面向系統的計算機專業實踐教學體系

　　文章編號：1672-5913(2011)21-0017-05 中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
　　
　　摘 要：深入理解計算機系統對提高計算機專業學生計算機應用系統設計能力具有重要意義。使學生深入理解計算機系統的重要途徑之一就是面向系統的計算機專業實踐教學體系建設。本文主要介紹東南大學面向系統的計算機專業實踐教學體系建設探索經驗，以供相關教學研究人員借鑒。
　　關鍵詞：面向系統；實踐教學；課程設計；系統綜合
　　
　　隨著計算機科學技術的不斷發展，計算機應用領域的不斷擴大，計算機專業的學生如何提高競爭力，是計算機教育領域一個非常重要的研究課題。對計算機專業教育，一個非常重要的思路是分類培養[1]：培養將來計算機科學技術的研究人員和應用計算機科學技術解決實際領域應用問題的計算機應用人員。對計算機科學技術研究人員，需要加強對計算機系統的理解，以更好地設計出新型計算機系統。對計算機應用人員，若能對計算機系統深入理解，則可在計算機應用系統架構時，充分利用計算機系統本身的特性，提高計算機應用系統的性能。因此，讓學生深入理解計算機系統是計算機教育的重要內容[2-3]。讓學生深入理解計算機系統，一個重要途徑就是探索面向系統的計算機專業實踐教學體系。
　　1 東南大學面向系統的計算機專業實踐教學體系
　　計算機系統包括硬件和軟件。對于硬件，其核心是CPU；對于軟件，主要包括操作系統(可延伸包含網絡操作系統)、編譯軟件和數據庫系統。
　　對面向系統的專業實踐教學體系進行建設，東南大學的目標是加深學生對計算機系統的深入理解，希望學生在“做中學、學中研、研中創”，能設計自己的計算機系統；主要方法是強調三結合：理論與實踐相結合、課內與課外相結合、教學與科研相結合。
　　根據“強化基礎、軟硬結合、立足系統、面向應
　　
　　用、加強實踐”教學理念，東南大學形成了如圖1所示的面向系統的專業實踐教學體系。
　　
　　該實踐教學體系以硬件系統綜合實踐和軟件系統綜合實踐為基礎，通過“計算機系統綜合課程設計”課程加以綜合，通過學生科研實踐和畢業設計強化“面向系統”的理念。
　　硬件系統綜合實踐包括硬件實驗和接口實驗。硬件實驗主要是讓學生運用EDA技術、采用軟件設計一個指令集自定義的模型計算機，并下載到FPGA芯片，讓學生深入理解CPU結構、會設計一個CPU。接口實驗主要包括存儲器擴展、定時器、串口、并口、中斷、A/D、D/A、DMA控制器、小型微機應用系統的綜合設計與測試等實驗，通過實驗，學生能夠理解微機接口及其應用技術。
　　軟件系統綜合實踐主要包括編譯原理課程設計、操作系統課程設計和數據庫系統課程設計。對編譯原理課程設計，要求學生能設計可生成編譯程序的程序，也就是編譯程序生成工具程序(包括Lex和Yacc)，加強學生對程序設計語言本質和編譯軟件的理解，進一步提高程序設計能力、特別是大型軟件的設計能力。對于操作系統課程設計，要求學生在閱讀Linux操作系統源代碼的基礎上添加新的系統調用，修改調度程序的代碼，擴展一個新的調度算法；或者基于Java虛擬機，完成基于Java虛擬機的線程調度及請求頁式管理的Java實現，以加深學生對計算機操作系統內核的理解，提高對操作系統內核的分析與擴展能力。對于數據庫系統課程設計[4]，通過設計一個小型的數據庫管理系統，為今后從事數據庫系統研究和開發、充分利用數據庫管理系統提供的各種特性解決實際問題打下堅實的基礎，實驗內容主要包括數據庫事務處理系統設計與實現、SQL語言解析與執行以及索引優化技術的實現。
　　對于計算機系統綜合課程設計，從系統設計的角度，通過對SOC(片上系統)的硬、軟件設計，將學生帶進計算機系統硬件和系統軟件綜合開發的領域，讓學生初步理解軟件、硬件協同設計，給學生一次綜合的訓練的機會，加深學生對計算機系統的理解。
　　2 典型實踐課程建設探索
　　這里主要介紹東南大學硬件實驗、編譯原理課程設計、操作系統課程設計、數據庫系統課程設計和計算機系統綜合課程設計建設探索經驗。
