計算機科學與技術專業學生系統能力培養的改革與實踐

陳智勇

（桂林電子科技大學信息科技學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著新型計算機系統的設計和應用日益深化，計算機科學與技術專業人才培養也必須與時俱進，培養具備系統能力的計算機專業人才已成為國內外教育專家的共識[1]。教育部高校計算機科學與技術專業教指委從能力培養的角度強調了對計算機學科學生的4項專業能力（計算思維能力、程序分析與設計能力、算法分析與設計能力和計算機系統能力）的培養，其中尤其以計算機系統能力的培養為主[2]。目前清華大學、浙江大學、上海交通大學等高校都在不同程度上進行了系統能力培養的實踐與探索[3]。一些高校以MIPS 為模型機，把 CPU 設計與操作系統和編譯器的設計以及外圍電路的設計結合起來進行軟硬件系統綜合開發。比如清華大學開發的以MIPS CPU為核心的THINPAD教學實驗支撐平臺、東南大學開發的以MiniSys-1A CPU為核心的軟硬件綜合平臺[4]。

1 計算機科學與技術專業學生系統能力培養的重要性

圖1描述了計算機系統多級層次結構與計算機人才之間的對應關系。從圖1可以看出，計算機系統由不同的機器構成，這里的機器是指能存儲和執行程序的算法和數據結構的集合體。第1—4層為虛擬機器，是以軟件為主實現的機器；第5—6層為實際機器，是由硬件和固件實現的機器。計算機各層次的語言總是通過低一級的語言翻譯或解釋來實現[5]。第5—6層面向計算機硬件設計者，第4層面向操作系統設計者，它們是為運行和支持第1—3層所必需的解釋程序和翻譯程序設計的，以便能設計和實現不同算法和數據結構的應用問題。第1—3層主要是為應用程序設計者解決各類應用問題設計的。計算機學科主要研究計算機系統各個不同層次的實現及其相互轉換的機制，計算機科學與技術專業主要培養在計算機系統或系統某些層次上從事相關工作的人才。

圖1 計算機系統多級層次結構與計算機人才之間的對應關系

從圖1可看出，計算機科學與技術專業培養的學生主要是設計和研制計算機的硬件設計人員、系統軟件開發人員和應用軟件開發人員。不管培養哪個層面的計算機技術人才，都要重視培養學生的系統能力。

所謂計算機系統能力，筆者認為，就是對計算機系統有深刻理解，懂得從不同計算機設計者的角度去分析計算機的屬性，具備在計算機系統各層次上分析、設計、實現和優化計算機軟硬件的能力。

隨著超標量超流水線、超長指令字、同時多線程、單芯片多核、多芯片多核單機系統的出現，以及對稱式多處理機、集中式共享存儲器多處理機、分布式共享存儲器多處理機、分布式非共享存儲器多處理機、計算機集群等多機系統的出現，計算機系統的分析、設計、實現和優化均基于并行計算機體系結構。比如計算機硬件設計者要考慮多處理器互聯網絡、容錯技術，操作系統設計者要考慮多處理器或多處理機資源調度、并行存儲器管理，編譯器設計者要考慮并行目標代碼優化，應用程序設計者要考慮并行程序設計語言、并行算法等。

只有具備計算機系統能力，計算機硬件設計者才能夠設計出性價比高的面向特定應用的專用計算機或通用計算機，操作系統設計者才能編寫出充分利用計算機軟硬件資源、高效組織計算機工作流程以及方便用戶的系統軟件，編譯程序設計者才能編寫出面向計算機硬件結構和操作系統的優化編譯器，應用程序設計者才能最合理地利用底層硬件實現機制、系統軟件提供的相應功能以及程序設計語言和算法，編寫出性能最優的應用軟件。

2 教學改革思路

2.1 計算機系統能力的培養目標

在計算機系統能力培養方面，桂林電子科技大學計算機科學與技術專業的基本培養目標為：建立計算機系統完整概念，深刻理解計算機系統的層次化結構，并能夠從不同計算機設計者的角度去分析計算機的屬性，具備分析、設計、實現和優化計算機軟硬件的能力。具體包括：理解計算機系統中各個層次之間的相互關系，掌握指令集體系結構的工作原理和設計方法，具備使用EDA工具和VHDL 進行計算機硬件設計的基本能力，深刻理解操作系統對計算機硬件管理、進程管理的關系，理解并掌握面向計算機硬件結構的優化編譯技術，深刻理解面向計算機硬件結構進行高效程序設計的基本原理和程序設計方法，重視編程技術、調度技術、編譯技術與計算機硬件結構的有機結合；要求學生能進行CPU及外圍電路設計、操作系統設計和簡單編譯器設計，具備計算機系統分析能力、系統設計與實現能力、系統優化與創新能力。

