MAX+PlusⅡ平臺(tái)下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐方案研究

劉彩梅

（麗江師范高等專科學(xué)校，云南 麗江 674199）

MAX+PlusⅡ平臺(tái)下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐方案研究

劉彩梅

（麗江師范高等專科學(xué)校，云南 麗江 674199）

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐教學(xué)改革勢在必行。本文對(duì)如何在MAX+PlusⅡ平臺(tái)下優(yōu)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐方案展開研究，期望產(chǎn)生一定的積極效用。

MAX+PlusⅡ平臺(tái)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；課程設(shè)計(jì)；虛擬實(shí)踐

1 引言

在新一輪教育改革浪潮的沖擊下，高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐教學(xué)改革提上日程，逐漸引起社會(huì)各界的關(guān)注和認(rèn)可。在實(shí)踐教學(xué)過程中，應(yīng)側(cè)重鍛煉學(xué)生的思考能力、操作能力以及創(chuàng)新能力，在優(yōu)質(zhì)的虛擬實(shí)踐教學(xué)方案的指導(dǎo)下，節(jié)省實(shí)驗(yàn)資源，全面調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，從而全面提升教學(xué)質(zhì)量，培育出適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的高素質(zhì)復(fù)合型、創(chuàng)新型人才。在此基礎(chǔ)上，本文研究MAX+PlusⅡ平臺(tái)下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐方案，旨在為高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐教學(xué)改革提供一定的參考與指導(dǎo)。

2 分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐教學(xué)是一項(xiàng)復(fù)雜的教學(xué)任務(wù)，實(shí)踐教學(xué)能夠加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)工作原理、整機(jī)概念等的認(rèn)知與掌握。在學(xué)習(xí)過程中，需要學(xué)生利用中大規(guī)模集成電路深入剖析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成、設(shè)計(jì)、測試與驗(yàn)證。目前，中大規(guī)模集成電路器件的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證往往建立在MAX+PlusⅡ平臺(tái)基礎(chǔ)上，由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限，且計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件數(shù)量具有一定的限制性條件，在實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生一般只能進(jìn)行驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，因此，學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)興趣往往受到打擊，甚至部分學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)興趣喪失，而且學(xué)生往往采取抄寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告來匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，難以提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，不利于學(xué)生身心健康發(fā)展。

另外，高校所提供的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐內(nèi)容存在嚴(yán)重的同質(zhì)化現(xiàn)象，在內(nèi)容設(shè)計(jì)上大同小異，一般都包含有：控制器試驗(yàn)、運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、存貯系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)均為單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，難以綜合提升學(xué)生的思考能力、操作能力以及創(chuàng)新能力。而研究型大學(xué)在實(shí)踐教學(xué)中，則要求學(xué)生分組完成實(shí)驗(yàn)，且一般為兩個(gè)綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)設(shè)計(jì)。目前，高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐教學(xué)課程設(shè)置主要包括以下五大類：

2.1 匯編

該實(shí)驗(yàn)主要是通過編寫相應(yīng)的匯編語言程序來實(shí)現(xiàn)，在一定程度上，能夠加深學(xué)生對(duì)系統(tǒng)組成的理解和掌握，但是由于該實(shí)驗(yàn)簡單易行，無法幫助學(xué)生了解和掌握到詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)。

2.2 仿真系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)也是一種硬件實(shí)驗(yàn)，國外許多大學(xué)采用仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，如：winDLX，主要使用DLX仿真器實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的進(jìn)行性分析，并且分析、總結(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)、相關(guān)控制、相關(guān)結(jié)構(gòu)、相關(guān)專用通路等。

2.3 高級(jí)語言

該實(shí)踐教學(xué)模式要求學(xué)生利用C/C++、JAVA、Power-Builder、DELPHI、Vb、VC等編程語言自主地編寫類似于winDLX的仿真環(huán)境。

2.4 EDA平臺(tái)

該實(shí)踐教學(xué)模式主要利用EDA平臺(tái)，通過計(jì)算機(jī)系硬件編程語言進(jìn)行程序編寫——VHDL，并且在編譯后，將其下載到可編程芯片上（SoC），這種實(shí)驗(yàn)主要利用軟件的方式進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，而且具有修改方便的特性，但是，學(xué)生在掌握VHDL語言上需要較長的研究時(shí)間，另外，該實(shí)驗(yàn)對(duì)硬件配置要求比較高，需要利用相應(yīng)的EDA工具。

2.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在國外比較常見，而國內(nèi)研究比較少，以清華大學(xué)為例，清華大學(xué)目前設(shè)計(jì)研制了開放式教學(xué)CPU設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)，學(xué)生不僅僅能夠?qū)W習(xí)到CPU設(shè)計(jì)、驗(yàn)證以及相應(yīng)的測試方法，而且能夠加深對(duì)計(jì)算機(jī)原理、組成以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知和掌握，與此同時(shí)，學(xué)校要求學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)的EDA工具軟件使用方法，帶動(dòng)了我國高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐教學(xué)水平的提高。

3 MAX+PlusⅡ平臺(tái)下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐方案的優(yōu)化

MAX+PlusⅡ平臺(tái)下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐方案的優(yōu)化包括兩大點(diǎn)，即：虛擬實(shí)踐平臺(tái)的科學(xué)選擇和實(shí)踐方案的優(yōu)化與升級(jí)。下面詳細(xì)的對(duì)這兩點(diǎn)展開闡述：