　　2.1 硬件實驗實踐課程
　　東南大學長期重視硬件教學。東南大學硬件課程群是江蘇省優秀課程群。1985年，為了加強計算機組成原理的綜合實踐，我校開始獨立設置計算機硬件實驗實踐課程。硬件實驗實踐課程內容是學生自己設計一個簡易的CPU，可以完成七條基本指令。學生通過這樣的實驗，初步改變了懼怕硬件的心理，在對課程充分理解的基礎上，自主設計自己的CPU，不設條條框框，學生實驗完成情況令人滿意，改革初現成效。部分學生的課程設計在全國相關教學會議上被作為樣板，受到與會者的一致好評。由于課程建設成效顯著，“模型計算機系統課程設計”(硬件實驗)課程建設于1993年被評為東南大學教學改革成果二等獎。從1999年開始，我們探索在原有CPU設計基礎上增加接口部件，并將EDA技術引入到課程設計中，為開設“計算機系統綜合課程設計”打下基礎。
　　經過長期的建設，硬件實驗實踐課程目前將著眼于CPU的組織和嚴格的時空安排，著眼于計算機硬件系統的設計方法和基本電路的實現方法，由小型部件實驗和大型課程設計組成。課程目標是通過實驗，在理論與實踐相結合的基礎上，加深學生的整機概念，進一步弄清計算機的內部結構和時空關系，學會指令功能的電路實現方法和技巧，掌握運用EDA技術進行設計和調試的工作方法，提高學生自行設計、調試分析的獨立工作能力。
　　小型部件實驗用傳統的中小規模集成電路完成，使學生對運算器、存儲器、數據通路、總線等基本概念有感性認識，對數據流和控制流的關系、計算機主要部件的工作過程有較清楚的了解。
　　大型課程設計要求學生運用EDA技術，采用ALTERA公司的MAX+PLUSII軟件或Quartus II軟件，自己設計一臺指令功能完備的模型計算機，下載到本實驗系統提供的FLEX10K系列芯片上，并調試成功，最后通過檢查驗收程序，寫出報告。對于模型計算機設計，分為兩個層次：微程序控制的模型計算機設計與調試和復雜的模型計算機設計與調試。對于微程序控制的模型計算機設計與調試，可自行規定數據格式和指令格式，在所提供的條件范圍內設計一臺能夠實現基本指令的微程序控制的模型計算機。對于復雜的模型計算機設計與調試，要求具有多種尋址方式、中斷系統、16條以上指令，掌握用Verilog語言設計計算機硬件的能力，掌握用軟件工程的思想設計計算機硬件的工作方法及工作過程。
　　該課程不安排考試，學生成績以其學習態度、設計能力、實驗結果以及實驗報告情況評定。具體分配如下：學習態度10分，設計水平和實驗結果
　　
　　60分(設計方案30分、實驗結果20分、創新10分)，實驗報告30分(方案和電路10分、文字表述10分、總結和分析等10分)。總分按優、良、中、及格、不及格評分。
　　2.2 編譯原理課程設計
　　編譯程序是重要的系統軟件，其設計理論基礎涉及形式語言與自動機理論。編譯程序設計的簡單方法是按照特定的程序設計語言描述規范進行相應的詞法、語法分析和目標代碼生成。主要不足是程序設計語言描述規范發生改變時不能做快速適應。因此，在編譯程序設計時，一種新的方法是使用編譯程序生成工具生成編譯程序。典型編譯程序生成工具有Lex和Yacc。為了使學生對Lex和Yacc的實現機理有深入的理解，東南大學從2005年開始獨立設置編譯原理課程設計實踐課程。
　　
　　該課程的設計目的就是通過設計一個通用的能夠自動根據正規表達式生成詞法分析程序的工具程序SeuLex和一個通用的能夠根據上下文無關文法及其語義規則自動生成語法分析程序的工具程序SeuYacc，使學生深入理解編譯原理，為在大型軟件系統實踐中設計性能優良的軟件系統打下基礎。
　　SeuLex設計的主要內容是給定一個語言的Lex完整描述，通過程序實現對應的正規表達式集分析、相應非確定的有限自動機構造、確定化和最小化；根據最小化的確定有限自動機生成對應的詞法分析程序。對于SeuYacc設計，主要內容是給定一個語言的Yacc完整描述，通過程序實現對應的LALR(1)分析表構造過程；輸出基于LALR(1)分析表、具有LALR(1)分析總控程序和LR(1)分析表查表程序的語法分析程序。
