基于ＥＤＡ技術的計算機硬件體系實踐教學探索

摘要：針對計算機硬件體系實驗教學面臨的主要問題，我院提出了將EDA技術的應用貫穿于計算機專業硬件實驗教學體系的觀點。本文論述了基于EDA技術的實驗教學體系的構建及實現這一體系的措施。

關鍵詞：EDA技術；計算機專業；硬件體系；實驗教學

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

1計算機硬件類實驗教學面臨的問題

計算機技術不斷進步與發展，若計算機硬件類實驗教學仍采用傳統的實驗教學模式和傳統的實驗平臺，開設自主性、綜合性、創新性實驗就面臨一些問題和困難。

1.1硬件設備投入高，硬件項目開發周期長

硬件實驗平臺的建設需要大量的資金投入，而且硬件類實驗消耗很大，需要持續的資金投入做保障。此外，硬件課程建設周期也較長，硬件實驗項目開發也非一蹴而就，實驗教師需要完備的理論知識和扎實的電子學知識，而且需要反復的實驗和長期的實踐，才能自如的設計實現，這一過程比掌握一門計算機語言或一種計算機軟件開發工具要難得多和慢得多。實驗設備的更新速度及實驗項目長周期開發難以滿足新技術、新方法的更新步伐。

1.2教學實驗臺的設計針對性強，硬件線路相對固定，實驗內容受硬件設計的制約

很多教學實驗臺的設計針對性強，是針對某門課程而開發設計的，硬件線路部分相對固定，其擴展性很有局限，更新實驗內容受硬件設計的制約。硬件實驗設備的高投入和實驗器件的大消耗，在沒有足夠資金投入的情況下，在現有硬件設備上進行實驗內容的更新，開設自主性、綜合性、創新性實驗難以實現。

1.3硬件實驗教學彼此脫節，缺乏系統化的實驗體系

計算機專業硬件類課程必修課程一般包括數字邏輯、計算機組成原理、計算機接口與通信技術、計算機體系結構、嵌入式系統設計，選修課程一般包括單片機原理及應用、數據采集、計算機控制技術等。這些課程之間彼此存在內在的聯系，學生通過這些課程的學習，應當能逐步建立起整個計算機系統設計的概念，掌握計算機系統的設計技術，掌握計算機的控制應用。但在具體課程和實驗安排中，卻往往忽略并割裂了這種內在聯系，實驗內容沒有從模塊化、系統化的角度整體考慮計算機系統設計和控制應用的要求。因此，分析這些課程之間的內在聯系，設計階段性、模塊化、系統化的實驗教學內容，建立計算機硬件實驗教學體系，對于培養學生的計算機系統設計能力和應用設計能力十分重要和必要。

2構建基于EDA技術的計算機硬件實驗教學體系

EDA技術的迅猛發展，以及可編程邏輯器件PLD的出現及不斷推舊出新，為解決上述矛盾提供了一個良好的契機。EDA技術不僅是一種先進的硬件設計技術，而且將在計算機專業的硬件體系實驗教學中發揮其重要作用。采用EDA技術可以實現硬件設計軟件化，其實以軟件實驗替代硬件實驗的方法也將是計算機硬件設計技術的發展方向，在美國一些著名大學的計算機硬件實驗室，包括計算機組成原理實驗早已不用那種傳統接插式箱式實驗臺，采用EDA技術進行硬件實驗，通過可編程邏輯器件進行修改和重構，實現系統編程和硬件邏輯設計的軟件化，設計方法較靈活。由于所有的實驗都在計算機上利用軟件來完成，不需連接導線，修改測試極為方便，可大大提高實驗效率。與通常的實驗手段相比，“軟件化”實驗無器件損耗，可節省實驗經費，并減輕實驗管理人員的維護工作量。采用EDA技術將為學生進行自主實驗、綜合實驗和創新實驗提供廣闊的發展空間的同時，全面提高學生工程實踐能力和學習硬件設計的興趣。因此，構建EDA技術貫穿于計算機硬件實驗教學體系十分必要。

2.1研究計算機專業硬件類課程之間的關系，設計遞進層次的實驗結構

要合理設置計算機實驗課的結構，在強調計算機實驗課之間的邏輯順序的同時，注意知識內容的相互銜接，上下呼應，以保證學生知識的增長、學生能力的發展和社會需求三者之間的統一。建立基于EDA技術的基礎設計、綜合設計、應用研究設計三個遞進層次的實驗結構。

