基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)探討

邵雄凱，葉志偉，歐陽(yáng)勇，李 浩，王春枝

（湖北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430068）

0 引 言

當(dāng)今時(shí)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用極大地推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，不斷改變著社會(huì)的生活方式。計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)也不斷提出更高的要求，國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專家學(xué)者也在不斷探索和改革計(jì)算機(jī)類專業(yè)的教學(xué)模式、方法和內(nèi)容。近年來(lái)，各高校都在實(shí)踐基于系統(tǒng)能力的培養(yǎng)模式。系統(tǒng)能力是由系統(tǒng)知識(shí)和工程實(shí)踐能力組成的：系統(tǒng)知識(shí)，即掌握計(jì)算機(jī)核心系統(tǒng)的工作原理及其構(gòu)造方法，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件相互作用關(guān)系；工程實(shí)踐能力，即用工程方法開發(fā)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

1 課程地位和教學(xué)現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)組成原理課程在計(jì)算機(jī)類的培養(yǎng)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(guó)計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生入學(xué)考試中，計(jì)算機(jī)組成原理作為4門核心基礎(chǔ)課之一，并且占有45分，可見其課程地位的重要性。然而，學(xué)生對(duì)這門課程學(xué)習(xí)的積極性普遍不高，學(xué)生認(rèn)為“難學(xué)”，教師覺得“難教”。究其原因，可能有以下幾點(diǎn)：① 課程知識(shí)點(diǎn)涉及面廣、多而繁雜、概念抽象[2]。該課程既不像離散數(shù)學(xué)課程邏輯性強(qiáng)，也不像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有算法理論，更不像高級(jí)語(yǔ)言可編程實(shí)現(xiàn)。②現(xiàn)在的就業(yè)崗位，絕大多數(shù)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(zhǎng)期以來(lái)就在學(xué)生中形成了“愛軟怕硬”的現(xiàn)象。③課程內(nèi)容主要是以講授功能部件的工作原理為主，軟硬件脫節(jié)，難以建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次感，難以深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程。④沒(méi)有以處理器的設(shè)計(jì)為主線來(lái)講授，所以難以建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。

近年來(lái)，在全國(guó)計(jì)算機(jī)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的指導(dǎo)和推動(dòng)下，各高校都在進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)改革。國(guó)內(nèi)有多所985高校在10年前就已經(jīng)開始了系統(tǒng)能力培養(yǎng)試點(diǎn)工作，現(xiàn)在他們的成功經(jīng)驗(yàn)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(tǒng)能力培養(yǎng)試點(diǎn)高校。

目前，國(guó)內(nèi)主要有4種系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式[3]：①以Randal E.Bryant教授等編寫的《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》教材為代表，從程序員的角度來(lái)講述應(yīng)用程序員如何能夠利用系統(tǒng)知識(shí)寫出更高效的程序。②以Yale N. Patt教授等編寫的《計(jì)算系統(tǒng)概論》教材為代表，目的是讓學(xué)生在掌握計(jì)算機(jī)底層工作的原理機(jī)制之后，能更加從容地解決以后可能面臨的新問(wèn)題，包括高級(jí)編程語(yǔ)言方面的問(wèn)題。③以袁春風(fēng)教授編寫的《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)》教材為代表，使學(xué)生能夠很好地將高級(jí)語(yǔ)言程序、匯編語(yǔ)言、編譯和鏈接、組成原理、操作系統(tǒng)等相關(guān)的基礎(chǔ)內(nèi)容有機(jī)貫穿起來(lái)，以建立完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念，從而能深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理。④以“一個(gè)CPU、一個(gè)OS、一個(gè)編譯器”為目標(biāo)，在統(tǒng)一硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上以MIPS或者ARM指令集為基礎(chǔ)，逐步建立深化系統(tǒng)觀念。

