基于系統能力培養的計算機組成原理課程教學探討

邵雄凱，葉志偉，歐陽勇，李 浩，王春枝

（湖北工業大學 計算機學院，湖北 武漢 430068）

0 引 言

當今時代計算機技術的應用極大地推動了社會經濟的蓬勃發展，不斷改變著社會的生活方式。計算機技術的高速發展對高等學校計算機類專業學生的培養也不斷提出更高的要求，國內計算機領域的專家學者也在不斷探索和改革計算機類專業的教學模式、方法和內容。近年來，各高校都在實踐基于系統能力的培養模式。系統能力是由系統知識和工程實踐能力組成的：系統知識，即掌握計算機核心系統的工作原理及其構造方法，理解計算機系統的軟硬件相互作用關系；工程實踐能力，即用工程方法開發計算機應用系統。

1 課程地位和教學現狀

計算機組成原理課程在計算機類的培養方案中一直作為核心課程，在課程體系中占有重要位置，起到承上啟下的作用[1]。在從2009年開始的全國計算機專業研究生入學考試中，計算機組成原理作為4門核心基礎課之一，并且占有45分，可見其課程地位的重要性。然而，學生對這門課程學習的積極性普遍不高，學生認為“難學”，教師覺得“難教”。究其原因，可能有以下幾點：① 課程知識點涉及面廣、多而繁雜、概念抽象[2]。該課程既不像離散數學課程邏輯性強，也不像數據結構有算法理論，更不像高級語言可編程實現。②現在的就業崗位，絕大多數崗位要求的都是軟件編程類。各高校的研究生招生的方向也是軟件方向居多，硬件方向偏少，長期以來就在學生中形成了“愛軟怕硬”的現象。③課程內容主要是以講授功能部件的工作原理為主，軟硬件脫節，難以建立計算機系統的層次感，難以深入理解計算機系統的工作過程。④沒有以處理器的設計為主線來講授，所以難以建立計算機系統的整機概念。

近年來，在全國計算機教學指導委員會的指導和推動下，各高校都在進行計算機系統能力培養的教學改革。國內有多所985高校在10年前就已經開始了系統能力培養試點工作，現在他們的成功經驗開始在其他高校示范推廣。到2017年3月，已有58所高校入選教指委系統能力培養試點高校。

目前，國內主要有4種系統能力培養模式[3]：①以Randal E.Bryant教授等編寫的《深入理解計算機系統》教材為代表，從程序員的角度來講述應用程序員如何能夠利用系統知識寫出更高效的程序。②以Yale N. Patt教授等編寫的《計算系統概論》教材為代表，目的是讓學生在掌握計算機底層工作的原理機制之后，能更加從容地解決以后可能面臨的新問題，包括高級編程語言方面的問題。③以袁春風教授編寫的《計算機系統基礎》教材為代表，使學生能夠很好地將高級語言程序、匯編語言、編譯和鏈接、組成原理、操作系統等相關的基礎內容有機貫穿起來，以建立完整的計算機系統概念，從而能深刻理解計算機系統的工作原理。④以“一個CPU、一個OS、一個編譯器”為目標，在統一硬件實驗平臺上以MIPS或者ARM指令集為基礎，逐步建立深化系統觀念。

這些都是國內頂尖“985”高校探索出來的行之有效的培養模式，但對學生能力、教師水平、實驗設備等方面都有很高的要求，地方高校很難一步到位、全面推廣，必須因校制宜、量體裁衣。

2 教學系統設計

2.1 構建教學內容

近年來，國內一些高水平的高校大多選用國外的一些經典教材，如David Patterson教授和Hennessy教授編著的Computer Organization and Design: the ardware/Software Interface，Bryant 教授等編著的Computer Systems: A Programmer’s Perspective等。這些教材雖然有中譯本，但篇幅太大、內容太多，給學生的學習帶來較大困難。一般地方高校將其作為參考書，并結合國內的優秀教材，構建教學內容。教學內容構建的原則如下：①把硬件和軟件結合起來講授，“軟硬兼施”，使學生熟悉軟件和數據在計算機中的表示、存儲、類型轉換、局部性原理、編譯優化、執行過程等，內容具體而不抽象，使學生能夠正確分析和解決軟件運行中出現的各種問題，幫助學生編寫高效率的程序代碼；②以MIPS指令集處理器的設計為主線，使學生熟悉數據通路和控制器的設計思想，清晰、具體地建立整機的概念。這樣組織教學，內容線索清楚、多而不亂。