基礎設計：主要掌握基本技能、基本方法的運用，加深對理論知識理解。例如，數字邏輯實驗課程中組合邏輯和時序邏輯電路的設計，計算機組成原理實驗課程中功能部件的設計，計算機接口實驗課程中I/O接口部件的設計，學生用EDA軟件原理圖和硬件描述語言的方法在設計或描述這些功能時，必須清楚部件的結構與性能，充分理解理論知識。以基礎設計實驗替代驗證性實驗不僅讓學生掌握基本技能和方法，更能透徹理解理論知識。

綜合設計：綜合所學的知識，應用現代化的設計思想，設計計算機的硬件系統。如將計算機組成原理、計算機接口技術與計算機體系結構實驗課程結合，學生用硬件描述語言完成中斷控制器、總線控制器的設計，及RISC、CISC的CPU優化設計。綜合設計實驗可以在單科單個實驗的基礎上，進一步將計算機硬件課程的實驗內容打通，建立統一的平臺，完成多科目的綜合應用。實現更加復雜的計算機硬件系統的設計，達到對整個計算機硬件知識的融會貫通。

應用研究設計：進行軟、硬件綜合設計，能夠根據需要設計出一定規模的計算機硬件應用系統實例，此時的計算機硬件實驗就不僅僅是單個或綜合的實驗教學了，而是一個總的計算機硬件應用系統的設計項目或軟、硬件綜合設計。學生以接近于實際應用環境，完成高質量綜合設計為訓練手段，使學生建立系統的概念與工程的概念。如基于SOPC的嵌入式設計項目，以掌握計算機硬件結構與應用系統設計作為主要訓練目的，使學生對計算機的整個硬件系統、軟件環境有較全面、較系統的掌握，才能完成設計任務。

2.2以EDA技術為紐帶構建階段性、層次化的實驗教學體系

仔細研究計算機專業硬件類課程之間的關系，構建階段性、層次化、系統化的實驗體系。EDA技術好比紐帶，將那些分散的計算機專業硬件類課程有機地連接起來。具體可構建如下幾個層次的實驗:

(1) 數字邏輯層次實驗

完成常用組合邏輯和時序邏輯電路的設計，以及具有一定實用功能的邏輯系統的實驗。通過這些實驗使學生熟悉EDA設計的的全過程。

(2) 計算機組成原理層次實驗

主要完成運算器、存儲器、CPU等大規模器件的設計，通過計算機的功能部件或整個計算機系統的設計實現過程，鍛煉學生的工程實踐能力。

(3) 計算機接口與通信技術層次實驗

完成計算機I/O接口部件的設計，側重于硬件邏輯實現，如定時/計數器、中斷控制器、DMA 控制器、并行接口、串行接口和VGA顯示器的控制電路等。

(4) 計算機體系結構層次實驗

完成諸如RISC、CISC和總線控制器等的設計，實現計算機的各種組成部件或整機系統，追求結構的優化和性能的提高，培養學生進行性能分析和測試的能力。

(5) 嵌入式計算機系統層次

主要完成嵌入式系統的硬件、軟件的設計和軟硬件綜合設計、多機容錯系統設計、多機并行算法設計等，使學生能熟練進行嵌入式系統應用程序開發和運用嵌入式操作系統進行任務調度和管理，最終設計出一個完整的嵌入式系統。

3實現基于EDA技術的計算機硬件實驗體系的措施

3.1增設EDA技術課程是當務之急

EDA技術課程以應用為主，主要介紹當前可編程邏輯器件PLD設計的主導思想和設計方法，以及PLD的體系結構、硬件描述語言HDL、EDA開發工具和數字系統的設計方法。實驗教學是EDA課程的一個重要實踐環節，通過一系列由淺入深的、不同層次(如基礎設計型、綜合設計型、應用研究型)的實驗，學生可在較短時間內掌握EDA技術的原理和方法，熟悉EDA設計的全過程。

EDA是以PLD及其開發板為硬件平臺，以硬件描述語言HDL和EDA技術為開發工具，以軟件設計的方法實現硬件的功能。EDA課程的意義不僅僅在于教會學生掌握某種HDL語言和某種EDA工具的使用，更重要的是引導學生掌握現代數字系統設計的方法與思想，能夠用形式化的方法來描述硬件電路，并能綜合運用先進的EDA技術對設計進行仿真、綜合和測試、驗證，從而培養和提高學生的硬件設計能力。國外加州大學伯克利分校、斯坦福大學、威斯康辛大學等高校早已經在計算機專業應用EDA技術進行數字系統的設計和CPU的設計。國內著名高校近年也在計算機專業開設了EDA技術課程，開始應用EDA技術進行計算機系統的設計。在計算機領域應用EDA技術是計算機硬件設計技術的發展方向，對于還沒有開設EDA技術課程或在計算機硬件系統設計還不能自如應用EDA技術的計算機專業，應該盡早增設EDA技術課程。

