案例教學法在計算機系統結構課程中的應用

陳 田，丁賢慶，路 強，安 鑫，李建華

（合肥工業大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

計算機系統結構課程是計算機專業的一門核心專業課程，知識點較多——有指令集結構、流水線結構、指令靜態調度、指令動態調度、cache存儲、多核并行編程等主要知識點。在參考文獻[1-2]中，強調了動畫教學和模擬器教學；動畫教學需要教師課前制作好相關的動畫，課程講解中教師將PPT和演示動畫相結合教學；模擬器教學需要教師編寫對應的模擬器軟件，利用該軟件，動態模擬和顯示指令的執行過程。比較有名的模擬器軟件有winDLX和DLXView。在參考文獻[3]中，強調了并行算法編程的重要性，要求在學習計算機結構概念的同時，增強MPI并行編程能力的訓練。

通過近幾年計算機系統結構課程的教學，筆者發現該課程存在以下問題：①課程概念較多，學生覺得內容抽象、枯燥難學；②課程學時少、教學知識點多，特別是與計算機系統結構有關的新技術和新結構更新很快，這些新知識也要添加到課程中；③綜合性實驗難度較大，難以在短時間內實現；④verilog硬件描述語言沒有前序課程涉及，學生完全自學感覺費力，課設中要用到該部分知識。針對問題，吸收國內外計算機系統結構方面的先進教學理念，可以將先進教學方法和創新思想引入課堂。改變以往的灌輸式、照本宣科式的教學模式，采用案例式教學為主，并和啟發式教學、引導式教學和討論式教學相結合，通過促進學生自主學習，提高教學效果。此外，緊跟國際計算機技術發展潮流，不斷更新計算機系統結構課程內容，在有限的教學學時內協調好經典知識和先進技術的講授關系，通過引入科技發展的新成果和前言知識，拓寬學生的視野。

1 案例教學法的具體實現

為了更好地調動學生學習的積極性，為了將抽象的理論和實踐結合，可以在課程教學中，結合CPU設計這個具體案例來講解重要知識點。CPU設計案例教學法分為3步：第1步，圍繞著CPU設計這個案例，通過提出問題來激發學生主動思考、自主學習；第2步，通過理論知識點的引導式學習，給后續的CPU具體設計打好鋪墊；第3步，課堂上給出CPU設計的框架結構，通過設計作業讓學生課后完成具體設計，以此來鍛煉學生的動手能力、創新能力。

1.1 CPU設計問題的提出

在課程教學中可以先用2個學時補充verilog相關知識，然后給出任務：設計一個具有6條指令的CPU。這6條指令分別是Load指令、Store指令、Mov指令、Add指令、Xor指令和Bnz指令，這6條指令涵蓋了訪存指令、傳送指令、算術與邏輯指令和分支指令，具有一定的代表性。假設這6條指令的機器碼已經給出（如圖1所示）。

圖1 6條指令的機器碼

1.2 結合案例設計過程學習主要知識點

課程案例設計教學中將該任務分解成多個子任務。實現每個子任務前，先講解理論知識點，然后用verilog實現框架結構。圍繞著每個子過程的設計，學生可以先提出問題，進行知識點學習。理論講解以引導為主、自學為輔。教學中強調夯實基礎，注重綜合應用，減少重復。將學生由“被動實踐”變為“主動實踐”，學生的質疑力、觀察力和協同力得到了培養和提高。

1.2.1 結合機器碼的分段，學習I、R、J類型指令格式

在講解指令系統之前，首先拋出3個問題讓同學們思考。問題1：圖1中的指令怎樣分段。從而看出操作碼和地址碼部分？問題2：怎樣看出圖1地址碼部分對應的操作數代表的是整數還是浮點數？問題3：怎樣知道地址碼中對應的是內存地址還是寄存器編號？然后帶著這3個問題開始指令系統部分理論學習[4-5]。最后給出上述3個問題的答案。問題1：在MIPS指令集中，將機器碼分為I、R、J三種類型，在I類型指令中將機器碼分為4段。在R類型指令中將機器碼分為6段。在J類型指令中將機器碼分為2段。問題2：數據表示常見的有兩種。其一是帶標志符的數據表示，通過操作數的前幾位指明數據是整數還是浮點數。另一種是通過不同的操作碼來指明后面的操作數是整數還是浮點數。問題3：通過操作碼來指明地址碼中對應的是內存地址還是寄存器編號。回答完問題后，再結合圖1中的機器碼來介紹MIPS、arm和X86不同指令集的優缺點。