這些都是國(guó)內(nèi)頂尖“985”高校探索出來(lái)的行之有效的培養(yǎng)模式，但對(duì)學(xué)生能力、教師水平、實(shí)驗(yàn)設(shè)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些高水平的高校大多選用國(guó)外的一些經(jīng)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(nèi)容太多，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)較大困難。一般地方高校將其作為參考書，并結(jié)合國(guó)內(nèi)的優(yōu)秀教材，構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建的原則如下：①把硬件和軟件結(jié)合起來(lái)講授，“軟硬兼施”，使學(xué)生熟悉軟件和數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示、存儲(chǔ)、類型轉(zhuǎn)換、局部性原理、編譯優(yōu)化、執(zhí)行過(guò)程等，內(nèi)容具體而不抽象，使學(xué)生能夠正確分析和解決軟件運(yùn)行中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，幫助學(xué)生編寫高效率的程序代碼；②以MIPS指令集處理器的設(shè)計(jì)為主線，使學(xué)生熟悉數(shù)據(jù)通路和控制器的設(shè)計(jì)思想，清晰、具體地建立整機(jī)的概念。這樣組織教學(xué)，內(nèi)容線索清楚、多而不亂。

具體內(nèi)容安排如下：①計(jì)算機(jī)概論部分，減少對(duì)計(jì)算機(jī)的基本介紹部分內(nèi)容，增加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)內(nèi)容、計(jì)算機(jī)開發(fā)與執(zhí)行過(guò)程和性能評(píng)價(jià)部分的內(nèi)容。②運(yùn)算方法和運(yùn)算器部分，增加的內(nèi)容有結(jié)合C語(yǔ)言來(lái)講解數(shù)據(jù)在底層的表示、存儲(chǔ)、類型轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、大端小端等知識(shí)點(diǎn)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。特別是一個(gè)運(yùn)算同時(shí)有無(wú)符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù)參加、不同類型數(shù)據(jù)在位擴(kuò)展和截?cái)噙\(yùn)算時(shí)都會(huì)出現(xiàn)意想不到的結(jié)果，學(xué)生會(huì)特別好奇，有學(xué)習(xí)的動(dòng)力。把C語(yǔ)言中的運(yùn)算與MIPS指令中的運(yùn)算對(duì)照講解，使學(xué)生能夠從高級(jí)進(jìn)入到底層，有知其然而知其所以然的感覺。在基本運(yùn)算部件中，強(qiáng)調(diào)帶標(biāo)志位的加法器，與后續(xù)的CPU設(shè)計(jì)內(nèi)容相呼應(yīng)。③指令系統(tǒng)部分增加的內(nèi)容有MIPS指令系統(tǒng)和MIPS指令匯編語(yǔ)言，各種程序結(jié)構(gòu)和過(guò)程用調(diào)用的機(jī)器代碼表示。給學(xué)生講解匯編和反匯編的過(guò)程，學(xué)生會(huì)感興趣，覺得有收獲。④中央處理器部分，該部分內(nèi)容與原來(lái)只講授CPU的基本工作原理完全不同，是具體以一定數(shù)量的MIPS指令集為例，詳細(xì)分析每條指令的格式和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，構(gòu)建數(shù)據(jù)通路，設(shè)計(jì)組合邏輯控制器和微程序控制器，對(duì)于流水線部分，主要講清楚其工作原理和存在的問(wèn)題及解決辦法。⑤多層次的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)部分，該部分的內(nèi)容與之前沒(méi)有明顯的增減，但在程序訪問(wèn)的局部性和Cache命中率等知識(shí)點(diǎn)的講授時(shí)應(yīng)結(jié)合C語(yǔ)言程序，可以加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)工作原理的認(rèn)識(shí)和理解。⑥總線及輸入輸出系統(tǒng)部分內(nèi)容沒(méi)有明顯的增減。

總之，把軟硬件結(jié)合起來(lái)講授，可以吸引學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性；以MIPS指令集為基礎(chǔ)→功能部件→單周期CPU→多周期CPU→流水線CPU為主線，能夠使學(xué)生建立整機(jī)的系統(tǒng)概念和設(shè)計(jì)能力。

2.2 規(guī)劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1）原來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

