程實踐教學改革”兩項教學研究成果獲得2013年天津大學教學成果二等獎。

（編輯：孫怡銘）