面向計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機組成原理實驗教學(xué)

丁紅勝

摘要：面向計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)，分析計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)與計算機組成原理教學(xué)的關(guān)系，提出以實現(xiàn)8位機為目標(biāo)，采用EDA編程技術(shù)和模塊化的設(shè)計思想，從設(shè)計運算器、存儲器、控制器及綜合實驗框架等方面具體闡述實驗過程，最后闡述該實驗方法能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的計算機系統(tǒng)觀，引導(dǎo)學(xué)生深層次理解計算機原理。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)能力；實驗?zāi)Ｊ?；計算機組成原理

0.引言

計算機領(lǐng)域的發(fā)展壯大和多元化的發(fā)展趨勢，給計算機教育帶來巨大的挑戰(zhàn)。CS2013（Computer Science Curricula 2013，ACM&IEEE）提出計算機科學(xué)本科畢業(yè)生應(yīng)具備系統(tǒng)層次的視野，強調(diào)學(xué)生需從多層次的細節(jié)抽象思考問題，對計算機的理解應(yīng)超越各種組件的實現(xiàn)細節(jié)，要從計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和構(gòu)建分析過程出發(fā)。在后PC時代，計算機資源多樣化，各種類型的I/O設(shè)備千差萬別，智能手機數(shù)量已經(jīng)超過PC設(shè)備，計算機技術(shù)觸及的應(yīng)用領(lǐng)域更廣更深，對軟硬件的協(xié)同工作要求更高，從業(yè)人員所需的知識量急劇膨脹。在教學(xué)過程中，如何適應(yīng)計算機技術(shù)發(fā)展的新趨勢，培養(yǎng)適合社會發(fā)展需求的大學(xué)生，是高校面對的重大挑戰(zhàn)。我國高校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教指委從能力培養(yǎng)的角度強調(diào)對計算機學(xué)科學(xué)生的4項專業(yè)能力的培養(yǎng)，包括計算思維能力、程序分析與設(shè)計能力、算法分析與設(shè)計能力和計算機系統(tǒng)能力，其中尤以計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)為主。

1.理解計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)與計算機組成原理關(guān)系

培養(yǎng)學(xué)生站在系統(tǒng)的高度分析和解決問題，提高其把握問題的全局能力，是提高學(xué)生能力培養(yǎng)的核心。具體而言，就是培養(yǎng)學(xué)生的計算機系統(tǒng)能力、計算思維能力，而不是灌輸和堆砌知識。計算機系統(tǒng)能力是指計算機系統(tǒng)的分析、設(shè)計、開發(fā)、調(diào)優(yōu)、檢錯能力，這種能力應(yīng)該成為計算機專業(yè)學(xué)生的優(yōu)勢所在。計算機組成原理課程作為計算機專業(yè)研究生入學(xué)考試專業(yè)基礎(chǔ)科目之一，是培養(yǎng)學(xué)生深入理解計算機基本工作原理、建立計算機系統(tǒng)概念的一門學(xué)科基礎(chǔ)課程，是整個計算機學(xué)科專業(yè)和計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心。目前，國內(nèi)一些高水平大學(xué)在如何提高學(xué)生的系統(tǒng)能力方面，做了很多卓有成效的工作。例如，南京大學(xué)袁春風(fēng)教授以培養(yǎng)計算機系統(tǒng)設(shè)計能力為目標(biāo)設(shè)計教學(xué)過程，優(yōu)化課程群建設(shè)；清華大學(xué)劉衛(wèi)東等人從課程體系方面進行了統(tǒng)一規(guī)劃，建設(shè)了計算機系統(tǒng)綜合實驗平臺，學(xué)生可以獨立設(shè)計并完成一個完整、簡單的計算機系統(tǒng)，以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用課程知識解決問題的能力；北航的高小鵬老師給出了以工程化方法培養(yǎng)學(xué)生計算機系統(tǒng)能力的方法。

