“計算機設計與實踐”實踐教學分析

摘要：本文首先介紹了國內外大學相關課程的基本情況，然后對比分析了哈工大計算機學院的“計算機設計與實踐”課程與國外相關課程的差別與差距。

關鍵詞：實踐教學；自主探索；創新能力

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913 (2007) 22-0077-03

1引言

“計算機組成原理”作為哈工大計算機學院重要的專業基礎課，實踐教學對學生理解計算機組成原理起著至關重要的引導作用。通過10個相關的實驗，學生不僅驗證了一些計算機組成原理的相關知識，也動手設計完成了一些復雜的實驗題目，例如計算機微指令的設計。但是受到學生基礎知識和學時的限制，實驗難度并不是很大，學生自主設計類題目的數量和難度也不足?！坝嬎銠C設計與實踐”課程作為“計算機組成原理”的后續課程和重要實踐環節，擴充了組成原理的實驗教學，通過一系列比較復雜的實驗題目，既鍛煉了學生的創造力，又進一步加深了學生對計算機及其各部件的原理及其相關知識的認識。目前國內外各大學都開設了一些相關的實踐課程，通過實踐來完善和加深學生對計算機原理的認識，鍛煉對軟硬件進行開發的能力，從而提高他們的創造力和動手能力，進而提高他們的綜合素質[1]。

2國外大學相關課程情況介紹

美國康奈爾大學對大四學生開設了“進階微處理器設計”課程[2]，通過長達3個月的課堂教學和動手實驗，教授學生有關計算機原理和嵌入式SOC開發的相關知識。在實踐方面，他們設計了一系列由淺入深、由易到難的實驗，使學生通過實驗一步步加深對計算機的了解。主要實驗包括：設計實現一個視頻接口，從而可以通過在面板上的操作，實現在屏幕上畫曲線[2]；實現音頻接口的驅動，模仿一個球下落時的聲音[4]；仿真一個使用DDA數值微分分析法測量電路功能的模擬系統[5]。在指定題目的實驗之外，還要求學生自選題目完成一個大作業，通過這些自選題目的選擇[6]可以看出，學生通過對相關課外知識的學習和動手實踐，已經能夠完成一個比較復雜的硬件系統。美國阿拉巴馬大學開設了“數字系統設計”這門課[7]，實驗方面的主要題目包括：通過命令將指定內存的內容顯示到LED上[8]；修改DE2開發環境的指令格式[9]；設計一個既能顯示文本又能顯示圖形的混合模式的視頻顯示控制器[10]。美國伊利諾伊州立大學香檳分校開設了兩門相關的課程。第一門課程是“SOC設計與合成”[11]，實驗方面只要求學生在2個月的時間內通過對相關知識的學習，完成一個MP3播放器的設計與實現。第二門課程是“數字系統實驗課程”[12]，通過14周的實驗要求學生實現一個數字系統。這個系統要能夠完成AD轉換，實現LCD面板的顯示，從鍵盤可以輸入信息，連接游戲桿進行操作，實現揚聲器功能以及VGA顯示器的顯示。麻州大學安默斯特分校開設了實驗時間長達3個半月的“計算器結構”課程[13]，主要實驗題目有：使用一個連接到開發板上的攝像頭，通過開關控制拍照，然后將拍下的圖片存儲到開發板的內存中[14]；將實驗中拍到的圖片進行JPEG壓縮，傳到PC上看最終顯示結果，通過轉換不同的JPEG壓縮算法，看圖象壓縮后的差別[15]；通過開發板播放MP3歌曲[16]。全美電機系排名前五名的密西根大學安埃布爾分校為大一學生開設了“信息實驗”課程[17]，它將全班學生分為八隊，每隊在期末專題要利用Altera DE2 FPGA多媒體平臺獨立制作出一部電子琴。多倫多大學開設了“數字系統”課程[18]，實驗方面設計了一個3周的課程設計，讓學生自選題目，在DE2平臺上設計一個數字系統?；F盧大學開設了“計算機實驗”課程[19]，主要實驗題目包括：設計一個8位的計算器，要求類似于生活中的計算機，只有單一輸入[20]；設計一個電子系統，功能類似于電子乒乓游戲[21]。以上的實踐課程都采用Altera DE2作為開發環境，如圖1所示。