1.2.2 結合操作碼的設計，學習流水線和流水線中狀態機的設計（譯碼）

講解指令流水線之前，首先提出2個問題。問題1：圖1中6條指令怎樣實現能使總執行時間最短？問題2：如果這些指令的操作碼已經知道，怎樣設計指令譯碼器部分？帶著這兩個問題，開始流水線章節的理論學習，最后給出上述2個問題的答案。問題1：采用流水線技術能夠加快多條指令的執行速度[6]。問題2：由于不同操作碼對應的控制信號不同，可以用時序電路設計中常用到的狀態機設計技術來實現。

1.2.3 結合操作碼的設計，學習相關的檢測機理

在介紹流水線中“相關”理論知識點之前，首先提出一個問題，圖1中6條指令中，如果出現后面指令需要用到前面指令的結果，怎樣檢測和處理？帶著該問題學習指令相關的理論知識點，然后給出問題答案：在流水線的譯碼階段，檢測前后兩條指令的地址碼是否相同，如果相同就認為出現了數據相關。處理數據相關的辦法很多，其中常用解決方法是：由“相關”檢測電路發控制信號給多路開關從而使數據定向通路打開，或者使后一條指令暫停，或者通過編譯器進行指令靜態調度來消除數據相關。

1.2.4 結合地址碼的設計，講述訪存階段

講述流水線中訪存階段時，首先提出2個問題。問題1：如何在指令中指明尋址方式？問題2：由于存儲器地址的特殊性，如何在間接尋址中，計算出正確的絕對地址？介紹完寄存器尋址、立即數尋址、間接尋址等10種尋址方式后，給出答案。問題1：在指令系統中尋址方式可以通過操作碼來指明，一般系統中只保留常用的幾種尋址方式，從而使譯碼系統簡化，提高性價比。問題2：可以在流水線的執行階段來實現絕對地址的計算，這樣就可以不必額外添加進行絕對地址計算的運算器，但是需要增加多路開關來實現地址和數據的分時選擇和計算。

1.2.5 結合運算器設計，講述定向通路，并行操作（多操作部件的設計），超長指令字技術

在講述運算器的設計時，首先提出3個問題。問題1：圖1中6條指令對應的運算器怎樣實現性價比高？問題2：如果有減法指令，怎樣在加法器上設計？問題3：如果要實現多條指令完全并行執行，運算器怎樣設計？講述完運算器的主要功能和結構特點等主要知識點后，給出上述問題的答案。問題1：圖1中6條指令對應的運算器應該采用復用技術，共用同一個運算器，通過多路開關控制運算器的輸入，并且構成指令流水線，性價比更好。問題2：對于減法指令，可以通過補碼結構轉換為加法，從而減少硬件成本。問題3：如果要實現多條指令完全并行執行，運算器就需要設置多個，例如設置整數運算器、浮點運算器、地址運算器等，利用硬件成本代價的增加來提高并行速度。

1.2.6 結合流水線指令階段和寫回階段，講述Tomasulo算法和指令動態執行技術

在講述指令動態執行技術時，首先提出2個問題。問題1：圖1中6條指令能否順序流出，亂序執行？怎樣實現？問題2：能否設計一個能實現100條指令亂序的執行系統？如果能需要考慮哪些問題？講述完Tomasulo算法和指令保留站知識點后，給出問題的答案。問題1：圖1中6條指令能順序流出，亂序執行，關鍵是要有多個保留站和多個執行部件，通過保留站消除指令之間的相關，通過多個執行部件的并行工作，實現了亂序執行。問題2：要實現100條指令的亂序執行，系統設計中就要求至少有100個保留站，執行部件數量如果比較少，很難有好的并行性，并且100條指令之間相關檢測硬件結構非常復雜，總之，100條指令的亂序執行理論上能實現，但是硬件成本高，系統性價比低。

