基于EDA的計算機組成與結構實踐教學模式探索

劉桃麗，張 健

(廣東海洋大學信息學院，廣東湛江 524088)

基于EDA的計算機組成與結構實踐教學模式探索

劉桃麗，張 健

(廣東海洋大學信息學院，廣東湛江 524088)

針對當前計算機組成原理與結構實驗課程中普遍存在的實驗設備陳舊、實驗模式單一、學生學習積極性低、畏難情緒普遍而無法達到課程和人才培養(yǎng)目標等問題，提出了基于EDA技術的實驗課程新模式。首先變革實驗目標，從傳統(tǒng)的驗證已有組件的功能轉(zhuǎn)為創(chuàng)造自己的組件，學生由被動的接線轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥脑O計;其次，改革實驗內(nèi)容，新實驗不局限于實驗所給定的具體要求，也不受實驗器材和實驗時間的約束，實現(xiàn)了實驗內(nèi)容從固定到彈性的轉(zhuǎn)變，從課內(nèi)到課外的延伸;再者，改變實驗方法和過程;最后，采用新的考核方式，整個課程的考核提高實驗部分的成績比例。通過該模式，有效地解決了實驗設備陳舊、內(nèi)容僵化、學生學習熱情低下等問題。在大部分高校現(xiàn)有的實驗條件下，此方法可操作性強，易于實現(xiàn)。

EDA技術;計算機組成與結構;實驗教學;變革

0 引言

計算機組成與結構是計算機類相關專業(yè)本科生的必修課程，也是該專業(yè)的核心課程之一［1］。課程的主要目標是讓學生從底層深入剖析數(shù)字電子計算機的基本結構和工作原理，掌握數(shù)字電子計算機的基本設計理論，培養(yǎng)學生分析和解決數(shù)字系統(tǒng)的實踐能力。隨著電子技術的發(fā)展，計算機內(nèi)部結構日趨復雜，使得該課程存在難學、難懂、概念抽象、感性認識較差等問題，需要實驗來對其進行彌補。好的實驗課程可以將抽象的概念具體化，增加感性認識，靈活運用所學的知識，增強對整個系統(tǒng)的理解［2］。如何更好地設計其實驗課程，是一個非常重要的問題，但是目前計算機組成與結構傳統(tǒng)的實驗課設置與安排卻無法達到這個目的。

為了解決此問題，結合當前課程實驗的現(xiàn)狀，文中提出結合EDA技術來開展實驗課程，分析其可行性與必要性，重新制定實驗目標，設計新的實驗內(nèi)容，使用新的實驗方式，采用新的考核方式，使學生在實驗中不斷提升創(chuàng)新和實踐能力，改善教學效果，提升教學效率，達到課程培養(yǎng)目標。

1 實驗課程的現(xiàn)狀

計算機組成與結構實驗課程是依附于其理論課程而開設的一門獨立的實驗課程，主要目的是通過實驗加強對理論的理解，并在實驗中提高學生的硬件設計以及軟硬結合的綜合實踐能力［3］。目前，大部分高校都是按照傳統(tǒng)的實驗方法來開設此課程的實驗課，即在現(xiàn)有的實驗設備基礎上，根據(jù)電路圖來手動將電路進行連接，檢查無誤后，再查看實驗結果，結果正確則實驗結束，結果有誤，排除設備本身的問題，即可確定是接線錯誤，重新檢查接線。這種方法存在以下幾個弊端:

(1)實驗設備更新無法跟上器件的發(fā)展水平。目前計算機硬件技術的高速發(fā)展，處理器、存儲器等技術每天都有新的進展和變化，如果本門實驗課想要與時俱進，必定要求實驗室要經(jīng)常性地更換設備，這對于大部分高校來說是無法做到的。

(2)實驗模式單一，不具備培養(yǎng)創(chuàng)新人才的條件。學生的設計都局限于實驗室的現(xiàn)有設備，所有的實驗內(nèi)容只能在現(xiàn)有設備的基礎上展開，綜合性、設計性的實驗難以開展，極大限制了學生的創(chuàng)新能力，在實驗中大部分精力花在如何正確接線，實驗結果是否正確上，而不是多想多問為什么。

(3)學生學習積極性低，畏難情緒普遍，無法達到課程和人才培養(yǎng)目標。對于計算機類的學生，“欺軟怕硬”、“重軟輕硬”的現(xiàn)象非常嚴重，因為軟件教學的實施相對容易，實時性強，可以做到急用現(xiàn)學、立竿見影的效果，而硬件知識從客觀上來說存在不直觀、講述起來抽象、枯燥等問題，學生學起來也比較困難。此外大部分學生對于軟件和硬件之間的聯(lián)系認識存在一定誤區(qū)，認為學習軟件就是寫代碼，硬件就是底層的電路連接，從實驗中無法找出它們之間的聯(lián)系，從而造成軟硬件學習之間的脫節(jié)，嚴重降低了學生的學習熱情，打擊學生學習的積極性。