計算機系統(tǒng)可以用分層模型描述，從低到高包含邏輯電路級、一般機器級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級和高級語言級，一般機器級又可細分為微體系結(jié)構(gòu)層和指令集體系結(jié)構(gòu)層。面向計算機系統(tǒng)能力的教學(xué)，就是要求學(xué)生以程序員的視角理解計算機硬件設(shè)計，以硬件設(shè)計者的角度理解程序執(zhí)行，徹底掌握計算機系統(tǒng)各個抽象層的實現(xiàn)及其相互轉(zhuǎn)換機制、計算機軟硬件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及相互影響。計算機組成原理課程針對微體系結(jié)構(gòu)層和指令集體系結(jié)構(gòu)層的知識體系，向上負責(zé)解釋并執(zhí)行來自操作系統(tǒng)的命令，向下將計算機操作轉(zhuǎn)化為電平信號，驅(qū)動計算機部件執(zhí)行。所以，如何讓學(xué)生有效地掌握組成原理知識，是培養(yǎng)學(xué)生計算機系統(tǒng)能力的一個重要部分。

2.實驗環(huán)境及過程

為了提高學(xué)生對計算機系統(tǒng)的理解能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，避免傳統(tǒng)驗證性實驗導(dǎo)致學(xué)生被動學(xué)習(xí)，我們對計算機組成原理的實驗內(nèi)容和實驗方式進行了改革。實驗的目標(biāo)是讓每位學(xué)生當(dāng)一回工程師，設(shè)計一套計算機系統(tǒng)。具體而言，計算機組成原理實驗的最終目標(biāo)是完成一個8位機系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，是一個包含運算器、控制器、存儲器、輸入輸出功能的完整計算機系統(tǒng)，且多數(shù)功能部件采用EDA硬件編程方式實現(xiàn)。實驗內(nèi)容被分解成7次實驗，包括8位運算器設(shè)計實驗、運算器控制實驗設(shè)計、存儲器存取實驗設(shè)計、指令系統(tǒng)實驗設(shè)計、控制器實驗設(shè)計等。運算器用兩片4位的am2901運算器芯片級聯(lián)構(gòu)成8位運算器，存儲器為SDRAM HM6116，輸入用二進制開關(guān)模擬，輸出部件主要為LED燈和PC終端?？删幊唐骷x用Lattice iM4A5-128/64 10YC-12YI，硬件編程語言采用了ABEL語言，集成化的開發(fā)環(huán)境為isp LEVEL Project Navigator3.0，下載工具使用軟件自帶的LSC isp VMsysteml5.3。通過設(shè)計、編輯、編譯、生成JEDEC文件、下載等步驟，將可編程CPLD芯片變成實驗邏輯部件；然后，連接CPLD芯片和功能部件之間的連線，搭建起完整的數(shù)據(jù)通路；最后，編寫測試程序測試本次實驗結(jié)果的正確性。實驗步驟如圖1所示。

