“計(jì)算機(jī)組成原理”課程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)研究

胡迪青， 譚志虎， 吳 非

(華中科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖北 武漢430074)

0 引言

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)中起著重要的承上啟下的作用[1]。其理論性強(qiáng)，概念抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)困難，很難掌握其精髓，其教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成僅依靠理論教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須打造對(duì)理論教學(xué)具有強(qiáng)支撐的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[2]。在這個(gè)環(huán)節(jié)里要淡化以知識(shí)點(diǎn)驗(yàn)證為主的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，建立逐層遞進(jìn)、立足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)的實(shí)踐教學(xué)體系，具體說來(lái)，要站在硬件工程師的視角，從門電路開始逐步設(shè)計(jì)運(yùn)算部件，存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通路和控制器、流水控制邏輯直至完整的CPU來(lái)深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

1 課程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)高校“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)踐教學(xué)主要有兩種方式：

(1)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱形式。將分離器件通過導(dǎo)線連接構(gòu)成小系統(tǒng)，通過撥動(dòng)開關(guān)、觀察信號(hào)燈檢測(cè)驗(yàn)證系統(tǒng)功能。該方式讓學(xué)生有直觀的邏輯器件的概念，但實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可靠性極低，調(diào)試工作量大，實(shí)驗(yàn)不可抗力因素過多，學(xué)生挫敗感嚴(yán)重；實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證為主，看似幾百根導(dǎo)線完成的“復(fù)雜”系統(tǒng)，真正的設(shè)計(jì)內(nèi)涵卻十分簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)檢查困難；實(shí)驗(yàn)耗損大，成本高，維護(hù)工作量大，場(chǎng)地要求高，實(shí)驗(yàn)箱更新?lián)Q代緩慢，不能滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求[3]。

(2)FPGA開發(fā)板形式。采用硬件描述語(yǔ)言完成硬件設(shè)計(jì)仿真，在開發(fā)板上調(diào)試運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)為主，真實(shí)的硬件設(shè)計(jì)方式有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)能力[2]。但其學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)，難度大，對(duì)師生技術(shù)水平要求較高；另一個(gè)比較嚴(yán)重的問題是硬件設(shè)計(jì)程序化，學(xué)生總感覺是在做編程實(shí)驗(yàn)而不是硬件設(shè)計(jì)，學(xué)生容易照搬軟件編程思維，學(xué)生很難建立設(shè)計(jì)與底層電路的對(duì)應(yīng)關(guān)系，數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法無(wú)法延續(xù)到實(shí)驗(yàn)中，硬件設(shè)計(jì)體會(huì)不深[4]。

在計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的框架下，實(shí)驗(yàn)箱方案逐漸衰落，國(guó)內(nèi)外一流高校均已采用FPGA平臺(tái)[5]。而后者要回避學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)的問題，須重構(gòu)硬件系列課程群，統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，涉及多門課程的重新整合，改革阻力較大；為彌補(bǔ)兩種方案之間的巨大差異，我們嘗試引入Logisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為最終切換到FPGA平臺(tái)進(jìn)行平滑過渡，對(duì)現(xiàn)有實(shí)踐方式進(jìn)行必要的補(bǔ)充。

2 Logisim虛擬仿真平臺(tái)

Logisim是一款針對(duì)CPU系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)字電路仿真軟件，適合設(shè)計(jì)和仿真數(shù)字邏輯電路，其特點(diǎn)是采用分離數(shù)字電路模塊構(gòu)建原理圖的方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]。圖1是采用Logisim平臺(tái)利用原理圖方式設(shè)計(jì)的五段流水MIPSCPU。這種設(shè)計(jì)方式延續(xù)了“數(shù)字邏輯”課程中數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生硬件設(shè)計(jì)思維，回避了硬件描述語(yǔ)言過于抽象、硬件設(shè)計(jì)程序化的問題。該平臺(tái)簡(jiǎn)單易學(xué)，易于調(diào)試、零實(shí)驗(yàn)成本，無(wú)場(chǎng)地和人員要求，易于構(gòu)建復(fù)雜數(shù)字電路系統(tǒng)，方便進(jìn)行靈活多變的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。目前全球已有幾百所學(xué)校使用該平臺(tái)，其中美國(guó)加州伯克利分校CS61C課程一直采用該平臺(tái)，國(guó)內(nèi)北航、國(guó)防科大也在使用該平臺(tái)。