　　該課程考核根據每個學生小組必做實驗和選做完成情況、實驗結果的正確性、選做實驗的數量和完成情況進行小組評分，作為該小組成員的最高得分；對小組內各個成員評分，結合學生小組分工情況和組內評價進行評分。
　　學生普遍認為，該課程設計對加強學生對編譯理論的理解、提高大型程序的設計能力具有重要作用。
　　2.3 操作系統課程設計
　　操作系統是計算機系統的核心軟件，對操作系統的深入理解，可幫助學生充分利用操作系統提供的功能，提高計算機應用系統的效率，從而使學生能夠“做好應用”，更進一步設計自己的操作系統軟件。
　　為了加深學生對計算機操作系統內核的理解，提高其對操作系統內核的分析與擴展能力，東南大學從2005年開始獨立設置操作系統課程設計實踐課程。
　　該課程主要是為學生將來在基于Linux的嵌入式系統開發或在Java虛擬機上的軟件開發工作奠定基礎。
　　該課程提供兩類難度相當的實驗，學生可按照自己的興趣選做A類或者B類。
　　A類：本課程設計要求學生在閱讀Linux操作系統源代碼的基礎上完成兩個主要項目：在Linux2.4的內核中添加新的系統調用，以理解系統調用的工作機制，掌握擴展內核功能的技術；在Linux2.4中修改調度程序的代碼，擴展一個新的調度算法。
　　B類：在Java虛擬機上完成兩個項目：基于Java虛擬機的線程調度；請求頁式管理的Java實現。
　　該課程考核根據每個學生小組必做實驗和選做完成情況、實驗結果的正確性、選做實驗的數量和完成情況進行小組評分，作為該小組成員的最高得分；對小組內各個成員評分，結合學生小組分工情況和組內評價進行評分。
　　學生普遍認為，通過該課程設計，對操作系統的理解有一個較大的提升，對構建自己的操作系統有了一定信心。
　　2.4 數據庫系統課程設計
　　數據庫管理系統是信息處理的重要系統軟件，充分理解數據庫管理系統，對提高信息處理應用系統的性能和效率具有重要的作用。
　　為了為學生今后從事數據庫系統研究和開發、充分利用數據庫管理系統提供的各種特性解決實際問題打下堅實的基礎，東南大學利用在各種數據庫系統開發方面的長期科研積累，從2005年開始獨立設置數據庫系統課程設計實踐課程，安排學生3～4人一組，分配角色，不限機時，遵循軟件工程的要求自行設計并實現一個麻雀雖小、五臟俱全的數據庫管理系統MyDBMS，通過實踐，使學生更加透徹地理解數據庫系統的基本原理和內部實現技術。
　　該課程實驗將分為兩大部分：一是數據庫事務處理系統設計與實現；二是SQL語言解析與執行，以及索引優化技術的實現。對于數據庫事務處理系統實驗，主要是實現關系型數據庫管理系統中的兩步提交事務處理系統；對于SQL語言解析與執行實驗，主要實現標準SQL語言的解析，以及執行控制模塊；對索引優化技術實驗，主要實現B+樹索引結構并優化。
　　該課程考核根據每個學生小組必做實驗和選做完成情況、實驗結果的正確性、選做實驗的數量和完成情況進行小組評分，作為該小組成員的最高得分；對小組內各個成員評分，結合學生小組分工情況和組內評價進行評分。
　　從教學實際情況來看，絕大多數學生都能按要求完成任務，學生普遍反映雖然很辛苦，但收獲很大。該實踐課程所依據的理論課程“數據庫原理”于2010年成為國家精品課程建設項目。
　　2.5 計算機系統綜合課程設計
　　計算機系統綜合課程設計是軟件綜合實踐和硬件綜合實踐的集成，要求學生從CPU 設計、外圍接口設計到BIOS設計、匯編器設計、編譯程序設計和應用示范程序設計，需要軟硬綜合。東南大學從2003年開始探索計算機系統綜合課程設計實踐課程建設。
　　2003年，東南大學按照計算機專業課程群的總體大綱，以及“軟硬結合、立足系統”的教學指導思想，參考加州大學伯克力分校以及日本法政大學的課程設計實踐的經驗，獨立設置了“計算機系統綜合課程設計”實踐課程，將“計算機系統綜合課程設計”定位在采用EDA、OO(面向對象)、SOPC等技術，綜合軟硬件實踐，形成小型嵌入式系統的設計目標。將學生5～6人分為一組，設計內容包括嵌入式CPU設計、接口電路設計、BIOS設計、編譯器設計、簡單應用程序設計等，真正將學生帶進計算機系統的硬件和軟件設計與開發領域，讓學生得到一次全面綜合的實踐訓練。