綜上所述，傳統(tǒng)的實驗方法已經(jīng)無法達到計算機組成與結構實驗課程的教學目的，對本門實驗課程進行改革，改變現(xiàn)行的狀況，已經(jīng)迫在眉睫。

2 可行性與必要性

EDA是電子設計自動化(Electronic Design Automation)的縮寫，是二十世紀九十年代初發(fā)展起來的一種電子電路設計方法。它以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果，進行電子產(chǎn)品的自動設計［2］。EDA技術利用可編程邏輯器件，如CPLD、FPGA等，結合軟件編程的方法，對其硬件結構和工作方式進行重構，從而使得硬件設計與軟件設計一樣方便和快捷。正是由于這種軟硬結合的設計方法，EDA技術在電子設計領域得到了廣泛應用。將EDA技術引入計算機組成與結構的實驗課中，可以對實驗中涉及到的硬件和軟件進行協(xié)同設計，是一種先進、可行的實驗方法，也是近年來計算機組成與結構實驗課程發(fā)展的一個趨勢［4］。

在大部分高校的實驗室設置中，EDA實驗室已經(jīng)成為一個必建的實驗室，計算機組成與結構的實驗課程即可使用EDA實驗室進行。實驗使用FPGA等芯片作為硬件支撐［5］，在開發(fā)平臺如QuartusII上進行硬件設計，亦可根據(jù)需要進行相關的軟件開發(fā)，調(diào)試仿真無誤后再將設計好的軟硬件系統(tǒng)下載至芯片中運行調(diào)試，即可完成整個系統(tǒng)的設計。采用這種設計方法，可以擺脫硬件對于設計的束縛，完全按照設計者的需要設計硬件。同時EDA的編程軟件，設計方法簡單，語言易掌握，難度較低，設計方式多樣化，有助于學生更好地理解計算機的構造原理，降低硬件實驗難度，將硬件設計與軟件設計形式完美地結合在一起，極大激發(fā)學生的興趣。

3 實驗課程的變革與創(chuàng)新

基于EDA技術的計算機組成與結構課程實驗，從根本上是應用先進的實驗方法和手段對傳統(tǒng)實驗教學理念的變革，主要表現(xiàn)在以下4個方面:

1)實驗目標的變革。

實驗目標應從傳統(tǒng)的驗證已有組件的功能轉(zhuǎn)為創(chuàng)造自己的組件，學生由被動的接線轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥脑O計。傳統(tǒng)實驗主要目的在于驗證計算機各個組成部分的功能，學生按照教師提供的電路圖接好電路后，觀察實驗結果，就算完成實驗，對于設計以及原理的掌握部分要求不多。采用EDA的實驗方法則是以設計計算機的組成部件為目的，學生必須對各個組成部件的原理和結構有深入的理解，才能順利完成整個設計。

2)實驗內(nèi)容的變革。

與傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容相比，新實驗不再局限于實驗所給定的具體要求，也不再受實驗器材和實驗時間的約束，實現(xiàn)了實驗內(nèi)容從固定到彈性的轉(zhuǎn)變，從課內(nèi)到課外的延伸，是時間、空間、思想上的一次解放。

整個實驗課程可分為兩大部分，課程實驗(約12課時)和課程設計(約20課時)［6］。根據(jù)EDA技術的設計思想，采用自頂向下的方法進行系統(tǒng)設計，劃分主要功能模塊，再對各功能模塊進行分層次多模塊細化。系統(tǒng)實現(xiàn)采用自底向上的實現(xiàn)方法，從最底層設計開始，逐層向上，最終整合成一個完整的系統(tǒng)［5］。根據(jù)此方法，將實驗的最終目標定位為設計一個8位字長的模型計算機，該模型機最少可以分為八個模塊［1］:

(1)時序發(fā)生器;

(2)算術運算邏輯單元(ALU);

(3)寄存器組R0-R4;

(4)指令寄存器(IR);

(5)程序計數(shù)器(PC);

(6)微程序控制器;

(7)地址寄存器(AR);

