基于ＥＤＡ技術(shù)的“計算機(jī)組成原理”課程改革研究與實踐

文章編號：1672-5913(2008)08-0027-02

摘要：本文介紹了我院如何將EDA技術(shù)引入“計算機(jī)組成原理”課程來解決該課程在教學(xué)內(nèi)容和實驗教學(xué)方面的問題。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)組成原理；EDA；課程建設(shè)

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1存在的問題

“計算機(jī)組成原理”是計算機(jī)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，但現(xiàn)在該課程在教學(xué)活動中存在一些問題。

(1) 學(xué)習(xí)“計算機(jī)組成原理”課程有什么用？

現(xiàn)在的學(xué)生相對比較浮躁，他們關(guān)心的是學(xué)這門課程有沒有直接作用，對以后找工作有沒有用。同時硬件類課程相對都比較枯燥點、難學(xué)點，所以他們對這門基礎(chǔ)課提不起興趣，自然也難學(xué)好。

(2) 本科教學(xué)多個知識點之間存在鴻溝

現(xiàn)有計算機(jī)專業(yè)學(xué)習(xí)的課程主要包括“數(shù)字邏輯”、“計算機(jī)組成原理”、“微機(jī)原理”、“微機(jī)接口技術(shù)”、“匯編語言”、“計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等，各門課程相互之間內(nèi)容相對獨立，缺乏課程間的系統(tǒng)性和科學(xué)性，知識點分散獨立，學(xué)生很難將多層次的硬件和軟件知識點融會貫通，也就無法從真正意義上掌握計算機(jī)組成原理。

(3) 課程內(nèi)容組織需要改進(jìn)

在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，課程內(nèi)容的組織一般采用從基本原理->零件->部件->整機(jī)->系統(tǒng)的教學(xué)思路。但是從實際教學(xué)效果來看，由于采用這種“自底向上”的方法，學(xué)生在學(xué)習(xí)前面局部知識的時候，缺乏整機(jī)系統(tǒng)概念，不能融會貫通，產(chǎn)生“教什么，學(xué)什么”而不知“為什么”的現(xiàn)象。學(xué)到整機(jī)、系統(tǒng)概念的時候，前面學(xué)的知識有遺忘和不能貫通的現(xiàn)象。

(4) 傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在的問題

“計算機(jī)組成原理”課程實驗一般采用的是現(xiàn)成的計算機(jī)模型實驗系統(tǒng)，這類實驗系統(tǒng)已將CPU的各個組成部件全部做好，學(xué)生按要求連線、撥動開關(guān)或編寫微程序就能完成實驗。該類系統(tǒng)對提高學(xué)生的動手能力、提高學(xué)生對計算機(jī)整體和各組成部分的理解、提高學(xué)生的計算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計能力有很大幫助。但是在實驗過程中，我們也發(fā)現(xiàn)這種實驗方法局限性較大，器件的擴(kuò)展相對困難，學(xué)生的設(shè)計難以突破實驗箱的限制。有些學(xué)生對實驗過程不求甚解，缺乏對實驗的主動思考能力，僅關(guān)心盡快完成電路連接，對原理電路中功能和工作邏輯并不深究，只是按老師安排好的實驗步驟完成實驗，而對于步驟的原因及電路結(jié)構(gòu)根本不假思索。這樣做實驗，根本無法真正做到理論與實際的結(jié)合，有時結(jié)果出來還不知道是怎么回事，也就很難培養(yǎng)出動手能力強(qiáng)、有創(chuàng)新能力的學(xué)生。

2改革方案

我們認(rèn)為，在“計算機(jī)組成原理”課程中引入先進(jìn)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法EDA，可以在一定程度上解決上述難題。針對上面的問題，下面分別詳述。

(1) EDA技術(shù)是電子設(shè)計領(lǐng)域的一場革命，目前正處于高速發(fā)展階段，廣泛應(yīng)用于多個重要領(lǐng)域。從目前就業(yè)市場反饋的信息看，計算機(jī)軟件人才已經(jīng)在一定程度上供大于求，而熟悉硬件設(shè)計的人才則供不應(yīng)求，年薪也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同等的軟件人才。掌握這一先進(jìn)技術(shù)在將來工作時更有競爭力，學(xué)習(xí)也就有了更切實際的目標(biāo)。在EDA工具的幫助下，學(xué)習(xí)“計算機(jī)組成原理”課程也能在一定程度上擺脫枯燥難學(xué)的弱點，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，從而提高學(xué)習(xí)的效率和效果。

(2) 為解決這一問題，我們適當(dāng)拓展“計算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)”課程內(nèi)容，將該課程作為橫跨數(shù)字電路課程和軟件課程的橋梁，使學(xué)生從系統(tǒng)的角度能夠?qū)τ嬎銠C(jī)的組成(包括軟件和硬件及它們之間的配合)有清晰透徹的理解。例如，在中央處理器、存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)等章節(jié)中，講解基本原理的同時增加采用EDA工具(如QuartusII或Max+plusII)設(shè)計過程，從數(shù)字電路與非門等基本邏輯電路開始，參考MIPS等指令格式，采用圖形輸入或硬件描述語言，搭建一個單周期“玩具CPU”，使其支持加、減、轉(zhuǎn)移等多種操作，然后設(shè)計自己的程序段，在該CPU上運行，驗證運行的結(jié)果。很多學(xué)生對于這種用基本邏輯電路搭建“玩具CPU”相當(dāng)感興趣，也就能夠較快地了解和掌握計算機(jī)組成的基本原理。

