《計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實踐環(huán)節(jié)教學(xué)探索

　　摘 要： 《計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》是計算機(jī)大類本科專業(yè)教學(xué)中一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。它涵蓋了計算機(jī)內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)工作原理，以及軟硬件的劃分和界面。在當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入發(fā)展、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用更加廣泛的背景下，深入理解計算機(jī)的軟硬件系統(tǒng)，并與工程實際相結(jié)合，為將來的嵌入式計算系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)奠定基礎(chǔ)顯得更加重要。本文分析了江南大學(xué)《計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程的實踐環(huán)節(jié)教學(xué)的現(xiàn)狀，探討了與企業(yè)建立聯(lián)合實驗室培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力的應(yīng)對方案。
　　關(guān)鍵詞： 江南大學(xué) 《計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》 實踐教學(xué) 實踐現(xiàn)狀 應(yīng)對方案
　　一、引言
　　當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，嵌入式技術(shù)已成為信息產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的計算機(jī)技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信、消費電子、醫(yī)療電子、工業(yè)控制和交通系統(tǒng)等領(lǐng)域。資料顯示，在2009年中國軟件業(yè)收入的9513億元中，嵌入式占了將近20%，而且每年都以近40%的速度增長。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心的軟硬件混成專用計算機(jī)系統(tǒng)，需要設(shè)計人員統(tǒng)籌考慮軟硬件設(shè)計，以最大限度地適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、成本、體積、功耗、可靠性等方面的要求。傳統(tǒng)的軟件、硬件分別進(jìn)行的設(shè)計方法難以滿足嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計需求，而需要設(shè)計人員進(jìn)行軟硬件的綜合考慮和協(xié)同設(shè)計。
　　然而和上述趨勢對應(yīng)的是，目前計算機(jī)類本科專業(yè)軟件方面的教學(xué)和實踐都實施得較好。學(xué)生除了課堂學(xué)習(xí)外，還可以利用學(xué)校和自己的計算機(jī)充分進(jìn)行軟件編程的實踐和訓(xùn)練。而且軟件類課程C語言、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等相對直觀和容易理解，容易入門。但對于硬件類的課程尤其是計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，學(xué)生普遍反映內(nèi)容較為抽象，如果沒有適合的實踐環(huán)節(jié)將課堂概念和實際工程聯(lián)系起來，學(xué)習(xí)效果將難以得到保障。因此，探索適合計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實踐教學(xué)工具、教學(xué)方法和配套機(jī)制，加強(qiáng)學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實踐環(huán)節(jié)的聯(lián)系，建立形象直觀、便于理解的學(xué)習(xí)途徑至關(guān)重要。本文重點討論江南大學(xué)計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實踐教學(xué)實施現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方向，為增強(qiáng)計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學(xué)效果作有益探討。
　　二、《計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實踐教學(xué)現(xiàn)狀分析
　　當(dāng)前國內(nèi)計算機(jī)類本科專業(yè)硬件主干課程設(shè)置有兩種模式：一種是數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（技術(shù)基礎(chǔ)課）→計算機(jī)組成原理（專業(yè)基礎(chǔ)課）→計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（專業(yè)課）。大多數(shù)重點院校采用這種模式。另一種是數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（技術(shù)基礎(chǔ)課）→計算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)（專業(yè)基礎(chǔ)課）。江南大學(xué)及國內(nèi)其他許多本科高等學(xué)校采用第二種課程設(shè)置模式。
　　《計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程綜合了《計算機(jī)組成原理》和《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》兩門課程的要求，要求學(xué)生掌握計算機(jī)系統(tǒng)各個部件的組成原理，最終從系統(tǒng)、整機(jī)的角度理解計算機(jī)的結(jié)構(gòu)與組成，是計算機(jī)類本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，以及計算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)方向非常重要的一門課程。這門課程的建設(shè)與教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到人才培養(yǎng)中計算機(jī)硬件與結(jié)構(gòu)方向教育的成效。尤其是在當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)日益流行，軟硬件一體化設(shè)計需求不斷擴(kuò)大的背景下，計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程能否達(dá)到預(yù)期效果顯得更為重要。
　　目前在教學(xué)實施過程中，學(xué)生普遍反映該門課程內(nèi)容較為抽象，難以和一個具體的可見的系統(tǒng)相聯(lián)系理解整個的運(yùn)行過程，學(xué)習(xí)效果欠佳，依然停留在為應(yīng)付考試的習(xí)題練習(xí)為主的方式上，通過課程的學(xué)習(xí)無法鍛煉搭建完整電路系統(tǒng)的能力。這些問題急需通過實踐環(huán)節(jié)有針對性地解決。