(8)標志寄存器(PSW)。

模塊結構圖如圖1所示。

圖1中每一個模塊都對應于微機中的一個功能組件，皆可以當成一個獨立、完整的實驗單元來作為課程實驗的主要內(nèi)容。在課程實驗階段，主要是根據(jù)計算機的各個模塊的功能來對其進行重新設計。此階段要求學生在進行實驗之前，必須充分理解和掌握組件的功能，根據(jù)功能細劃整個組件的功能模塊結構圖，即采用自頂向下的設計方法進行組件的頂層設計，再根據(jù)頂層設計模塊圖，采用自底向上實現(xiàn)的方法，讓學生嘗試從最底層開始設計各個功能模塊，最后將各模塊組合在一起，即成為一個完整的組件。采用此設計方法，其設計的結果與學生個人的水平息息相關，因此在這一階段，教師可以根據(jù)學生的整體提出基本的要求，學生在完成基本要求的基礎上，根據(jù)個人的理解，逐步完善其功能。

目前，大部分計算機組成與結構課程對于模型機的理論教學安排，大致分為三部分:第一部分是介紹運算器，包括算術運算邏輯單元(ALU)，工作寄存器組(R)和標志寄存器(PSW)等相關組件;第二部分介紹存儲器的存儲原理和使用方法，包括與其相關的地址寄存器(AR)和程序計數(shù)器(PC);第三部分介紹控制器，包括指令寄存器(IR)、時序發(fā)生器和微控制器。與此相對應的實踐課程同樣分為三個階段來進行。

第一階段的實驗可安排為簡易運算器的設計與實現(xiàn)［7］。此階段的實驗目的是讓學生掌握運算器的組成以及各種運算方法。運算器是模型機的核心運算部件，其主要功能是對數(shù)據(jù)進行加工和處理，其運算功能強大，控制邏輯復雜，主要由算術邏輯元(ALU)、工作寄存器組(R)和標志寄存器(PSW)構成。作為第一階段入門實驗，如果想實現(xiàn)其全部功能，一方面是工作量太大，另一方面，學生的設計和對系統(tǒng)的理解能力尚有所欠缺。因此，教師應該給出最基本的簡化模型，即對其運算功能和相關組件進行簡化，帶領學生熟悉開發(fā)流程，掌握設計方法，增強對系統(tǒng)的理解，讓學生更快地進入到設計狀態(tài)。學生根據(jù)自身的水平，在最簡模型的基礎上，各自完善其相關功能。

第二階段的實驗以存儲器為主。存儲器是整個模型機的存儲器件，分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。此階段的設計目的是讓學生掌握存儲器的組成及其讀寫的控制方法。實驗中可以選擇程序存儲器作為基本模型，并為其添加地址寄存器，組成一個完整的程序寄存器控制系統(tǒng)。同時，在計算機中，系統(tǒng)通過程序計數(shù)器(PC)來提供程序存儲器的地址，根據(jù)PC的功能對PC進行設計就顯得尤為重要［8］。

第三階段的實驗以控制器為主，控制器為整個系統(tǒng)提供控制和時序信號，使整個系統(tǒng)的工作有條不紊。此階段的實驗目的是使學生掌握時序發(fā)生器的工作原理、微程序控制的概念和使用方法以及微指令、微程序的輸入方法，因此微控制器的設計與實現(xiàn)是這一階段的重要內(nèi)容。

在各階段的課程實驗中，教師可選取部分或者全部的相關功能模塊作為實驗內(nèi)容，由學生自主開發(fā)設計。通過這三個階段的基礎實驗，可以使學生的基礎知識得到進一步加強，在實驗中逐步建立起整體、系統(tǒng)工作的概念，為下一階段的課程設計打下扎實的基礎。

在課程設計階段，主要是以提高學生的綜合設計和應用能力為主。此階段時長為一周左右，約20課時［9］。流程大致如下:首先教師提出整個設計基本任務和目標，然后學生自行分組，每組人數(shù)控制在3～4人，最后由組員自行分工合作直至完成最后的設計。其過程大致分為三步:第一步，組內(nèi)共同討論系統(tǒng)架構，劃分功能模塊，確定各模塊之間具體協(xié)同工作方式，撰寫前期報告;第二步，組員分工，完成各自所負責的模塊;第三步，共同完成系統(tǒng)的整合、調(diào)試，撰寫最后的設計報告。

在此設計階段，學生無需從頭開始實驗，可以利用已有的課程實驗階段的設計成果，將各個功能模塊進行完善后再整合、調(diào)試、驗證，即成一個完整的系統(tǒng)。設計的難點在于系統(tǒng)的整合與調(diào)試，整個過程有助于學生建立起完整的系統(tǒng)觀念，較高的工程實踐開發(fā)能力和正確的團體合作觀念。