3.2精選實驗內容，優化實驗設置

精選一些基本的實驗作為計算機實驗的必修內容。在內容選取上，可以打破傳統的模式，如以基礎設計替代驗證性實驗，實驗內容以訓練的性質、層次進行分類。在實驗類型的設計上，強調實驗項目的設計，擬定方案、調試方法等由學生獨立完成，使學生在基礎知識、基本方法和基本技能上得到系統的訓練，提高學生的主動性。

實驗教學項目的設計，應開展多種類型、多種層次、多種目的實驗，如基礎設計型、綜合設計型、創新設計型或應用研究型。合理設置計算機實驗課的結構，注意知識內容的相互銜接，前后呼應。如在計算機組成原理層次實驗，學生需掌握EDA技術的原理和方法，熟悉EDA設計的全過程；在嵌入式計算機系統層次實驗，學生需掌握嵌入式處理器組織結構，如NiosII CPU軟核或MicroBlaze CPU軟核。

3.3抓好計算機硬件師資隊伍建設

要培養高質量的學生，就必須有高水平的教師。教師是實踐教學改革的關鍵，其知識結構、業務素質、實踐能力、敬業精神將影響學生久遠。從事計算機硬件教學的教師需要具備豐富的計算機系統知識、扎實的理論功底、一定的工程實踐經驗。值得思考的是，在當今實踐教學內容更新迅速，實踐教學指導難度加大，社會用人單位急需實踐能力強的應用型人才的情況下，高等工科院校的實踐教學教師仍然被定義為“教輔人員”，在崗位津貼、晉升職稱、項目申報等方面仍然處于弱勢地位。這種現象與重視實踐教學和提高人才培養質量并不合諧一致。需要盡快轉變傳統的觀念，抓好計算機硬件師資隊伍建設，一方面積極引進計算機硬件人才；另一方面定期進行新技術培訓、實踐教學方法培訓；此外，加強與企業單位橫向合作，鼓勵老師走向社會，多參加科研項目的研究，不斷更新知識，提高業務水平，為實踐教學改革與應用型人才培養打下堅實的基礎。

3.4建立開放式EDA實驗室

可編程片上系統SOPC(System On a Programmable Chip)使得在一個芯片上實現一個完整的計算機系統成為可能。SOPC集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯，采用基于SOPC的實驗平臺，使學生調試、驗證自己的設計項目成為可能，為學生的自主實驗提供廣闊的發展空間。比如軟硬件協同設計實驗，面向DSP等實際應用的實驗，基于SOPC嵌入式系統設計實驗等，使學生能夠應用EDA技術完成大型硬件的原型設計，或進行創新性課題的研究。

由于PLD自身的特點，學生最初完全可以在計算機上借助于EDA工具完成設計輸入、編譯、仿真和綜合，這樣學生在普通的計算機上即可完成PLD設計的大部分工作，最后再到EDA實驗室進行編程下載和驗證。借助EDA技術學生能完成涉及多門硬件類課程的實驗，在不同的學習階段，學生學習了相應的硬件課程后，就可以采用EDA技術，自行設計與本課程相關的實驗設計或復雜應用系統設計。

采用這種模式開設硬件系列實驗，建立一個一定規模的EDA實驗室，配備一定數量的SOPC實驗臺和配套的計算機。這并不需要很大的實驗室，也無須與學生規模相配套的實驗設備，在計算機上安裝各種成熟高效的EDA工具，實驗室作為開放式實驗室，可以是實驗時間開放和實驗內容開放，為計算機專業學生提供一個良好的硬件環境和軟件環境。EDA技術的應用貫穿于計算機硬件體系實驗教學，學生的自主設計能力和創新意識將得到極大提高，這無疑對培養具有創新意識的人才有著重要的作用。

4結束語

計算機科學是一門實踐性很強且發展迅猛的學科，實踐環節是計算機學科建設與發展的重要組成部分。構建合理

的計算機硬件實驗體系，對培養學生良好的計算機硬件基礎，提高學生設計、應用計算機的能力至關重要。構建系統的EDA技術的實驗教學體系，實行開放式實驗教學，有利于增加新技術、新方法的實踐應用；有利于隨時更新實驗內容，開設自主性、綜合性、創新性實驗。建立EDA技術的實驗教學體系必將極大地推進計算機專業硬件實驗教學內容和教學形式的改革，為創新人才的脫穎而出創造條件。

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