3.綜合實驗框架設(shè)計

7次實驗內(nèi)容由淺入深，針對構(gòu)成計算機系統(tǒng)的不同邏輯功能部件進行實驗，最后在已有基礎(chǔ)上擴展、整合，構(gòu)建一個完整的計算機系統(tǒng)。其中，運算器部件分2次實驗進行：運算器實驗一設(shè)計并實現(xiàn)一個8位的ALU，運算器功能包括兩個8位的二進制數(shù)的加、減、取反、數(shù)據(jù)傳輸，屬于線路一級的實驗，目的是學(xué)會CPLD芯片的使用，熟悉基于EDA方式進行實驗的流程；運算器實驗二的目的是對已有運算器芯片進行控制，級聯(lián)兩片4位的運算器Am2901，構(gòu)成8位的運算器，并手動控制開關(guān)輸入數(shù)據(jù)和控制信號，控制Am2901工作，并將控制過程設(shè)計成控制指令，寫入CPLD芯片，通過CPLD芯片完成對運算器AM2901的控制。第3次實驗通過軟件模擬系統(tǒng)練習(xí)16位機的匯編語言程序，目的是通過軟件形式理解硬件的工作原理，提高學(xué)生的系統(tǒng)理解力，特別是對計算機指令系統(tǒng)的理解。第4次實驗為存儲器實驗，實驗分兩步進行：第一步驗證SDRAM HM6116的功能，通過手動開關(guān)控制和實現(xiàn)內(nèi)存讀寫指令，實驗第二步利用CPLD芯片進行編程，自動完成對連續(xù)存儲單元內(nèi)容的讀和寫。第5次實驗為控制器實驗，內(nèi)容綜合，實驗工作量大，且控制器的復(fù)雜度和指令集數(shù)量有關(guān)，本次實驗設(shè)計的控制器包含8條指令。第6次實驗為8位機的輸入輸出實驗，分為兩個部分：第一部分通過手動開關(guān)控制串口實現(xiàn)輸入輸出指令；第二部分用CPLD芯片控制串行接口執(zhí)行輸入輸出操作。第7次實驗為包含14條指令集的8位機整機系統(tǒng)設(shè)計實驗，該實驗是對前幾次實驗的綜合：指令集包含了算數(shù)運算類指令A(yù)DD、SUB，邏輯運算類指令A(yù)ND、OR、NOT，移位指令SHR，輸入輸出指令I(lǐng)N、OUT，訪內(nèi)指令LDRR、STRR，程序控制指令JNCR、CALR、RET，數(shù)據(jù)傳輸指令MVRD，其中對指令的內(nèi)存存取共享指令LDRR、STRR。

實驗平臺主要用到了5個主要芯片，1片iM4A5.128/64 10YC.12.YI（CPLD芯片），2片AM2901，1片HM6116，1片Intel8521，平臺的核心為可編程邏輯陣列芯片iM4A5。圖2給出了由這個主要芯片構(gòu)成的綜合實驗框架，虛線框給出了各實驗的邏輯框圖。實驗的過程基本上可分為如下步驟：確定目標(biāo)、分析任務(wù)、設(shè)計方案、編程實現(xiàn)、程序硬件寫入、連線排錯、測試驗證。將傳統(tǒng)組成原理的驗證型實驗轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計型實驗，實驗結(jié)果與學(xué)生的設(shè)計相關(guān)，所見即所得。這種形式知識環(huán)環(huán)相扣，采用設(shè)計方式進行實驗，有利于變被動學(xué)習(xí)為主動設(shè)計過程，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大大提升。

4.結(jié)語

本文通過EDA方式設(shè)計功能部件的思路，構(gòu)建了一個完整的8位機計算機系統(tǒng)。這種方式變被動的驗證性學(xué)習(xí)為主動的自主設(shè)計實驗，極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮其主觀能動性和創(chuàng)造力。通過解決實驗過程不同階段遇見的問題，增強了學(xué)生對計算機系統(tǒng)的理解，特別提升了其硬件系統(tǒng)整體觀的認(rèn)知能力，提高了學(xué)生自主解決問題的能力。我們從2013年開始采用這種模式的實驗教學(xué)，現(xiàn)已經(jīng)過了多個輪次的教學(xué)實踐和改進。從教學(xué)效果可以看出，改革后的教學(xué)模式對學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)起到了很好的效果，提升了大部分學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。但這種設(shè)計性的實驗方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力要求比較高，一旦前面的知識沒有掌握好，后續(xù)的學(xué)習(xí)會更加困難。當(dāng)然，計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，是一項系統(tǒng)工程，涉及內(nèi)容繁多，本文僅從計算機組成原理這一門課程實踐教學(xué)的角度給出了如何有效地培養(yǎng)學(xué)生的計算機系統(tǒng)能力。構(gòu)建完備的計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)體系，還需從優(yōu)化課程群教學(xué)內(nèi)容、提升知識的系統(tǒng)性和完整性、采用多樣化培養(yǎng)手段等多個方面綜合進行。