結(jié)合ＥＤＡ技術(shù)的“計(jì)算機(jī)組成原理”教學(xué)實(shí)踐改革

摘要：本文對(duì)目前的計(jì)算機(jī)組成原理課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，提出將目前的EDA技術(shù)融合到計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)與實(shí)踐中，極大培養(yǎng)了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，為學(xué)生的計(jì)算機(jī)專業(yè)素質(zhì)提高提供一個(gè)很好的平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：教學(xué)實(shí)踐；EDA技術(shù)；自主創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5913 (2007) 22-0104-02

1計(jì)算機(jī)組成原理課程現(xiàn)狀

“計(jì)算機(jī)組成原理”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)階段的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。其先修課有電子技術(shù)基礎(chǔ)，其后繼課程有微機(jī)原理與匯編語言，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。本課程起著承上啟下的重要作用，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)單機(jī)系統(tǒng)硬件各部分的基本組成原理和工作機(jī)制以及相關(guān)的基本理論，建立起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念，為提高學(xué)生在硬件方面的專業(yè)素質(zhì)和以學(xué)習(xí)能力為代表的發(fā)展?jié)摿Γ瑸槠浜罄m(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和將來的科研工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

但是以前的教學(xué)實(shí)踐中在CPU硬件設(shè)計(jì)這一重要內(nèi)容方面存在嚴(yán)重不足。CPU、DSP處理器乃至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)及相關(guān)課程隨著新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該成為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中重要的組成部分，計(jì)算機(jī)專業(yè)對(duì)于軟硬件綜合設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)是責(zé)無旁貸的，也是本專業(yè)的特色與亮點(diǎn)。作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的人員，如果只會(huì)使用計(jì)算機(jī)而不會(huì)設(shè)計(jì)CPU和計(jì)算機(jī)，那么和其它專業(yè)比較就沒有優(yōu)勢，不符合計(jì)算機(jī)專業(yè)的辦學(xué)宗旨而缺失市場競爭性。調(diào)研表明，國內(nèi)大多高校僅將“計(jì)算機(jī)組成原理”定位為“計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論”和計(jì)算機(jī)模型認(rèn)知的層面上；而在實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐方面，“計(jì)算機(jī)組成原理”的實(shí)驗(yàn)則主要是在一些由分離元件構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，完成簡單模型CPU的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，基本談不上設(shè)計(jì)。這顯然難以滿足教育部在《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中關(guān)于“高等學(xué)校要重視本科教學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，保證實(shí)驗(yàn)課的開出率達(dá)到本科教學(xué)合格評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并開出一批新的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”的要求。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，核心技術(shù)已經(jīng)愈來愈集中在集成電路芯片和軟件這兩項(xiàng)之中，其中CPU和OS設(shè)計(jì)技術(shù)是最核心的兩項(xiàng)技術(shù)。特別是高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)一直是衡量國家實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)志。美國、日本和西歐等國都作為一種國家行為，不斷加大這方面的資助力度。美國的許多高校本科計(jì)算機(jī)專業(yè)中也都安排了CPU設(shè)計(jì)方面的課程和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，例如麻省理工學(xué)院的一門相關(guān)課程是“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中，須自主完成(即自行設(shè)計(jì))ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU，乃至實(shí)現(xiàn)流水線32位MIPS CPU和Cache的設(shè)計(jì)。斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系的本科生也有相似的課程和實(shí)驗(yàn)，即“計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)”課，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生以各自獨(dú)立的形式，用VHDL語言自主實(shí)現(xiàn)CPU、VGA顯示控制模塊等接口，并最后實(shí)現(xiàn)于FPGA中，及完成軟硬件調(diào)試。此外，如加利福里亞大學(xué)和Berkeley等學(xué)校在基于FPGA的超級(jí)計(jì)算機(jī)研制方面都實(shí)現(xiàn)了大量成果。因此我們有必要向國外的先進(jìn)教學(xué)實(shí)踐學(xué)習(xí)，將EDA技術(shù)融合到“計(jì)算機(jī)組成原理”的教學(xué)實(shí)踐中。

2計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的需要

計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域中人才的培養(yǎng)是自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，其目標(biāo)應(yīng)該是擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)計(jì)算機(jī)部件或系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的人才的培養(yǎng)，這就要求包含“自主”這一重要因素。但是“創(chuàng)新”未必具備“自主”。例如，某項(xiàng)計(jì)算機(jī)軟件的設(shè)計(jì)完成；某嵌入式系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)成功等，都可能包含一些前人未曾有過的創(chuàng)新，甚至可以有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。但它們不是擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的項(xiàng)目，這是因?yàn)樗鼈兌际腔谀骋籆PU平臺(tái)上的軟件開發(fā)，離開了CPU，這些軟件中的所有創(chuàng)新價(jià)值都?xì)w于0，因?yàn)镃PU是別人的。這就是說，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)決不能脫離自主創(chuàng)造設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，沒有了自主的創(chuàng)新便不是真正的創(chuàng)新。