(3) 針對課程的要求和特點，我們提出整體“自頂向下”，細(xì)節(jié)“自底向上”的教學(xué)組織方法。一開始就給出計算機(jī)系統(tǒng)的概述，然后講述現(xiàn)代系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，通過系統(tǒng)總線連接了計算機(jī)的三大組成部分：外圍設(shè)備與I/O技術(shù)、存儲系統(tǒng)、中央處理器。這樣可以讓學(xué)生有非常直接、整體的把握，為接下去學(xué)習(xí)掌握每一個部分的組成原理奠定基礎(chǔ)、把握總體方向。以中央處理器為例，中央處理器通過CPU內(nèi)部總線，連接了寄存器、控制器和運算器，在講述具體的運算方法與運算器的時候，涉及到具體細(xì)節(jié)知識點的時候，我們還是采用傳統(tǒng)的“自底向上”的教學(xué)組織方法，因為在涉及到具體原理的時候，必須遵循“循序漸進(jìn)”的方法，不然沒有足夠的基礎(chǔ)知識，學(xué)生無法理解與掌握。例如，如果沒有數(shù)據(jù)表示與運算方法的基礎(chǔ)，學(xué)生不可能理解定點ALU與浮點運算的原理與結(jié)構(gòu)。

(4) 傳統(tǒng)的實驗箱方法局限性相對較大，器件的擴(kuò)展相對困難，學(xué)生的設(shè)計難以突破實驗箱的限制。我們將基于EDA的實驗技術(shù)適當(dāng)引入“計算機(jī)組成原理”實驗教學(xué)，改變傳統(tǒng)計算機(jī)組成原理實驗“芯片+連線”的做法，投入較少，效率較高。大規(guī)模可編程邏輯器件(如FPGA)使得硬件的功能也可通過編程實現(xiàn)，學(xué)生可以從簡單到復(fù)雜，創(chuàng)新自主地設(shè)計實現(xiàn)實驗內(nèi)容，改變以往實驗僅僅進(jìn)行部件工作原理驗證的模式。我們將設(shè)計實現(xiàn)“玩具CPU”各組成部分作為學(xué)生實驗或短學(xué)期實踐的內(nèi)容，利用EDA軟件的輔助，從基本邏輯電路的設(shè)計出發(fā)，進(jìn)而開發(fā)較復(fù)雜的數(shù)字電路，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高計算機(jī)系統(tǒng)性能的技術(shù)和方法，掌握計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計軟、硬件取舍的原則，加深對計算機(jī)組織結(jié)構(gòu)的理解。

3基于EDA設(shè)計單周期CPU

下面通過設(shè)計一個具有三條單周期指令(MOV， ADD， JMP)的“玩具CPU”過程來演示采用EDA設(shè)計的過程。

(1) 設(shè)計指令。作為演示，指令集只有三條，格式如圖1所示。

圖1 指令格式

(2)根據(jù)指令格式，我們在Quartus II EDA軟件輔助下，設(shè)計能執(zhí)行上述三條指令的CPU，邏輯設(shè)計如圖2所示。

圖2 邏輯電路圖

(3) 在該CPU的指令存儲器中設(shè)置以下的程序：

0: 0100010000010(0882h);mov 00010， 000010

1: 0000001000101(0045h);add00001， 00010

2: 1000000001000(1008h);jmp 00000001

這是一段死循環(huán)的程序，每執(zhí)行一次循環(huán)，寄存器00001的值加2。通過Quartus II軟件模擬運行，pc為當(dāng)前指令地址，ins為當(dāng)前指令，觀察Res的值，其值依次為2，4，6，8，10…，結(jié)果正確。時序圖見圖3。

圖3 時序圖

從以上簡單的例子可以看到，在EDA軟件的輔助下，可以從指令設(shè)計開始，非常容易的設(shè)計出自己的CPU，并驗證正確性。如果在教學(xué)過程中，溶入EDA設(shè)計過程，將使學(xué)生對CPU的組成及工作原理有非常透徹的理解和領(lǐng)悟，同時也鞏固了邏輯電路的相關(guān)知識。這將對大面積地提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和鉆研能力等都有積極的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 白中英. 計算機(jī)組成原理[M]. 北京:科學(xué)出版社，2000.

[2] 朱子玉，李亞民. CPU芯片邏輯設(shè)計技術(shù)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[3] 陳金兒，王讓定等. 基于CC2005的“計算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)”課程改革[J]. 計算機(jī)教育，2006，(11):33-37.

[4] 王讓定等. 匯編語言與接口技術(shù)(第2版)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2007.