3.1 虛擬實(shí)踐平臺(tái)的科學(xué)選擇

據(jù)相關(guān)調(diào)查（國內(nèi)外各種文獻(xiàn)資料、相關(guān)報(bào)道等），我們發(fā)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)可以利用復(fù)雜的可編程邏輯設(shè)計(jì)器件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，并且可以用來模擬真實(shí)的硬件平臺(tái)，以便為虛擬化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)。舉個(gè)例子，如Altera公司利用MAX+PlusⅡ平臺(tái)全面實(shí)現(xiàn)了虛擬化計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)的集成化，并且為其實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了易學(xué)易用的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境，在現(xiàn)實(shí)生活中，我們發(fā)現(xiàn)MAX+PlusⅡ平臺(tái)往往應(yīng)用于中大規(guī)模的FPGA/CPLD以及新器件的設(shè)計(jì)。另外，MAX+PlusⅡ平臺(tái)具有硬件描述語言、時(shí)序圖、電路原理圖等多種多樣的輸入功能，而且可以利用MAX+PlusⅡ平臺(tái)提供標(biāo)準(zhǔn)門電路以及芯片等邏輯性器件，高效地完成數(shù)字電路的一系列過程（包括設(shè)計(jì)、輸入、編輯、編譯、仿真、封裝、下載）。除此之外，MAX+PlusⅡ平臺(tái)可以有效地保證所設(shè)計(jì)的數(shù)字電路系統(tǒng)安全可靠、具備高度的靈敏性，且可以充分利用MAX+PlusⅡ平臺(tái)強(qiáng)大的圖形界面以及完整的文檔功能，幫助學(xué)生快速輕松了解和掌握EDA平臺(tái)，然后根據(jù)邏輯電路以及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)完成一系列的設(shè)計(jì)。

近年來，MAX+PlusⅡ平臺(tái)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用平臺(tái)，且由于MAX+PlusⅡ平臺(tái)具有強(qiáng)大的靈活性以及可保存性，能夠有效地打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)的束縛，方便學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另外，在教學(xué)過程中，教師要根據(jù)課時(shí)安排，以及學(xué)生的內(nèi)在發(fā)展需求，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方案，并且學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間安排，進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，將學(xué)生的潛在能力充分地挖掘出來，并且在學(xué)生實(shí)驗(yàn)的過程中，教師尊重學(xué)生的意愿，加以指導(dǎo)與輔助。

據(jù)相關(guān)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高校逐漸對(duì)MAX+PlusⅡ平臺(tái)下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐方案的優(yōu)化工作重視起來，將原有的分散性教學(xué)內(nèi)容組織起來，形成完整的實(shí)踐教學(xué)模式，而且通過全面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生樹立計(jì)算機(jī)工程觀念，并且?guī)椭鷮W(xué)生掌握EDA軟件工具與相關(guān)技術(shù)的操作方法，形成一個(gè)完善的MAX+PlusⅡ平臺(tái)下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐教學(xué)體系，全面提升高校教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的思考能力、操作能力以及創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的綜合技能和綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生身心健康發(fā)展。

3.2 實(shí)踐方案的優(yōu)化與升級(jí)

在實(shí)踐教學(xué)方案的優(yōu)化與升級(jí)中，往往需要優(yōu)化課程安排、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段等。在優(yōu)化課程安排上，適當(dāng)減少理論課，增加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)課程，增加實(shí)踐教學(xué)課程的時(shí)間，并且鼓勵(lì)支持學(xué)生利用課余時(shí)間，進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，學(xué)校隨時(shí)對(duì)自主實(shí)踐學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)室，保證學(xué)生能夠在合理的時(shí)間內(nèi)，完成實(shí)踐鍛煉；在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容上，要涵蓋計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)概念、CPU設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、流水線技術(shù)、向量標(biāo)量處理機(jī)、輸入輸出系統(tǒng)等，并且在必修和選修課的設(shè)計(jì)上要充分彰顯出科學(xué)合理性；在豐富教學(xué)手段上，除了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證外，還要定期安排學(xué)生到大型企業(yè)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并且積極開展校園外活動(dòng)，組織學(xué)生開展計(jì)算機(jī)競賽，全面提升學(xué)生的綜合技能和綜合素質(zhì)，帶動(dòng)教學(xué)質(zhì)量的提升。

4 結(jié)語

總而言之，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐方案有利于全面提升高校計(jì)算機(jī)教學(xué)水平，它是計(jì)算機(jī)教學(xué)改革的重點(diǎn)及難點(diǎn)，需要在剖析高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，科學(xué)選擇虛擬實(shí)踐平臺(tái)，不斷優(yōu)化、升級(jí)實(shí)踐教學(xué)方案，才能全面提升教學(xué)水平，提高學(xué)生的綜合技能和綜合素質(zhì)，培育出適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的高素質(zhì)的復(fù)合型、創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)人才。

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Research on the Virtual Practice of Computer System Hardware Curriculum Design Based on MAX+Plus II

Liu Caimei
(Lijiang Teachers College,Lijiang 674199,Yunnan)

It is imperative to reform the virtual practice teaching reform in the course of computer system hardware design.This paper studies on the optimization of virtual practice of computer system hardware design in the MAX+Plus II platform,expecting to have some positive effect.

MAX+Plus II platform;computer system;curriculum design;virtual practice

TP3-4

A

1008-6609(2016)05-0091-03

劉彩梅，女，云南麗江人，工程碩士，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)硬件。