基于系統觀的計算機專業實驗平臺建設

寧建紅

【摘要】本文分析了計算機專業目前存在的問題，確立了注重計算機系統能力培養的計算機專業人才培養思路。并以此進行了人才培養方案的修訂，建立了計算機系統能力綜合實驗箱+開發板的實驗平臺，該平臺在實驗內容上可以進行整體設計，各課程的實驗內容具有一定的延續性。圍繞系統觀，該平臺可以進行各課程間教學內容的貫通，有助于各相關課程的授課教師進行新的教學改革。

【關鍵詞】計算機系統能力；實驗平臺；教學改革

一、專業現狀

就我校計算機專業而言，經過近十幾年的發展，目前是上海市特色本科專業，其建設成果也獲得了上海市教學成果二等獎，在人才培養上取得了一些成績，但目前也遇到了一些發展的問題。如在人才培養方案的設計上缺乏系統觀、課程體系之間缺乏貫穿于銜接、課程內容也無法反映滿足后PC時代對計算機專業人才知識的要求等。2017年我校對人才培養方案進行了重新修訂，將課程體系進行重新整合，構建了四個能力模塊，在計算機系統工程設計模塊中突出系統能力培養，增加了新的銜接課程計算機系統基礎（1）、計算機系統基礎（2），該課程是一門綜合課程，注重培養學生的系統能力，將計算機組成原理、操作系統原理、編譯原理等課程進行有效銜接，讓學生建立計算機系統的完整概念，形成系統觀和系統思維。根據計算機科學與技術專業課程的要求，需要建立計算機系統能力綜合實驗箱+開發板的實驗平臺，該平臺能夠完成計算機系統基礎課程的多項實驗，同時還可以完成計算機組成原理、操作系統原理的相關實驗，滿足本專業的教學與實踐的要求。

二、建立基于系統觀的計算機專業實驗平臺

以培養學生的系統觀為目標進行教學改革，將自主設計“一臺功能計算機、一個操作系統核心”確立為教學目標，充分利用現有的實驗室資源，整合數字電路與邏輯設計、計算機系統基礎（1）、計算機系統基礎（2）、計算機組成原理、操作系統原理、編譯原理等核心課程實驗教學，建立統一的實驗教學平臺。各門課程提供針對統一平臺的實驗教學方案，注重先行課程及后繼課程之間的技術關聯，達到“層層遞進 、逐步深化”的實驗效果。在實驗體系規劃上強調按工業標準和工程規模開發系統，同時注重探索系統開發的工程化方法以提高學生達成教學目標的達成度。通過該平臺讓學生能理解計算機系統的整體性、關聯性、層次性、動態性和開放性，掌握計算機軟硬件協同工作及相互作用機制，并綜合運用多種知識與技術完成全系統開發的能力。學生可以利用所學知識對計算機系統綜合技術進行創新型研究，為參加全國大學生系統能力競賽奠定基礎。

實驗平臺中的開發板可以讓學生動手進行CPU的設計，實現理論與實踐的結合，加深學生對整機概念的認識，進一步弄清計算機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，從而提高自行設計、調試分析的獨立工作能力。可以完成桶形移位器、4位加減法器、具有32個8位寄存器的寄存器、簡單ALU、原碼乘法器、32位交叉存儲的存儲器、邏輯電路小系統設計和MIPS 5級流水線ALU等實驗。

計算機系統能力綜合實驗箱是一個貫通計算機課程體系的一體化實驗系統。體現了針對不同課程的教學思想、思維方法、和解決問題方法的一體化支持。采用開放式體系構架和32位存儲層次結構，通用性強，適應性靈活。采用基于FPGA實體的虛擬實驗箱和SOC集成技術，支持教師開發個性化的實驗和創新設計，能夠支持數字電路與邏輯設計、計算機組成原理、計算機接口技術、操作系統原理、編譯原理、計算機網絡等課程的實踐教學。可以完成計算機科學與技術專業本科生的計算機系統能力實驗，如：MIPS匯編程序開發環境、QtSpim匯編、調試、FPGA開發工具Xilinx ISE使用、單周期類MIPS微處理器設計、存儲器映射I/O接口設計、簡單VGA接口設計、基于FPGA的嵌入式計算機系統設計、基于IP核的并行I/O接口實驗、并行存儲器接口設計、DMA技術實驗和人機接口實驗等。還可以進行操作系統原理的相關實驗：如內核初始化、實現鍵盤輸入、VGA顯示功能、實現文件系統、添加內存管理、系統調用、添加時鐘中斷、實現進程管理等。

對于實踐環節來說，該實驗平臺在實驗內容上可以進行整體設計，各課程的實驗內容具有一定的延續性。可以更好地推進各課程間教學內容的貫通，也有助于各相關課程的授課教師進行新的教學改革。

三、結語

隨著計算機科學與技術的不斷進步，新的計算系統及其應用日益深化，尤其以“四類新型計算系統”和“四化主要特征”為代表對計算機專業人才的知識結構與創新能力提出更高的要求。傳統計算機專業的教學體系和內容已經不適應社會、 技術發展的需要。培養學生的計算機系統能力成為計算機專業教學的培養目標之一。實踐教學是提高課程教學質量，培養學生能力的重要手段。在新的課程體系下搭建注重系統能力培養的計算機專業實驗平臺刻不容緩。

參考文獻

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