　　傳統(tǒng)的計算機(jī)組成原理采用的實驗設(shè)備是在開放的電路板上用插線的方式搭建邏輯，學(xué)生通過將對應(yīng)的引腳互聯(lián)起來構(gòu)成特定的數(shù)據(jù)通路。這種方法無需編寫程序，可以直觀地顯示計算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況，但對學(xué)生的影響僅僅停留在實驗室階段，不能和企業(yè)的實際開發(fā)相結(jié)合，沒有更多的實用價值。
　　隨著硬件可重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的計算機(jī)組成原理實驗課采用了基于FPGA的實驗裝置。基于FPGA的優(yōu)點在于學(xué)生可以通過自己的邏輯設(shè)計得到專用芯片，并通過實驗板上的I/O觀察芯片的運(yùn)行情況，更接近實際CPU的運(yùn)行狀態(tài)。目前，根據(jù)不同學(xué)校學(xué)生能力的強(qiáng)弱，基于FPGA的組成原理實驗采用了兩種不同的輸入方式。
　　一種是基于原理圖的設(shè)計方式。學(xué)生通過連接原理圖的方式，構(gòu)成自己想要的邏輯電路。將該電路下載到FPGA芯片后構(gòu)成特定的芯片，通過實驗板上的I/O觀察芯片內(nèi)部的運(yùn)行情況。這種方式的優(yōu)點是直觀、易于理解。缺點是隨著系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，原理圖輸入的方式耗費時間太長，連線也容易出錯，不太可能用于搭建復(fù)雜的系統(tǒng)。
　　另一種是基于硬件描述語言VHDL/Verilog的設(shè)計方式。優(yōu)點是可以利用現(xiàn)有的資源搭建較為復(fù)雜的系統(tǒng)，甚至多級流水線的CPU，可以極大地提高學(xué)生的硬件設(shè)計能力。缺點是對學(xué)生的要求比較高，需要有硬件描述語言的基礎(chǔ)。
　　三、《計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實踐教學(xué)工具的選擇
　　通過上述分析，可以看出基于硬件描述語言和FPGA的組成原理實驗方式由于可與將來的企業(yè)實際開發(fā)相結(jié)合，具有較強(qiáng)的實際意義。學(xué)生可以通過VHDL搭建復(fù)雜和完整的硬件系統(tǒng)，對于理解計算機(jī)組成原理和計算機(jī)的運(yùn)行情況有非常現(xiàn)實的意義。關(guān)鍵問題是，應(yīng)該如何選擇適當(dāng)?shù)幕贔PGA的開發(fā)環(huán)境和教學(xué)方法，以適應(yīng)不同水平的學(xué)生的具體需求。
　　由于現(xiàn)在基于硬件描述語言已有許多公開源代碼的資源可以加以利用，因此在進(jìn)行計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)和實踐中，可以圍繞某一種有代表性的CPU進(jìn)行學(xué)習(xí)和實驗。如國內(nèi)外有一些學(xué)校選擇以MIPS處理器作為教學(xué)和實驗的對象。學(xué)生可以根據(jù)自己的掌握程度借鑒或自己設(shè)計某個模塊，最終形成完整的CPU。同時還可以在此基礎(chǔ)上通過匯編程序進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實驗。通過這樣的方式，學(xué)生可以將課堂講解的內(nèi)容完全與實際的CPU系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來，從而為將來的硬件系統(tǒng)設(shè)計奠定良好的基礎(chǔ)。而且由于所選用的開發(fā)語言和環(huán)境都和企業(yè)實際使用的一樣，可以縮短將來的工作中的學(xué)習(xí)時間。
　　四、《計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實踐教學(xué)機(jī)制探討
　　選定了適當(dāng)?shù)膶嵺`語言和工具之后，還要有適合的配套管理和運(yùn)作機(jī)制才能保證實踐教學(xué)的效果。現(xiàn)在傳統(tǒng)的實驗室都是學(xué)校購買設(shè)備后由實驗室人員管理和維護(hù)，并配合任課老師在上課時間為學(xué)生提供實踐教學(xué)服務(wù)。由于實驗設(shè)備數(shù)和上課時間有限，學(xué)生并不能完全完成和理解實驗內(nèi)容。因此，我認(rèn)為可以采取多種方法改善這一狀況。
　　1.Xilinx/Altera等FPGA提供商建立聯(lián)合實驗室，隨時可獲得提供商提供的一些最新資料和技術(shù)服務(wù)，同時確保實驗室可以在課外對學(xué)生開放，可以借鑒以往機(jī)房的管理方式，讓感興趣的學(xué)生付費使用設(shè)備。
　　2.為學(xué)生配備或鼓勵學(xué)生購買低價FPGA設(shè)備，將實驗室?guī)Щ厮奚幔S時可以進(jìn)行FPGA系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試。
　　3.企業(yè)建立培訓(xùn)協(xié)議，抽出整段時間送學(xué)生到專門的FPGA企業(yè)進(jìn)行集中強(qiáng)化訓(xùn)練，積累實際項目經(jīng)驗。
　　將上述幾種方法相結(jié)合，可以使計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計課程的學(xué)習(xí)效果達(dá)到現(xiàn)在軟件開發(fā)的學(xué)習(xí)效果，為嵌入式系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)培養(yǎng)合格的人才。
　　五、結(jié)語
　　本文分析了江南大學(xué)《計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程的實踐環(huán)節(jié)教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的一些具體困難，并從幾個方面提出了應(yīng)對方案。當(dāng)然，這些方法依賴于計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考核方式的相應(yīng)改變。只有在教學(xué)內(nèi)容、實踐形式和方法、體制和具體實施等多方面協(xié)調(diào)一致，整體推動，才能取得預(yù)期的結(jié)果。
　　參考文獻(xiàn)：
　　［1］任春明，劉軍.計算機(jī)組成原理實驗教學(xué)的思考與改進(jìn).實驗技術(shù)與管理，2006，10.
　　［2］李彩虹，屈志毅，劉剛，馬俊.“計算機(jī)組成原理”實驗課教學(xué)模式探討與實踐.高等理科教育，2006，2.
　　［3］陳媛，黃賢英.基于EDA技術(shù)的計算機(jī)組成原理實驗教學(xué)探索.重慶工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，2.
　　［4］方愷晴，石琳，林亞平.EDA技術(shù)在計算機(jī)組成原理實驗中的應(yīng)用.實驗技術(shù)與管理，2001，3.
　　［5］孫冰，齊曉梅.VHDL在計算機(jī)組成原理實驗中的應(yīng)用研究.價值工程，2011，27.
　　［6］付小晶，武俊鵬，程旭輝.關(guān)于提高“計算機(jī)組成原理實驗”課程教學(xué)質(zhì)量的探討.計算機(jī)教育，2009，