具體內容安排如下：①計算機概論部分，減少對計算機的基本介紹部分內容，增加計算機系統的層次結構內容、計算機開發與執行過程和性能評價部分的內容。②運算方法和運算器部分，增加的內容有結合C語言來講解數據在底層的表示、存儲、類型轉換、運算、大端小端等知識點，可以激發學生的學習興趣。特別是一個運算同時有無符號數和有符號數參加、不同類型數據在位擴展和截斷運算時都會出現意想不到的結果，學生會特別好奇，有學習的動力。把C語言中的運算與MIPS指令中的運算對照講解，使學生能夠從高級進入到底層，有知其然而知其所以然的感覺。在基本運算部件中，強調帶標志位的加法器，與后續的CPU設計內容相呼應。③指令系統部分增加的內容有MIPS指令系統和MIPS指令匯編語言，各種程序結構和過程用調用的機器代碼表示。給學生講解匯編和反匯編的過程，學生會感興趣，覺得有收獲。④中央處理器部分，該部分內容與原來只講授CPU的基本工作原理完全不同，是具體以一定數量的MIPS指令集為例，詳細分析每條指令的格式和實現過程，構建數據通路，設計組合邏輯控制器和微程序控制器，對于流水線部分，主要講清楚其工作原理和存在的問題及解決辦法。⑤多層次的存儲器體系結構部分，該部分的內容與之前沒有明顯的增減，但在程序訪問的局部性和Cache命中率等知識點的講授時應結合C語言程序，可以加深學生對計算機工作原理的認識和理解。⑥總線及輸入輸出系統部分內容沒有明顯的增減。

總之，把軟硬件結合起來講授，可以吸引學生的興趣，調動學習的積極性；以MIPS指令集為基礎→功能部件→單周期CPU→多周期CPU→流水線CPU為主線，能夠使學生建立整機的系統概念和設計能力。

2.2 規劃實驗教學

1）原來的實驗教學設計。

舉例來說，湖北工業大學原有的實驗項目是運算器實驗、存儲器及數據通路實驗和微程序控制器實驗等3個實驗項目，平臺使用的是基于FPGA的試驗箱、QuatrusⅡ軟件平臺和VHDL語言。該實驗方式帶有綜合性和設計性，但受硬件條件限制，主要是利用實驗系統提供的功能部件來完成簡單的設計實驗，很大程度上是偏向于驗證性，微程序控制器實驗也主要是在系統提供的微程序中進行微指令修改。這對加深理解計算機工作原理有幫助，但對構建整機概念和設計CPU支持不足。此外，還有如下缺點：①實驗過程繁瑣，實驗過程中，需要學生先選擇電路模式、芯片參數設置、引腳鎖定、USB-Blaster連接、配置文件下載等一系列過程，這些過程既繁瑣又容易出錯，最主要的是與實驗的主要任務不是密切相關，浪費學生很多時間，影響實驗效果； ②實驗靈活性不夠，由于試驗箱的數量有限，學生只能在實驗室完成實驗，限制了學生實驗的時間，對學生來說，沒有時間選擇上的靈活性；③試驗箱容易損壞，隨著時間的推移，試驗箱逐步損壞嚴重，又不能及時補充，嚴重影響學生的實驗效果。

2）實驗平臺選擇。

實踐教學采用真實的硬件設計方式固然很好，但一般地方高校的硬件設備可能支持不足，還要求學生在短時間內熟練掌握硬件描述語言以及軟硬件開發環境，實屬不易。此外，學生畏難情緒嚴重，對師資要求也高，抽象的硬件描述語言使學生很難建立設計與電路的對應關系[4]。所以，如果一味強調硬件上的實現，可能還難以達到設計CPU的初衷。通過學習其他高校的先進經驗，湖北工業大學實驗平臺現在采用logisim仿真軟件。logisim是一款基于Java的應用程序，可運行在任何支持Java環境的平臺，由于是免費軟件，不存在商業軟件授權和費用問題，對辦學經費緊張的地方高校非常適合。Logisim中的設計是圖行化界面，學習快捷、易于上手，電路的設計和仿真都很方便，可以完全脫離硬件仿真運行[5]。學生可以方便地在自己電腦上使用，增強了實驗的靈活性，也方便了教師對實驗結果的檢查和驗收。

3）實驗項目設置。

實驗項目有ALU設計實驗、寄存器堆設計實驗和MIPS單周期（多周期）CPU設計實驗3個項目，由于學時原因，學生在實驗課內無法完成實驗任務，需要學生在課外花費大量的時間。