通過以上的討論不難發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的教學(xué)中，“計(jì)算機(jī)組成原理”課程中必須加入代表現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的EDA技術(shù)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容和合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)才能夠承擔(dān)起培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，即原始性創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重任。

3課程改革目標(biāo)的探討

基于以上問題的考慮，在教學(xué)中應(yīng)采用基于VHDL的EDA技術(shù)中實(shí)現(xiàn)CPU和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)技術(shù)。諸如基于微程序控制模式的8位CISC模型CPU設(shè)計(jì)，基于狀態(tài)機(jī)控制模式的16位CISC CPU設(shè)計(jì)，MCS51單片機(jī)系列兼容型單片機(jī)軟核系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于流水線技術(shù)的16位RISC CPU設(shè)計(jì)，以及基于SOPC技術(shù)的軟核嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)等等。其所有的實(shí)踐設(shè)計(jì)和示例都應(yīng)采用與國際接軌技術(shù)，目標(biāo)如下。

3.1與國際接軌

教程中的多數(shù)內(nèi)容應(yīng)是能與發(fā)達(dá)國家許多高校計(jì)算機(jī)本科相關(guān)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较辔呛系模刮覀兊膶W(xué)生也有可能象國外學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的芯片拿去面試，帶上自己的設(shè)計(jì)芯片、系統(tǒng)設(shè)計(jì)HDL程序、整機(jī)網(wǎng)表文件和時(shí)序仿真結(jié)果去應(yīng)聘，其效果比普通的成績單更能說明學(xué)生的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)能力。

3.2包含基于EDA的符合現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)技術(shù)的CPU設(shè)計(jì)

首先，在原有的“計(jì)算機(jī)組成原理”課中增加理論向工程實(shí)際轉(zhuǎn)化的符合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范的硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容。這在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街型皇沁@樣，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街须m也有“設(shè)計(jì)”內(nèi)容，但主要是根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各自規(guī)定的方法，用既定的分離元件(也有包括部分可編程器件)和接口器件進(jìn)行拼裝搭接而成，學(xué)生無法從這樣的“設(shè)計(jì)”過程中了解真實(shí)的現(xiàn)代實(shí)用CPU基本設(shè)計(jì)技術(shù)。

其次，使學(xué)生在了解計(jì)算機(jī)組成原理和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的同時(shí)，達(dá)到學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)技術(shù)。計(jì)算機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)技能是一個(gè)合格的計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生本應(yīng)具備的基本知識(shí)，離開了硬件設(shè)計(jì)，自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)便無從談起。從而使以前不少計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生存在“重軟輕硬”，“欺軟怕硬”，甚至“只軟不硬”的現(xiàn)象，學(xué)生們只將注意力和興趣集中在各種編程環(huán)境、開發(fā)工具、數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的集成技術(shù)上面，對(duì)于硬件技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用研究不感興趣或忘而生畏的問題得到根本解決。

3.3創(chuàng)造能力的培養(yǎng)

從創(chuàng)造能力培養(yǎng)的角度看，軟件設(shè)計(jì)人員只須擁有邏輯上的單向一維思維能力就能保證軟件設(shè)計(jì)的成功，即過量單純的軟件設(shè)計(jì)，不斷強(qiáng)化設(shè)計(jì)者純邏輯性思維和收斂性思維。顯然，這與培養(yǎng)植根于多維多向的發(fā)散性思維方式和非邏輯思維方式的創(chuàng)造能力是相違背的。因此，多數(shù)純軟件設(shè)計(jì)訓(xùn)練只能歸類為技能性和知識(shí)性訓(xùn)練。

而硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)則不同。首先，硬件系統(tǒng)可以有許多相關(guān)或互為獨(dú)立的模塊組成，相關(guān)模塊的關(guān)系可以是同步，也可以是異步。其次，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身并不能離開軟件設(shè)計(jì)，因此硬件系統(tǒng)的構(gòu)建是一個(gè)軟硬綜合的并發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和把握它自然必須擁有并發(fā)和多維的思想方法。例如在時(shí)序問題和競爭冒險(xiǎn)問題的解決上有時(shí)還可能用上非邏輯思維方法。而VHDL正是描述和設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語言，它的語句都是并發(fā)的，甚至包括進(jìn)程中的順序語句。基于EDA技術(shù)和VHDL的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)訓(xùn)練無疑十分有利于強(qiáng)化發(fā)散性思維和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4教學(xué)實(shí)踐總結(jié)

通過對(duì)本屆63位學(xué)生教學(xué)實(shí)踐的探索，我們發(fā)現(xiàn)結(jié)合了EDA技術(shù)的計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，90％以上的學(xué)生通過學(xué)習(xí)對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)有了清楚的認(rèn)識(shí)，解決了以前不少計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生存在“重軟輕硬”，“欺軟怕硬”，甚至“只軟不硬”的現(xiàn)象，極大培養(yǎng)了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，得到很好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：肖朝暉(1970-)，男，漢，湖南衡陽人，重慶工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)檐浖o線電及計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

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