圖1 Logisim平臺(tái)設(shè)計(jì)的五段流水MIPSCPU

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

Logisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可有效回避傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一些弊端，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大多可無(wú)縫移植到該平臺(tái)上，在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，我們嘗試遵循以下基本原則：

(1)理論實(shí)踐一體化，實(shí)踐內(nèi)容緊扣教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)，讓枯燥的理論知識(shí)在實(shí)踐中鮮活起來(lái)，構(gòu)建教師與學(xué)生的共同語(yǔ)言，真正做到實(shí)踐教學(xué)助力理論教學(xué)。

(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)系統(tǒng)化，注重系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，將難度較高的五段流水CPU的系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)分解為層次遞進(jìn)，由易到難的多個(gè)單元實(shí)驗(yàn)，在單元實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建功能部件，最終將各單元實(shí)驗(yàn)的多個(gè)成果集成為完整的CPU，在遞進(jìn)的學(xué)習(xí)過程中讓學(xué)生養(yǎng)成系統(tǒng)觀，努力使大部分學(xué)生達(dá)到較高的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力水準(zhǔn)。

(3)課內(nèi)課外協(xié)同化，通過構(gòu)建豐富的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)，方便教師課內(nèi)動(dòng)態(tài)演示講解以及學(xué)生課外復(fù)習(xí)驗(yàn)證。通過加大設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)工作量，促進(jìn)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與課外實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合。

(4)教師工作輕松化，硬件系列實(shí)驗(yàn)檢查和指導(dǎo)難度大、強(qiáng)度高，通過實(shí)驗(yàn)輸入輸出界面規(guī)范化、測(cè)試用例標(biāo)準(zhǔn)化、性能指標(biāo)數(shù)據(jù)化、實(shí)驗(yàn)測(cè)試評(píng)分自動(dòng)化等一系列手段，大大提升實(shí)驗(yàn)的易檢查性，降低教師工作強(qiáng)度。

3.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)給出課程中一些常用且重要的數(shù)字電路在Logisim平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)，如數(shù)據(jù)表示中的海明碼編解碼電路和CRC編解碼電路；數(shù)據(jù)運(yùn)算中的全加器、快速加法器、乘法器、除法器的驗(yàn)證樣例；存儲(chǔ)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)芯片擴(kuò)展；控制器中的時(shí)序產(chǎn)生器；輸入輸出系統(tǒng)中的中斷屏蔽和中斷優(yōu)先級(jí)處理等[3]。

驗(yàn)證資源庫(kù)的目的是加深課程理論知識(shí)點(diǎn)的理解，方便教學(xué)展示和學(xué)生課后驗(yàn)證，將教材上呆板的靜態(tài)電路轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)可驗(yàn)證易理解的實(shí)例，促進(jìn)課內(nèi)課外教學(xué)的有機(jī)融合。

3.3 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以“計(jì)算機(jī)組成原理”課程最核心的教學(xué)內(nèi)容——CPU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為頂層實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，將CPU設(shè)計(jì)總?cè)蝿?wù)分解為若干功能部件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器)，并最終在課程實(shí)驗(yàn)中集成為完整的可運(yùn)行簡(jiǎn)單程序的MIPS單周期CPU，在課程實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升難度，要求學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中最終完成中斷機(jī)制、理想流水線，氣泡式流水線，重定向流水線，動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)流水線等高級(jí)功能。

1)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)課內(nèi)4學(xué)時(shí)，課外4學(xué)時(shí)，要求學(xué)生從門電路開始構(gòu)建4位快速加法器，逐步構(gòu)建16/32位加法器，最終構(gòu)建可支持各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算的復(fù)雜功能運(yùn)算器，要求設(shè)計(jì)運(yùn)算溢出檢測(cè)標(biāo)志。

通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可熟悉Logisim的使用，掌握運(yùn)算器的構(gòu)建方法，加深對(duì)補(bǔ)碼表示、補(bǔ)碼運(yùn)算的理解。擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)要求利用已封裝的運(yùn)算器完成等差數(shù)列累加求和的同步時(shí)序電路，讓學(xué)生盡快建立運(yùn)算通路、寄存器傳輸控制的概念。