2.2 構建專業核心課程和相關知識點

根據圖1中計算機系統層次結構與計算機人才之間的對應關系，規劃出計算機系統層次結構與計算機專業主要課程之間的對應關系，如圖2所示。我院從2013級的專業人才培養方案開始，對計算機科學與技術專業的主要課程進行了重新建設，并根據系統能力培養總體目標及計算機系統各層次之間的關系，明確了每門課程的教學目標，制定了相關課程各自涵蓋的知識點和能力培養要求。在計算機專業主要課程中，數字邏輯電路、計算機組成原理、操作系統、編譯原理、計算機系統結構是構建一個完整計算機系統的核心課程，它是計算機系統研究、設計和應用開發的基礎。

圖2 計算機系統層次結構與計算機專業主要課程之間的對應關系

課程在計算機系統層次結構中的定位與相互關系、主要知識點和系統能力要求如下。

（1）數字邏輯電路。該課程綜合運用了電路與電路技術基礎提供的基本電路和器件進行組合邏輯電路和時序邏輯電路的設計，為計算機功能部件的設計和分析打下基礎。它系統地介紹了數字邏輯電路設計的基本原理和方法。主要內容包括組合邏輯電路（全加器、加法器、譯碼器、編碼器、比較器等）、時序邏輯電路（寄存器、計數器、移位器、內存儲器等）、同步時序邏輯電路的分析與設計、中大規模集成電路的設計方法等。學完該課程，學生能夠了解目前主流計算機解決問題最根本的基礎是布爾代數和數字邏輯電路，并了解利用數字邏輯電路可以構建執行程序所需的所有功能部件。該課程側重培養學生進行硬件電路分析、設計、調優和檢錯的能力。

（2）計算機組成原理。該課程在圖2中涉及第5層（傳統機器）和第6層（微程序機器），它綜合運用了數字邏輯課程中提供的組合邏輯電路和時序邏輯電路來設計計算機的功能部件，同時完成計算機指令集和微指令集的設計。它系統地介紹了計算機最基本的組成和工作原理、分析方法、設計技術等。主要內容包括計算機工作過程、運算方法和運算器、存儲系統、指令系統、中央處理器、總線系統和輸入/輸出系統等。既介紹單機系統各功能部件的組成和工作原理，又以當代典型的Core 2處理器芯片為例介紹CPU內核結構及相關技術；既注重計算機組成的理論知識，又重視高速運算器、主存儲器、微程序控制器，以及整個CPU的設計與實現。該課程側重培養學生計算機硬件的系統級認知能力和計算機系統的設計能力，并與操作系統、編譯原理和微機原理與接口技術等課程融合為計算機系統綜合課程設計，以培養學生的基本創新能力。

（3）操作系統。該課程對應圖2中的第4層（操作系統機器），它是第5層（傳統機器）的引申，它提供傳統機器所沒有的，但為匯編語言和高級語言的使用和實現所需的基本操作，它經第5層的機器語言程序解釋實現。課程系統地介紹了操作系統的基本概念和方法、設計原理和實現技術。主要內容包括處理器管理、進程同步、通信和死鎖、存儲管理、設備管理、文件管理、操作系統安全和保護、網絡和分布式操作系統、操作系統設計原則、Linux實例研究。既介紹了經典內容，又以當代主流操作系統Linux作為實例介紹操作系統內核主要模塊及定制開發；既注重操作系統的理論知識，又重視操作系統的實踐和應用。該課程側重培養學生抽象、分析、結構、設計方面的能力，特別是對系統軟件的設計和開發能力，包括解決操作系統領域有關問題的能力，以及研究和發展操作系統的創新能力。

（4）編譯原理。該課程在圖2中對應于第2層（高級語言機器）和第4層（操作系統）之間，它用來將高級語言源程序轉換成面向計算機硬件能夠識別的目標代碼。為保證目標程序的高效運行，必須面向計算機體系結構設計優化編譯器。它系統地介紹了程序設計語言編譯系統的基本原理、設計方法和實現技術。主要內容包括詞法分析、自頂向下與自底向上的語法分析、屬性方法與語法制導翻譯技術、語義分析和中間代碼生成、目標程序運行時存儲空間組織、代碼優化、目標代碼生成、并行編譯技術基礎，以及相關的形式語言和有限自動機的知識。該課程側重培養學生設計、實現、分析和維護編譯程序方面的基本技術，為今后從事應用軟件和系統軟件的開發打下一定的理論和實踐基礎。