　　該課程硬件部分實驗是設計一個可運行指定的31條MIPS指令的RISC型MIPS16微處理器，具有32位指令、16位地址線和數據線。實驗要求包括處理器采用哈佛結構，有獨立的2KB的指令存儲器和2KB的數據存儲器；具有2個中斷源入口，兩級中斷優先級(可選)；具有2個16位定時/計數器；具有一個4×4鍵盤控制器和4位7段LED控制器；具有一個簡單UART串行通信控制器或一個SCI串行通信控制器；具有看門狗功能(可選)；用不同的方法實現移位指令，并分析對主頻和功耗上的影響(可選)；增加乘法器、除法器、標志寄存器等(可選)。
　　該課程軟件部分實驗包括含有編輯功能的MIPS16匯編(編譯)程序；含有基本輸入輸出系統BIOS(可選)；含有硬件各部件測試程序；MiniC編譯器(可選)；集成開發環境IDE的設計(可選)；含有一個應用程序范例(可選)。
　　在多年的課程設計中，學生們不僅完成了簡單的SoC設計，更不斷進取，分別完成了流水型、超標量型、帶分支預測的流水、帶指令預取的流水、雙核等多種先進的設計。2005級學生的課程設計成果MiniSys IDE已作為東南大學硬件基礎課的實驗工具。2006級學生嘗試了增加鼠標、黑白液晶屏、彩色液晶屏、步進電機、點陣LED等外部設備的接口電路、并初步嘗試了3核處理器的設計。該課程于2009年成為教育部—Intel精品課程。
　　3 保證實踐教學效果的建議
　　實踐教學對提高學生的能力和素質具有重要作用，但教學工作量較大，需要教師有很大的投入，才能保證教學效果。東南大學為了保證實踐教學效果，首先從實驗實踐教學考核政策上予以傾斜，學校實驗教學與技術崗位編制中，充分考慮實驗室建設與實驗教學改革的需要，重點建設的實驗中心，改革與建設編制崗位數所占的比例可以達到中心實驗技術崗位的20%以上。
　　另外，針對獨立設置的課程設計[5-6]，有如下建議。
　　1) 任務布置階段，因人而異，避免一刀切：對基礎較差的學生——給出基本任務要求，鼓勵學生向更高目標走，絕不降低基本要求；對于大多數學生——給出的任務比基本要求略高，鼓勵他們多進行討論，讓這部分學生能“吃飽吃好”；對于能力強的學生——讓他們自行組織討論，充分發揮能動性，提出自己的方案，可以四個不限定(不限定學生設計的總體結構，不限定學生具體實施設計的步驟，不限定最終的目標與驗證方法，不限定學生實施自己設計的時間和地點)，大大提高學生的學習興趣。
　　
　　2) 任務執行階段，做到教師全程跟蹤：對于基礎差的學生——講清楚基本原理和設計中要注意的關鍵問題，必要時給這部分學生補一點基礎的知識；大多數學生——引導學生能夠更為完善地完成設計，并在設計中或多或少地表現出一些自己的特色，這部分學生要多做一些啟發性的工作；能力強的學生——放手讓他們去做各種探索性實驗，要經常參加他們的討論，聽取他們的思路，并及時為他們提供有關的資料。
　　3) 任務驗收階段，采用招標式課程設計驗收方案：各組展示本組的設計，組長做總體性介紹；成員展示自己設計的特色；各組之間展開競爭和互評，用自己的最優秀部分贏取驗收教師和其他組成員的好評。
　　4) 嚴把設計質量關：杜絕抄襲現象；規范設計報告格式，提高設計報告質量。
　　4 結語
　　提高學生系統認識能力對計算機專業學生具有重要意義。東南大學面向系統的計算機專業實踐教學體系建設探索經驗表明，面向系統的綜合實踐很有必要，學生不僅加深了對計算機系統的理解，而且提高了分析問題、解決問題能力，提高了學生的專業興趣，為今后走上工作崗位，能夠很快適應新環境奠定了較好的基礎。
　　當然，面向系統的綜合實踐對理論基礎不夠扎實的學生還具有較大難度。如何使所有學生均有很大的收獲，還需要不斷地探索。希望本文對相關教學研究人員有借鑒作用。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會. 高等學校計算機科學與技術專業核心課程教學實施方案[M]. 北京:高等教育