2)存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)課內(nèi)4學(xué)時(shí)，課外4學(xué)時(shí)，要求學(xué)生設(shè)計(jì)MIPS寄存器組，然后利用先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)完成的運(yùn)算器、寄存器組、RAM、計(jì)數(shù)器等模塊構(gòu)建自動(dòng)運(yùn)算時(shí)序電路，可完成RAM模塊連續(xù)數(shù)據(jù)區(qū)間的累加，并將累加中間結(jié)果回存到同一RAM模塊指定區(qū)域。擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)可要求學(xué)生設(shè)計(jì)既可以按字節(jié)訪問也可以按字訪問的存儲(chǔ)器功能模塊，為MIPSCPU中SB、SW指令打基礎(chǔ)。

該實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考查存儲(chǔ)器的讀寫時(shí)序控制，存儲(chǔ)器擴(kuò)展與控制，包含存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、數(shù)據(jù)通路的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可加深學(xué)生對(duì)存儲(chǔ)器的認(rèn)知，并為后續(xù)數(shù)據(jù)通路、控制器設(shè)計(jì)打基礎(chǔ)。

3)控制器實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)課內(nèi)4學(xué)時(shí)，課外8學(xué)時(shí)，要求學(xué)生利用先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)完成的各功能模塊構(gòu)建數(shù)據(jù)通路，設(shè)計(jì)硬布線控制器，最終設(shè)計(jì)完成支持簡(jiǎn)單指令系統(tǒng)的MIPS單周期CPU，并能自動(dòng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，作為擴(kuò)展內(nèi)容，指令系統(tǒng)學(xué)生可自行擴(kuò)展，還可擴(kuò)展中斷機(jī)制。

控制器實(shí)驗(yàn)是前兩次實(shí)驗(yàn)的綜合，通過控制器實(shí)驗(yàn)學(xué)生應(yīng)掌握MIPS單周期CPU設(shè)計(jì)的一般流程，加深CPU控制器的理解。

3.4 課程設(shè)計(jì)

在單元實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生挑戰(zhàn)較高難度和更大工作量的MIPS五段流水CPU設(shè)計(jì)，最終達(dá)成系統(tǒng)能力培養(yǎng)的總目標(biāo)[7]。所設(shè)計(jì)的CPU應(yīng)支持一定規(guī)模的指令系統(tǒng)，學(xué)生從最簡(jiǎn)單的單周期CPU入手，逐步過渡到無(wú)沖突的理想流水線、氣泡式流水線、數(shù)據(jù)重定向流水線、動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)流水線、流水中斷擴(kuò)展，內(nèi)容層次遞進(jìn)，難度遞增，在Logisim平臺(tái)上最終完成MIPS五段流水CPU。要求最終完成的CPU能正確運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試用例程序，主要數(shù)據(jù)流和控制流通過LED、數(shù)碼管等適時(shí)的進(jìn)行顯示。

為保障較高難度課程設(shè)計(jì)的完成度，必須對(duì)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行精細(xì)化的過程管理，嚴(yán)格學(xué)生的考勤紀(jì)律和學(xué)習(xí)制度，借鑒游戲闖關(guān)的設(shè)計(jì)理念，將課設(shè)總?cè)蝿?wù)細(xì)分成若干可明確檢查的階段子任務(wù)(游戲關(guān)卡)；難度逐漸遞進(jìn)，通過各階段成果檢查增強(qiáng)學(xué)習(xí)的及時(shí)反饋，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣(游戲趣味性)；為學(xué)生提供豐富的測(cè)試用例以及自動(dòng)檢測(cè)工具，讓學(xué)生的較短時(shí)間內(nèi)體驗(yàn)更多的設(shè)計(jì)內(nèi)容(游戲裝備)；將所有學(xué)生每天的學(xué)習(xí)進(jìn)度及時(shí)匯總，促進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)氛圍的養(yǎng)成(游戲龍虎榜)；線上線下充分互動(dòng)，收集整理各種常見問題(游戲通關(guān)秘籍)以及采用團(tuán)隊(duì)合作以及天梯對(duì)抗機(jī)制讓學(xué)生開展愉快的合作學(xué)習(xí)(戰(zhàn)隊(duì)游戲)。