舉例來(lái)說(shuō)，湖北工業(yè)大學(xué)原有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器及數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)和微程序控制器實(shí)驗(yàn)等3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，平臺(tái)使用的是基于FPGA的試驗(yàn)箱、QuatrusⅡ軟件平臺(tái)和VHDL語(yǔ)言。該實(shí)驗(yàn)方式帶有綜合性和設(shè)計(jì)性，但受硬件條件限制，主要是利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的功能部件來(lái)完成簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，很大程度上是偏向于驗(yàn)證性，微程序控制器實(shí)驗(yàn)也主要是在系統(tǒng)提供的微程序中進(jìn)行微指令修改。這對(duì)加深理解計(jì)算機(jī)工作原理有幫助，但對(duì)構(gòu)建整機(jī)概念和設(shè)計(jì)CPU支持不足。此外，還有如下缺點(diǎn)：①實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要學(xué)生先選擇電路模式、芯片參數(shù)設(shè)置、引腳鎖定、USB-Blaster連接、配置文件下載等一系列過(guò)程，這些過(guò)程既繁瑣又容易出錯(cuò)，最主要的是與實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)不是密切相關(guān)，浪費(fèi)學(xué)生很多時(shí)間，影響實(shí)驗(yàn)效果； ②實(shí)驗(yàn)靈活性不夠，由于試驗(yàn)箱的數(shù)量有限，學(xué)生只能在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)，限制了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，沒(méi)有時(shí)間選擇上的靈活性；③試驗(yàn)箱容易損壞，隨著時(shí)間的推移，試驗(yàn)箱逐步損壞嚴(yán)重，又不能及時(shí)補(bǔ)充，嚴(yán)重影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果。

2）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇。

實(shí)踐教學(xué)采用真實(shí)的硬件設(shè)計(jì)方式固然很好，但一般地方高校的硬件設(shè)備可能支持不足，還要求學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)熟練掌握硬件描述語(yǔ)言以及軟硬件開發(fā)環(huán)境，實(shí)屬不易。此外，學(xué)生畏難情緒嚴(yán)重，對(duì)師資要求也高，抽象的硬件描述語(yǔ)言使學(xué)生很難建立設(shè)計(jì)與電路的對(duì)應(yīng)關(guān)系[4]。所以，如果一味強(qiáng)調(diào)硬件上的實(shí)現(xiàn)，可能還難以達(dá)到設(shè)計(jì)CPU的初衷。通過(guò)學(xué)習(xí)其他高校的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，湖北工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)在采用logisim仿真軟件。logisim是一款基于Java的應(yīng)用程序，可運(yùn)行在任何支持Java環(huán)境的平臺(tái)，由于是免費(fèi)軟件，不存在商業(yè)軟件授權(quán)和費(fèi)用問(wèn)題，對(duì)辦學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張的地方高校非常適合。Logisim中的設(shè)計(jì)是圖行化界面，學(xué)習(xí)快捷、易于上手，電路的設(shè)計(jì)和仿真都很方便，可以完全脫離硬件仿真運(yùn)行[5]。學(xué)生可以方便地在自己電腦上使用，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的靈活性，也方便了教師對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢查和驗(yàn)收。

3）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有ALU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、寄存器堆設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和MIPS單周期（多周期）CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)3個(gè)項(xiàng)目，由于學(xué)時(shí)原因，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課內(nèi)無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，需要學(xué)生在課外花費(fèi)大量的時(shí)間。

第1個(gè)ALU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，主要讓學(xué)生完成1個(gè)32位的加法器，1個(gè)能夠產(chǎn)生加減控制、溢出判斷、符號(hào)控制、結(jié)果選擇控制等信號(hào)的局部控制器，1個(gè)能夠產(chǎn)生加減運(yùn)算輸出、邏輯或運(yùn)算輸出、比較結(jié)果輸出及各種運(yùn)算標(biāo)志位的運(yùn)算器。

第2個(gè)寄存器堆設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，主要是讓學(xué)生構(gòu)建1個(gè)MIPS寄存器組，內(nèi)部包含32個(gè)32位寄存器，具有1個(gè)寫入端口和2個(gè)讀出端口。

第3個(gè)MIPS單周期（多周期）CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生完成10條以上MIPS指令的單周期或多周期的CPU設(shè)計(jì)并通過(guò)測(cè)試程序的測(cè)試。第3個(gè)實(shí)驗(yàn)在前2個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，要添加指令譯碼器、主控制器、地址產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移邏輯、位擴(kuò)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(shè)計(jì)實(shí)例如圖1和圖2所示。

圖1 單周期CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)圖

在軟件仿真平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)，優(yōu)點(diǎn)是同樣能夠培養(yǎng)學(xué)生處理器的設(shè)計(jì)能力，加深對(duì)計(jì)算機(jī)的理解，建立整機(jī)系統(tǒng)的概念，方便靈活，減少了學(xué)生的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難度，實(shí)驗(yàn)成功率會(huì)提高。不足之處是難以提高學(xué)生的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試能力。對(duì)于部分感興趣的同學(xué)，可以通過(guò)短學(xué)期選修課程設(shè)計(jì)來(lái)提高硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試能力。