3國內大學相關課程情況介紹

我國的大學也開設了一些類似的課程。復旦大學開設了一門60學時的“計算機組成原理實驗課”，主要包含計算機部件實驗和CPU設計實驗。清華大學“計算機組成原理”課程共安排48學時的實驗，每三名同學為一組，合作完成一個硬、軟件組成相對完整的全新計算機系統的設計、實現和調試任務。哈工大計算機學院于2005年秋季學期開設了“計算機設計與實踐”，該課程以應用實踐為視角，進一步提高學生硬件方面的實際動手能力和系統設計能力。主要包括18個學時的課堂教學和60個學時的實踐教學，采用南京偉福實業有限公司研制的“COP2000計算機組成原理實驗儀”(如圖2)，通過FPGA擴展板(如圖3)在COP2000實驗儀上完成實驗。FPGA擴展板由兩塊FPGA芯片及其外圍電路組成，它的核心器件是Xilinx公司的20萬門XCV200的FPGA芯片。它的實驗題目以CPU設計為中心，主要包括：寄存器設計、元件例化、實驗儀基本部件測試、給定指令系統的處理器設計、處理器功能測試、處理器外設接口設計、處理器與外設接口功能測試等。通過我們設計的實驗題目，學生對CPU的原理和結構有了深刻的體會，通過實驗大大增強了學生的設計開發能力。

4對比與分析

首先在教學目標方面，我院的教學目的是“使學生初步了解計算機部件和微處理器的設計方法，做到理論和實踐的真正結合，掌握有關硬件設計工具的功能和用法，有效地鍛煉動手能力和設計能力”，這個教學目標已經和國內外一流大學相關課程的教學目標相同。我院的這門課實驗學時達60學時，屬于非常多的實驗時間，而且我們在這60學時內安排了7個實驗，相比其他學校的最多5個實驗，學生得到了更多的鍛煉機會。在教學隊伍方面，由于這門課的指導量很大，所以每個班級在實驗時都有一個專門的老師和TA，相比國外整個一門課只有2～3名教師的情況，我們大大增加了指導老師的數量，可以及時有效地解決學生的問題。在教學方法方面，我們在上課時主要采用個人與分組相結合的方式，前幾個簡單的實驗以個人為單位完成，后面較難的實驗以小組為單位，每個小組3～4人，以團隊的方式來完成一個大的課題，目前國外大學也基本采用這種工作方式。采用這種教學方法，既鍛煉了學生的個人動手能力，也鍛煉了學生的合作能力。在硬件平臺方面，由于國外采用的Altera DE2平臺的性能較好，因此可對CPU之外的音視頻模塊、存儲模塊等進行二次開發，目前我們采用的COP2000實驗儀由于硬件限制還無法完成相關類似題目的實驗。

經過以上的分析可以看出我們的課程與國外一流大學相比，在實驗目標方面已經與國外一流大學接軌，在學時數、配置實驗教師數量上我們所提供的條件已經超過了國外一流大學，但目前由于受到硬件開發平臺的限制，我們實驗題目還有待改進。在今后的實踐教學中，我們可以選擇增加一些類似于“開發MP3播放器”之類的讓學生比較容易感興趣和效果更直觀的實驗，通過這些實驗來激發學生學習硬件知識、軟硬件開發的興趣，鍛煉他們的動手能力和創造力，提高我院學生的綜合素質。

參考文獻

[1] 向琳，左德承，羅丹彥，張展，唐朔飛.“計算機設計與實踐”課程創新性實踐教學探索[J].計算機教育， 2007，(3).

作者簡介

羅丹彥(1979-)，男，哈爾濱工業大學計算機學院講師，研究方向為移動計算、計算機系統結構。