（5）計算機系統結構。該課程在圖2中對應于第4層（操作系統機器）和第5層（傳統機器）之間，它從機器語言程序設計者的角度展示計算機系統的屬性，即概念性結構和功能特性。它系統地介紹了計算機系統結構的基本概念、設計原理、分析方法以及有關的先進技術和最新發展趨勢。主要內容包括計算機性能、超標量超流水線、并行處理技術、向量處理機、多處理機、并行算法和并行編程基礎、多線程技術、單芯片多處理器技術、集群技術、云計算等。既介紹具體的并行處理芯片及并行處理機系統，又結合具體應用介紹如何進行粒度打包、并行編程、時延容忍、負載平衡、并行調度、優化編譯等。既注重計算機系統的理論知識，又重視編程技術、調度技術、編譯技術與計算機硬件結構的有機結合。該課程側重培養學生計算機系統，特別是并行計算機系統的軟硬件綜合應用能力，為高效的程序設計、并行操作系統設計和并行編譯器設計打下基礎。

2.3 構建“三橫兩縱”實踐課程教學體系

根據圖2所示的計算機專業主要課程，設置計算機科學與技術專業“三橫兩縱”實踐課程教學體系，如圖3所示，“三橫”是指基礎能力培養、專業能力培養和綜合能力培養三個層次，“兩縱”是指硬件系列課程實踐環節和軟件系列課程實踐環節。圖3中列出大學一年級到大學四年級每個階段開設的專業實踐課程及每門課程之間的關系，從圖中可以看出，實踐課程體系的設置體現了對學生從系統認知能力逐步過渡到專業能力、綜合能力的不間斷培養過程。

圖3 計算機科學與技術專業“三橫兩縱”實踐課程教學體系

在計算機科學與技術專業課程的所有實踐環節中，為了讓學生全面深刻地理解計算機系統，設置的核心實踐環節分別是數字邏輯電路實驗、計算機原理課程設計、微機原理與接口技術實驗、操作系統課程設計、編譯原理課程設計、計算機系統綜合課程設計和畢業設計。其中數字邏輯電路實驗是計算機原理課程設計的基礎，主要培養學生掌握多路選擇器、比較器、編碼器、譯碼器、加法器等組合邏輯電路，以及寄存器、寄存器堆、移位器、計數器等時序邏輯電路的VHDL設計方法，它們是計算機組成原理實驗中使用的基本部件，以設計運算器、存儲器、微程序控制器、數據通路等IP核；計算機原理課程設計是利用計算機組成原理實驗封裝的IP核，利用EDA軟件和VHDL設計一個簡單的MIPS CPU；微機原理與接口技術實驗主要培養學生掌握并行接口、串行接口、中斷控制器、定時器的設計方法，以及外圍電路的設計和控制方法，它與計算機原理課程設計的作品可整合成一個有輸入/輸出系統的計算機硬件系統；操作系統課程設計主要培養學生掌握在MIPS CPU上如何實現進程管理、作業管理、存儲管理、設備管理、文件管理等，編寫程序并實現相應的系統管理功能；編譯原理課程設計主要培養學生掌握詞法分析器、語法分析器的設計，并設計一個面向前期設計的計算機硬件系統和操作系統的編譯器；計算機系統綜合課程設計主要是升級MIPS CPU的指令集，或將CPU重新設計成五級流水CPU，并通過真實程序的運行來測試整個計算機系統硬件、操作系統和編譯器設計的正確性，培養在計算機系統各層次上分析、設計、實現和優化計算機軟硬件的能力。

3 結語

我校計算機科學與技術專業從2013級開始已實施計算機系統能力培養的理念，從計算機硬件設計者、系統程序員、應用程序員培養的角度開設計算機專業課程，并通過“三橫兩縱”實踐課程教學體系逐步培養學生的系統認知能力與分析能力、系統設計與實現能力、系統優化與創新能力。通過課程體系和教學內容的改革與實施，計算機科學與技術專業的所有學生都掌握了MIPS CPU的設計與實現方法，以及基于MIPS CPU的操作系統部分功能的實現方法，并且可以在商品化的MIPS CPU和操作系統上完成簡單的編譯器設計，使學生初步具備了計算機系統綜合開發的能力。