圍繞著CPU設計提出對應的問題，只是為了激發學生們主動學習積極性，通過verilog硬件描述語言來動手設計CPU，就可以將理論知識和實踐結合，加深對相關知識點的理解和掌握，同時通過設計的完成，鍛煉了學生們的動手能力和創新能力。設計過程以課堂引導為主，學生自主設計為輔。這樣就與課內學時比較少的實際情況相吻合，同時給學生們課后作業留下了任務，達到了課內教學和課外訓練的齊頭并進。

1.3 案例教學中采用的軟硬件環境和系統框架圖

案例教學中采用的硬件是Xilinx virtex5開發板，軟件環境是ISE10.4。課程教學時將該設計任務分解成多個子任務，包括取指令部件的設計、譯碼部件的設計、運算器部件的設計、存儲器部件的設計、寫回部件的設計等，實現每個子任務前，先講解理論知識點，然后用verilog實現框架結構。這樣就將理論知識點和動手設計結合起來，一邊講，一邊練，一邊討論，激發了學生學習的興趣。在設計環節主要是通過verilog硬件描述語言設計出對應的硬件結構[7,2]。對于五段指令流水線，可以先畫出系統框圖（如圖2所示），根據系統框圖給出每個verilog代碼模塊的輸入與輸出引腳。

圖2 流水線系統框圖

案例設計中，需要設計時鐘模塊。時鐘模塊可以提供對主時鐘信號的分頻、倍頻、移相等功能，給流水線電路提供對應的時鐘信號（如圖3所示）。在時鐘模塊中，輸入信號有CLKIN_IN和復位信號RST_IN，輸出信號為CLK0_OUT、CLK180_OUT和鎖頻信號LOCKED_OUT。只有在輸出時鐘信號穩定的情況下，鎖頻信號LOCKED_OUT才變為有效的高電平，否則為低電平。圖4是時鐘波形圖。從圖4中可以看出，在鎖頻信號LOCKED_OUT上升沿來臨前，時鐘信號CLK0_OUT、CLK180_OUT的信號是不穩定的。在時鐘信號穩定后， CLK0_OUT信號的相位與CLKIN_IN相位相同，CLK180_OUT信號的相位與CLKIN_IN相位相差180度。

圖3 時鐘模塊圖

圖4 時鐘波形圖

案例教學中，針對每個流水段先確定輸入和輸出引腳數目，然后設計輸出和輸入之間的邏輯結構。為了激發學生學習的積極性，上課時只給出系統框圖和關鍵模塊的設計，其它次要部分就作為設計作業，讓學生課后完成，完成的作業要提交給老師評分。通過這種動手設計，學生能主動思考問題，積極給出設計結果，同時還會為下次課的學習積極準備，激發了學生求解未知知識的興趣。教師也能通過學生的設計，收獲頗多。

2 案例法教學效果

理論結合實踐，采用案例教學法具有理解快、記憶效果好的特點。從實施的效果來看，學生上課積極性得到提高，實驗完成質量穩步上升，學生自主學習和研究的熱情高漲，培養了學生的設計能力和創新能力，達到了本課程要求的培養研究和應用兼重的復合型人才的目標。在學生教學評價中，學生反饋是“通過設計，全面認識了計算機系統”“設計過程就是一個非常好的理解和掌握過程”“看著我的設計作品，我有種成就感”等。 通過統計發現，采用案例教學法后，期末考試平均成績得到了提升，成績為“優秀”的人數也在上升。同樣，采用案例教學法后，課程設計完成難度和優秀比例也得到了提升。

3 結語

計算機技術的不斷發展，推動著課程建設的不斷改革和創新[8]。筆者下一步的改革思路是：以自主設計的CPU為核心，完善外設和操作系統、編譯系統，從而形成一個完整的系統。方法是：采用FPGA設計基于arm指令集的CPU，在非易失性存儲器flash中裝載linux嵌入式操作系統。通過配置引導程序參數，使系統啟動時能直接運行flash存儲器中存放的虛擬機和嵌入式應用程序。通過開發嵌入式驅動程序，讓CPU可以接收輸入外設傳送過來的信號，也可以控制輸出外設進行正確的工作。這種案例教學法對于學生全面理解課程知識點，加強動手能力和創新設計能力的培養有著積極的意義[9]。