第1個ALU設計實驗，主要讓學生完成1個32位的加法器，1個能夠產生加減控制、溢出判斷、符號控制、結果選擇控制等信號的局部控制器，1個能夠產生加減運算輸出、邏輯或運算輸出、比較結果輸出及各種運算標志位的運算器。

第2個寄存器堆設計實驗，主要是讓學生構建1個MIPS寄存器組，內部包含32個32位寄存器，具有1個寫入端口和2個讀出端口。

第3個MIPS單周期（多周期）CPU設計實驗，讓學生完成10條以上MIPS指令的單周期或多周期的CPU設計并通過測試程序的測試。第3個實驗在前2個實驗的基礎上，要添加指令譯碼器、主控制器、地址產生和轉移邏輯、位擴展等部件。控制器主要采用組合邏輯控制器。單周期和多周期CPU設計實例如圖1和圖2所示。

圖1 單周期CPU設計實驗圖

在軟件仿真平臺上完成實驗，優點是同樣能夠培養學生處理器的設計能力，加深對計算機的理解，建立整機系統的概念，方便靈活，減少了學生的設計和實現難度，實驗成功率會提高。不足之處是難以提高學生的硬件系統設計和調試能力。對于部分感興趣的同學，可以通過短學期選修課程設計來提高硬件設計和調試能力。

圖2 多周期CPU設計實驗圖

4）過程管理加強。

上述3個實驗項目，學生在課內安排的實驗時間內是難以完成的，需要在課外安排時間，因此，應該加強監督管理和課外輔導。實驗采用小班上課，任課教師現場講解和指導，課外通過線上和線下進行輔導答疑。雖然沒有嚴格的考勤，但設置幾個模塊的完成時間和檢查點，并對落后進度的學生給予幫助。對每位同學的實驗要驗收實驗結果和提問答辯，而不僅僅是批閱實驗報告。

5）課程設計增設。

利用暑期短學期實踐時間，讓部分有興趣的同學可以繼續選修這門課程的課程設計，在logisim仿真平臺上完成理想流水線→轉發流水線→氣泡流水線→分支流水線CPU的設計。愿意再繼續深入學習的同學，可以基于Verilog HDL設計并下載到FPGA實驗板上。

2.3 設計教學方法

除了采用通用的教學方法外，結合計算機組成原理這門課程和學生的學習狀態，主要可以采用以下一些有針對性的教學方法。1）激發學習熱情。目前，學生對計算機組成原理課程的學習積極性普遍都不高，但對高級語言課程學習很感興趣，如講解C語言程序在計算機中執行的過程和可能出現的問題。同一功能的不同程序為何效率有很大差別等問題，激發了學生的學習積極性。

把硬件和軟件結合起來講，使學生能夠深入理解計算機的工作原理和工作過程，可以提高學生分析問題和解決問題的能力。例如：通過分析不同程序運行中的Cache命中率，讓學生懂得只有深入理解計算機底層的工作原理，才能編制出高效的程序。再例如讓學生思考，在浮點加法運算中，

(X+Y)+Z=X+(Y+Z)是否一定成立？引起學生興趣。2）消除畏懼心理。

學生對硬件電路設計有畏懼心理，在計算機組成原理課程的教學中，要淡化元器件的設計細節，強調以功能模塊設計為先導。采用課堂現場在logisim仿真軟件上演示一些功能部件設計過程，如同玩游戲、搭積木，消除學生畏懼心理。

3）目標驅動教學法。

以建立整機系統概念、深入理解計算機系統工作原理為目標，以MIPS指令集為基礎設計CPU作為主線組織課程的教學內容，線索清晰、多而不亂；采用與C語言程序相結合的方法來講解計算機的工作原理，激發學生的學習興趣，具體而不抽象。

4）采用多種方式講解知識點。

采用前后內容關聯講解和多用匯編講高級語言程序，多用圖解釋概念，使學生容易接受和理解一些比較枯燥和抽象的知識點。

5）探索本科生導師機制。

導師為學生設置問題，讓學生課外查閱資料，組織課外小組討論，開展課外CPU設計競賽等活動，鼓勵學生參加大學生電子競賽、物聯網大賽等科技競賽活動。

3 結 語

作為地方高校，基于計算機系統能力的培養，在計算機組成原理課程的教學改革方面，筆者從教學內容的組織、實驗平臺的選擇、實驗項目的規劃、教學方法的設計等方面進行了一些探索。教改永遠在路上，如教學內容還需要深化、實驗規模還需要擴大，在課程體系上還需要與操作系統、編譯原理等核心課程有機結合，只有這樣才能真正達到計算機系統能力培養的要求。