圖2 多周期CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)圖

4）過(guò)程管理加強(qiáng)。

上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生在課內(nèi)安排的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)是難以完成的，需要在課外安排時(shí)間，因此，應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)督管理和課外輔導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)采用小班上課，任課教師現(xiàn)場(chǎng)講解和指導(dǎo)，課外通過(guò)線上和線下進(jìn)行輔導(dǎo)答疑。雖然沒(méi)有嚴(yán)格的考勤，但設(shè)置幾個(gè)模塊的完成時(shí)間和檢查點(diǎn)，并對(duì)落后進(jìn)度的學(xué)生給予幫助。對(duì)每位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)結(jié)果和提問(wèn)答辯，而不僅僅是批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

5）課程設(shè)計(jì)增設(shè)。

利用暑期短學(xué)期實(shí)踐時(shí)間，讓部分有興趣的同學(xué)可以繼續(xù)選修這門課程的課程設(shè)計(jì)，在logisim仿真平臺(tái)上完成理想流水線→轉(zhuǎn)發(fā)流水線→氣泡流水線→分支流水線CPU的設(shè)計(jì)。愿意再繼續(xù)深入學(xué)習(xí)的同學(xué)，可以基于Verilog HDL設(shè)計(jì)并下載到FPGA實(shí)驗(yàn)板上。

2.3 設(shè)計(jì)教學(xué)方法

除了采用通用的教學(xué)方法外，結(jié)合計(jì)算機(jī)組成原理這門課程和學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，主要可以采用以下一些有針對(duì)性的教學(xué)方法。1）激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。目前，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程的學(xué)習(xí)積極性普遍都不高，但對(duì)高級(jí)語(yǔ)言課程學(xué)習(xí)很感興趣，如講解C語(yǔ)言程序在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行的過(guò)程和可能出現(xiàn)的問(wèn)題。同一功能的不同程序?yàn)楹涡视泻艽蟛顒e等問(wèn)題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

把硬件和軟件結(jié)合起來(lái)講，使學(xué)生能夠深入理解計(jì)算機(jī)的工作原理和工作過(guò)程，可以提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。例如：通過(guò)分析不同程序運(yùn)行中的Cache命中率，讓學(xué)生懂得只有深入理解計(jì)算機(jī)底層的工作原理，才能編制出高效的程序。再例如讓學(xué)生思考，在浮點(diǎn)加法運(yùn)算中，

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

學(xué)生對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)有畏懼心理，在計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)中，要淡化元器件的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，強(qiáng)調(diào)以功能模塊設(shè)計(jì)為先導(dǎo)。采用課堂現(xiàn)場(chǎng)在logisim仿真軟件上演示一些功能部件設(shè)計(jì)過(guò)程，如同玩游戲、搭積木，消除學(xué)生畏懼心理。

3）目標(biāo)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法。

以建立整機(jī)系統(tǒng)概念、深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作原理為目標(biāo)，以MIPS指令集為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)CPU作為主線組織課程的教學(xué)內(nèi)容，線索清晰、多而不亂；采用與C語(yǔ)言程序相結(jié)合的方法來(lái)講解計(jì)算機(jī)的工作原理，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，具體而不抽象。

4）采用多種方式講解知識(shí)點(diǎn)。

采用前后內(nèi)容關(guān)聯(lián)講解和多用匯編講高級(jí)語(yǔ)言程序，多用圖解釋概念，使學(xué)生容易接受和理解一些比較枯燥和抽象的知識(shí)點(diǎn)。

5）探索本科生導(dǎo)師機(jī)制。

導(dǎo)師為學(xué)生設(shè)置問(wèn)題，讓學(xué)生課外查閱資料，組織課外小組討論，開展課外CPU設(shè)計(jì)競(jìng)賽等活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生參加大學(xué)生電子競(jìng)賽、物聯(lián)網(wǎng)大賽等科技競(jìng)賽活動(dòng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

作為地方高校，基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，在計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)改革方面，筆者從教學(xué)內(nèi)容的組織、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選擇、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的規(guī)劃、教學(xué)方法的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了一些探索。教改永遠(yuǎn)在路上，如教學(xué)內(nèi)容還需要深化、實(shí)驗(yàn)規(guī)模還需要擴(kuò)大，在課程體系上還需要與操作系統(tǒng)、編譯原理等核心課程有機(jī)結(jié)合，只有這樣才能真正達(dá)到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求。