基于OpenRISC的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力綜合實(shí)驗(yàn)平臺

王換招，張克旺

（西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引 言

計(jì)算機(jī)課程體系中設(shè)置了大量的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程，如數(shù)字邏輯電路、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯原理、操作系統(tǒng)、微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、匯編語言程序設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)等。這些課程覆蓋計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的絕大部分知識，是計(jì)算機(jī)專業(yè)的主干課程，但學(xué)生在完成這些課程后，往往很難將知識有機(jī)組織在一起，形成對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整認(rèn)知，具備相應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證能力。

目前，計(jì)算機(jī)教學(xué)體系以知識傳授為主，忽略學(xué)生分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)；各門課程講授內(nèi)容陳舊，無法滿足計(jì)算機(jī)發(fā)展需求；各門課程教學(xué)內(nèi)容缺乏統(tǒng)一目標(biāo)，沒有完善的內(nèi)容過渡與銜接，導(dǎo)致學(xué)生所掌握的僅僅是一些分散的知識點(diǎn)，無法對計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行整體的理解，難以滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求。

基于OpenRISC開源處理器的系統(tǒng)能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)平臺，不僅能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的課程提供貫通式的實(shí)驗(yàn)平臺，而且能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程內(nèi)容的改革提供“自上而下”的參考。由于OpenRISC平臺采用業(yè)界廣泛使用的流水RISC架構(gòu)處理器、gcc編譯器以及Linux操作系統(tǒng)，因此相關(guān)課程以此平臺為參考改革相關(guān)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)課程間教學(xué)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的緊密連接和過渡，使各門課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)組織在一起，為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的分析、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證等系統(tǒng)能力奠定基礎(chǔ)；同時(shí)，相關(guān)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容同業(yè)界發(fā)展保持一致，可以有效滿足社會對計(jì)算機(jī)專業(yè)的需求。

1 計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)普遍存在的問題

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是指能自覺運(yùn)用系統(tǒng)觀，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性、動態(tài)性和開放性，并用系統(tǒng)化方法，掌握計(jì)算機(jī)硬軟件協(xié)同工作及相互作用機(jī)制的能力，包括系統(tǒng)分析能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和系統(tǒng)驗(yàn)證能力3個方面[1]。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)以知識傳授為主，對能力的培養(yǎng)沒有足夠的重視，最終導(dǎo)致學(xué)生能力普遍不強(qiáng)，難以滿足社會需求。結(jié)合實(shí)際教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程，我們認(rèn)為目前計(jì)算機(jī)各門課程以及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)存在以下問題。

首先，在課程內(nèi)容方面，存在教學(xué)內(nèi)容陳舊，無法滿足社會應(yīng)用需求的問題[2]。例如，目前國內(nèi)絕大多數(shù)學(xué)校的匯編語言課程仍然以8086為目標(biāo)機(jī)器，但隨著桌面應(yīng)用的成熟，對桌面應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化從而使用匯編的需求不多，真正需要進(jìn)行匯編級別優(yōu)化的往往是基于ARM、MIPS等RISC處理器的嵌入式應(yīng)用；同樣，計(jì)算機(jī)接口技術(shù)絕大多數(shù)以8086接口擴(kuò)展為主，但目前發(fā)展迅速的嵌入式系統(tǒng)中極少采用Intel架構(gòu)處理器。

其次，在教學(xué)內(nèi)容銜接上，各門課程獨(dú)立規(guī)劃，造成知識點(diǎn)冗余或者銜接關(guān)系脫節(jié)[3]。例如，中斷技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理、匯編語言程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)中都會講解，但由于各門課程在內(nèi)容上缺乏良好的銜接，學(xué)生在學(xué)習(xí)中斷技術(shù)過程時(shí)，無法區(qū)分計(jì)算機(jī)組成原理中講解的通用中斷原理與匯編語言程序設(shè)計(jì)中8086中斷系統(tǒng)這一特例，往往會在理解上有困難。

第三，在教學(xué)方法上，各課程采取分析式方法的較多，突出系統(tǒng)原理的講解，而限于條件的限制，缺乏實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)合，造成學(xué)生雖然掌握基本概念，但是難以轉(zhuǎn)化對現(xiàn)有系統(tǒng)的認(rèn)識。例如，在介紹系統(tǒng)總線過程中，一般會講解ISA等簡單總線的通信過程，但I(xiàn)SA總線在當(dāng)前計(jì)算機(jī)中極為罕見。

最后，在實(shí)驗(yàn)手段上，基本側(cè)重于孤立的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，而缺乏對復(fù)雜系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐。雖然小規(guī)模實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到讓學(xué)生基本理解掌握系統(tǒng)運(yùn)行原理和初步具備系統(tǒng)開發(fā)能力的目的，但是由于缺乏貫穿絕大多數(shù)課程內(nèi)容的綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生仍然不能貫通整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的課程內(nèi)容，掌握的僅僅是一些知識點(diǎn)[4]。