通過這種實驗內(nèi)容的安排，可以極大激發(fā)學生的學習熱情，增強學生綜合應用知識的能力，提高工程實踐能力，在實驗中不斷加深對理論知識的理解。

3)實驗方法和過程的變革。

傳統(tǒng)的實驗方式要求學生按照教師提供的電路圖連接好電路，然后查看實驗結果［10］。這種方法基本是在實驗室完成，一旦離開實驗室，學生無法繼續(xù)實驗。使用EDA技術進行實驗，學生根據(jù)教師的要求自主在計算機開發(fā)平臺上設計硬件電路，根據(jù)需要還可以配以適當?shù)能浖?，調(diào)試、仿真和測試，確定功能無誤后，下載到相應的實驗系統(tǒng)比如FPGA的開發(fā)板中，進行板級的調(diào)試，驗證設計結果。采用方式，只有在板級驗證這最后一步需要在實驗室完成，其他全部可以在計算機上自行進行開發(fā)。根據(jù)實驗內(nèi)容的安排，學生如果無法在實驗課上完成實驗，可以在課外繼續(xù)進行，不受實驗地點和實驗時間的限制，也不局限于教師布置的設計任務，可以根據(jù)自己的想法和興趣進行更多的實驗，方便學生更深入更靈活地進行設計開發(fā)。

4)考核方式的變革。

本門課程傳統(tǒng)的考核以理論考試為主［11］，在最后的總成績當中基本占到70%以上［12］，實驗部分只是作為一個平時成績的參考，導致學生只是將實驗當成一個可有可無的過程，成了走過場的形式主義。為了適應創(chuàng)新性、應用型人才培養(yǎng)的要求，該教學模式采用新的考核方式。根據(jù)本課程理論和實踐聯(lián)系緊密的特點，整個課程的考核大大提高實驗部分的成績比例，實驗成績在最后的總成績當中應該占到總分的50%以上。具體方法為在最后的課程設計結束后，設計者進行系統(tǒng)現(xiàn)場演示、答辯，由教師和同學共同提問［13-14］。根據(jù)系統(tǒng)演示的結果，現(xiàn)場答辯的表現(xiàn)，再綜合平時課程實驗的設計，具體給出每個學生的成績。學生只有做到融會貫通，活學活用，將理論與實踐完美結合起來，才能在考試中過關。該方式使學生從死記硬背的應考式學習模式中解放出來，轉(zhuǎn)而更加注重理論與實踐的聯(lián)系，大大提高了學生的學習積極性。

文中提出的基于EDA技術的計算機組成與結構課程實驗教學新模式已經(jīng)在該校軟件工程專業(yè)進行了3個教學輪次的教學實踐，結果表明，該實驗教學模式極大地提高了學生的學習熱情，從被動接受到主動思考，學生的創(chuàng)造性得到充分發(fā)揮，教學效果明顯改善。

4 結束語

計算機組成與結構這門課程的特點是其理論與實踐密不可分［12］，實驗課程是不可或缺的重要組成部分，實驗課程的設置對于本門課程的學習有著非比尋常的意義。采用EDA技術的設計、實驗方法是該課程發(fā)展的必然選擇。文中所采用實驗方法是對傳統(tǒng)實驗教學理念的一次徹底變革，EDA技術在實驗中所展現(xiàn)的靈活性、直觀性和趣味性，可以極大地激發(fā)學生的學習熱情，從根本上培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力。新的教學評價方式讓學生從應付考試的思想誤區(qū)中解放出來，全身心投入到開發(fā)設計當中，將課本上的知識最大限度地與實踐相結合，達到應用性、創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的目的。

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Study on Experimental Teaching Model of Computer Organization and Structure Based on EDA Technique

LIU Tao-li，ZHANG Jian
(College of Information，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China)

Aiming at the drawbacks in the experiment course of computer composition and structure，including old experiment device，homogeneous experimental model，low students’learning enthusiasm and fear of difficulty generally and unable to achieve curriculum and talent training goal，a new mode of experimental courses based on EDA technique is put forward.Firstly，changing experimental objectives from the traditional verification of the existing components of the function to create their own components，so students will change from passive to active design.Secondly，reforming the experiment content，the new experiments are not limited to the specific requirements of the experiments given and not affected by the experimental apparatus and time constraints，achieving experiment content from fixed to the elastic transformation，from the class to the extracurricular extension.Thirdly，changes the method and process of experiment.Finally，using new assessment methods，improves the experimental part of the results in the whole course assessment to do the proportion.By this model，it effectively solves the problems of obsolete equipment，rigid，low learning enthusiasm of the students.In most of the existing experimental conditions，this method is easy to implement.

EDA technology;computer organization and structure;experimental teaching;transformation

TP391.3

A

1673-629X(2016)09-0091-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.09.021

2015-08-06

2015-12-17< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間:

時間:2016-08-23

廣東省教育創(chuàng)新強校工程(2014KTSCX072);廣東海洋大學教育教學改革(XJG201349)

劉桃麗(1981-)，女，碩士研究生，從事嵌入式方向教學與研究;張 健，教授，從事嵌入式方向的教學與研究。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160823.1343.022.html