4 實(shí)施效果

2015年起，我校計(jì)算機(jī)學(xué)院開始全面推廣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，大部分學(xué)生第一次實(shí)驗(yàn)仍在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱上完成，對(duì)兩種平臺(tái)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比體會(huì)深刻，學(xué)生普遍認(rèn)為L(zhǎng)ogisim平臺(tái)完勝實(shí)驗(yàn)箱方式，實(shí)驗(yàn)效率高，事半功倍，內(nèi)容緊扣課程。經(jīng)過3年的不斷探索和持續(xù)改進(jìn)，基于Logisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)踐課程日趨完善，我們將課程單元實(shí)驗(yàn)中因?qū)W時(shí)原因未曾涉及的重難點(diǎn)如中斷異常處理機(jī)制、相聯(lián)存儲(chǔ)器等實(shí)驗(yàn)引入到課程設(shè)計(jì)中，已有3屆逾千名學(xué)生完成該課程設(shè)計(jì)，如圖2所示：2017年最新的“計(jì)算機(jī)組成原理”課程設(shè)計(jì)要求已經(jīng)由2015年的20條16位MIPS流水CPU變成了30條32位的MIPS流水CPU，并且新增加了中斷處理機(jī)制以及流水線在FPGA開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)，在保證完成度的前提下，課程設(shè)計(jì)規(guī)模，設(shè)計(jì)難度均大幅提升。Logisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的分離，學(xué)生可以在仿真平臺(tái)上將設(shè)計(jì)原理跑通后再在FPGA開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)五段流水CPU，大大提升了設(shè)計(jì)效率，同時(shí)也為不愿意學(xué)習(xí)FPGA開發(fā)的同學(xué)提供了差異化的選擇。

圖2 組成原理虛擬仿真課程設(shè)計(jì)完成度對(duì)比

從多年的課程滿意度調(diào)查數(shù)據(jù)看，“計(jì)算機(jī)組成原理”虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)初衷，取了了不錯(cuò)的效果，并獲得了同行的肯定，相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)其具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)返璞歸真，助力課程，學(xué)生普遍反饋這是大學(xué)階段最緊扣教學(xué)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)之一，有效提升了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)規(guī)模，設(shè)計(jì)方法延續(xù)了數(shù)字邏輯的設(shè)計(jì)方法，幫助學(xué)生建立良好的硬件設(shè)計(jì)思維，可有效加深其對(duì)課程理論知識(shí)的理解。

(2)有助于系統(tǒng)能力培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)層次遞進(jìn)，難易遞進(jìn)，對(duì)學(xué)生必須達(dá)到的指定層次有明確要求，學(xué)生完成率高，成就感強(qiáng)，落實(shí)了本課程應(yīng)承擔(dān)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)，有助于普惠教育的達(dá)成，符合未來(lái)計(jì)算機(jī)工程教育認(rèn)證的要求。

(3)激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，助力創(chuàng)新，Logisim平臺(tái)將學(xué)生從調(diào)試的泥潭解放出來(lái)，擺脫了實(shí)驗(yàn)箱器件數(shù)目的限制，可隨意地構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識(shí)。

(4)充分解放教師、教輔人員，平臺(tái)易學(xué)易用易調(diào)試，多數(shù)問題學(xué)生互相交流學(xué)習(xí)即可解決，一定程度上實(shí)現(xiàn)了課堂翻轉(zhuǎn)；實(shí)驗(yàn)易檢查易評(píng)判，無(wú)需復(fù)雜的轉(zhuǎn)場(chǎng)，維修過程，大大減輕了教師和教輔人員的工作強(qiáng)度和工作壓力。

5 結(jié)語(yǔ)

Logisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)單易用，學(xué)習(xí)周期短，可有效延續(xù)數(shù)字邏輯課程硬件設(shè)計(jì)的方法，讓學(xué)生將更多的精力集中在對(duì)課程知識(shí)的理解和運(yùn)用上，真正助力課堂理論教學(xué)?；谠撈脚_(tái)開發(fā)的一系列課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以及課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)難度適當(dāng)，內(nèi)容遞進(jìn)，學(xué)生成就感強(qiáng)，驗(yàn)收容易，有助于學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的養(yǎng)成，相關(guān)成果已在本院進(jìn)行了三年的應(yīng)用和推廣，并在2017第三屆全國(guó)高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)高峰論壇做大會(huì)報(bào)告，獲同行一致好評(píng)，并在湖北省內(nèi)進(jìn)行了專題師資培訓(xùn)，共培訓(xùn)省內(nèi)外高校教師60余人，為兄弟院校同類課程實(shí)驗(yàn)的開設(shè)提供了借鑒思路。