2 基于OpenRISIC的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)改革

開展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)工作，首先需要在課程體系、課程內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面進(jìn)行全面改革，結(jié)合計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢，貫通各門課程教學(xué)內(nèi)容，增加課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，逐步提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。

在課程體系方面，需要對教學(xué)大綱中與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力相關(guān)的課程進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的思路一般為“壓縮授課學(xué)時(shí)、提高實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)”。例如，對數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理、編譯原理、操作系統(tǒng)原理、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)課程學(xué)時(shí)進(jìn)行壓縮，為其中的數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理、編譯原理、操作系統(tǒng)原理設(shè)置專題實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生有較充分的時(shí)間動手實(shí)踐。部分學(xué)校專門設(shè)置獨(dú)立的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合”等專題實(shí)驗(yàn)，在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行有方向性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。

在課程內(nèi)容方面，需要對各門課程中的重復(fù)內(nèi)容進(jìn)行壓縮與合并，對一些比較陳舊的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新。

在課程體系改革過程中，相關(guān)課程教師承擔(dān)教材編寫、課件制作以及課程實(shí)驗(yàn)重新調(diào)整等眾多任務(wù)，工作量大，此外，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，教師需要深入了解一些新的技術(shù)或者方法相關(guān)細(xì)節(jié)，同樣需要大量時(shí)間和精力的投入，因而各門課程教師對計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)具體實(shí)現(xiàn)的方式存在差異，如何協(xié)調(diào)各門課程教師建立統(tǒng)一的課程改革目標(biāo)具有較大的難度。

如果采用“先制訂目標(biāo)、各門課程分別實(shí)現(xiàn)”這種“自下而上”的教學(xué)內(nèi)容改革方法，在實(shí)踐過程中存在較大的難度。為此，我們基于OpenRISC平臺進(jìn)行“自上而下”的教學(xué)內(nèi)容改革，即相關(guān)課程以業(yè)界廣泛使用的OpenRISC平臺（流水RISC處理器、gcc編譯器、Linux操作系統(tǒng)）為基礎(chǔ)。

3 OpenRISC綜合實(shí)驗(yàn)平臺

國家計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)工作小組提出的“一個CPU、一個編譯器、一個操作系統(tǒng)”方案能夠很好地體現(xiàn)計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)的具體方法。設(shè)計(jì)一個什么樣的CPU，編寫一個什么樣的編譯器，實(shí)現(xiàn)一個什么樣的操作系統(tǒng)是很重要的問題。選擇CPU、編譯器、操作系統(tǒng)的一個重要因素就是社會需求因素，也就是設(shè)計(jì)的CPU、編譯器和操作系統(tǒng)本身或者設(shè)計(jì)方法能夠在學(xué)生后續(xù)的就業(yè)中得到應(yīng)用。

目前，CPU設(shè)計(jì)的主流是RISC處理器，使用最廣泛的編譯器是gcc，普及率最高的操作系統(tǒng)是Linux操作系統(tǒng)。如果學(xué)生在相關(guān)基本知識的基礎(chǔ)上，已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)簡單的RISC處理器，掌握gcc編譯器的核心機(jī)制以及移植方法，比較熟悉Linux操作系統(tǒng)的管理機(jī)制和驅(qū)動，就不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，而且可以為學(xué)生將來所從事的專業(yè)奠定良好的基礎(chǔ)。

建議選擇Open Source的RISC處理器OpenRISC作為課程體系改革的目標(biāo)。OpenRISC處理器在GPL協(xié)議下開放源代碼，具有完全的開源工具鏈，其中包含gcc編譯器；Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)在該處理器上完成移植，并且開放源代碼。

3.1 OpenRisc的主要特點(diǎn)

采用免費(fèi)開放的32/64bit RISC架構(gòu)。用Verilog HDL（硬件描述語言）實(shí)現(xiàn)基于該RISC架構(gòu)的RTL（寄存器傳輸級）描述。

具有完整的工具鏈，包括開源的軟件開發(fā)工具、C語言實(shí)現(xiàn)的CPU仿真模型、操作系統(tǒng)以及軟件應(yīng)用所需的函數(shù)庫。

為配合基于OpenRISC處理器的實(shí)驗(yàn)，我們設(shè)計(jì)了基于Zynq ZC7020的實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺以Xilinx ZC7020處理器為核心，片上資源包括85K邏輯單元/53.2K查找表和3.8M片內(nèi)RAM。板上存儲資源包含32MByte 32位寬SRAM、64MByte 32位寬SDRAM和16MByte NorFlash。板上IO資源包括1個UART收發(fā)器、1個10M/100M以太網(wǎng)物理層、1個TFT LCD、若干組LED和撥碼開關(guān)等。

該實(shí)驗(yàn)平臺包含的豐富資源可以滿足數(shù)字邏輯課程、計(jì)算機(jī)組成

原理課程、操作系統(tǒng)課程、編譯原理課程等核心課程，以及為計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、嵌入式技術(shù)等專業(yè)課程提供統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺。

目前可以在此平臺進(jìn)行的數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)包括：①組合邏輯實(shí)驗(yàn)：譯碼器實(shí)驗(yàn)、七段碼顯示管控制器設(shè)計(jì)、多路選擇器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、全加器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；②時(shí)序邏輯實(shí)驗(yàn)：鎖存器與觸發(fā)器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、同步時(shí)序電路實(shí)驗(yàn)；③自動機(jī)實(shí)驗(yàn)；④計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)；⑤寄存器堆設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；⑥移位寄存器實(shí)驗(yàn)；⑦計(jì)數(shù)器/定時(shí)器設(shè)計(jì)。

在此平臺上進(jìn)行的計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)包括隨機(jī)訪問存儲器RAM實(shí)驗(yàn)、RISC CPU的指令擴(kuò)展、RISC CPU的中斷實(shí)驗(yàn)、單周期RISC CPU設(shè)計(jì)、多周期RISC CPU設(shè)計(jì)、流水RISC CPU設(shè)計(jì)和簡單SOC系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)。

3.2 基于OpenRISC的實(shí)驗(yàn)平臺軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)

硬件實(shí)驗(yàn)方面，數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)的譯碼器、多路選擇器、寄存器堆、移位寄存器等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)緊密銜接。編譯原理實(shí)驗(yàn)主要針對OpenRISC處理器gcc編譯器展開；操作系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)主要針對運(yùn)行于OpenRISC處理器的Linux操作系統(tǒng)的板級支持包（BSP）以及串行口、以太網(wǎng)等設(shè)備的驅(qū)動展開。這兩部分內(nèi)容相對獨(dú)立，但都是圍繞前期設(shè)計(jì)的OpenRISC處理器展開，學(xué)生對處理器的指令集等內(nèi)容都已經(jīng)非常熟悉，方便將精力集中在編譯器和操作系統(tǒng)自身。OpenRISC架構(gòu)如圖1所示。

圖1　OpenRISC架構(gòu)

4 采用基于OpenRISC的綜合實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)點(diǎn)

（1）貫通式教育。各門課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容圍繞OpenRISC這樣一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)展開，教學(xué)工作目標(biāo)明確，針對性強(qiáng)。目標(biāo)明確的貫通式教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘{(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（2）明確的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。傳統(tǒng)從下向上的課程設(shè)計(jì)方法是各門課程相關(guān)教師通過討論得到一個最終的目標(biāo)，但受傳統(tǒng)思維定勢等方面因素的影響，各門課程對最終所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)往往不明確。OpenRISC是一個比較成熟的開源系統(tǒng)，有成熟的編譯工具鏈和操作系統(tǒng)支持。在現(xiàn)有平臺基礎(chǔ)上，各門課程只需要對相關(guān)的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，我們稱這種方式為“自上而下”的課程設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法的好處是可以有效減少課程之間的協(xié)調(diào)工作，而這部分工作在涉及多門課程調(diào)整時(shí)工作量巨大。

（3）面向社會需求。在處理器領(lǐng)域，RISC處理器占絕大多數(shù)，甚至國內(nèi)外微電子企業(yè)推出基于OpenRISC的處理器產(chǎn)品?；贠penRISC處理器的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，能夠?yàn)閷W(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的處理器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，提高其在該領(lǐng)域的就業(yè)競爭力；在操作系統(tǒng)領(lǐng)域，Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)占據(jù)了移動終端的絕大多數(shù)市場，針對Linux的操作系統(tǒng)移植、驅(qū)動開發(fā)等能夠直接接軌企業(yè)需求；在編譯器工具鏈方面，gcc是目前Linux等操作系統(tǒng)廣泛支持的編譯環(huán)境，針對gcc以及工具鏈的移植優(yōu)化人才是目前國內(nèi)外企業(yè)急需的緊缺人才。

5 結(jié) 語

基于OpenRISC的綜合實(shí)驗(yàn)平臺不僅能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的各門課程提供貫通式的實(shí)驗(yàn)平臺，而且能夠?yàn)槊嫦蛴?jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)改革提供參考依據(jù)?！白陨隙隆钡姆椒軌蛴行f(xié)調(diào)各門課程的教學(xué)內(nèi)容改革，為進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，我們將詳細(xì)設(shè)計(jì)和規(guī)劃各門課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，順利完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程改革任務(wù)。

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