案例教学法在计算机系统结构课程中的应用

陈 田，丁贤庆，路 强，安 鑫，李建华

（合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009）

0 前言

计算机系统结构课程是计算机专业的一门核心专业课程，知识点较多——有指令集结构、流水线结构、指令静态调度、指令动态调度、cache存储、多核并行编程等主要知识点。在参考文献[1-2]中，强调了动画教学和模拟器教学；动画教学需要教师课前制作好相关的动画，课程讲解中教师将PPT和演示动画相结合教学；模拟器教学需要教师编写对应的模拟器软件，利用该软件，动态模拟和显示指令的执行过程。比较有名的模拟器软件有winDLX和DLXView。在参考文献[3]中，强调了并行算法编程的重要性，要求在学习计算机结构概念的同时，增强MPI并行编程能力的训练。

通过近几年计算机系统结构课程的教学，笔者发现该课程存在以下问题：①课程概念较多，学生觉得内容抽象、枯燥难学；②课程学时少、教学知识点多，特别是与计算机系统结构有关的新技术和新结构更新很快，这些新知识也要添加到课程中；③综合性实验难度较大，难以在短时间内实现；④verilog硬件描述语言没有前序课程涉及，学生完全自学感觉费力，课设中要用到该部分知识。针对问题，吸收国内外计算机系统结构方面的先进教学理念，可以将先进教学方法和创新思想引入课堂。改变以往的灌输式、照本宣科式的教学模式，采用案例式教学为主，并和启发式教学、引导式教学和讨论式教学相结合，通过促进学生自主学习，提高教学效果。此外，紧跟国际计算机技术发展潮流，不断更新计算机系统结构课程内容，在有限的教学学时内协调好经典知识和先进技术的讲授关系，通过引入科技发展的新成果和前言知识，拓宽学生的视野。

1 案例教学法的具体实现

为了更好地调动学生学习的积极性，为了将抽象的理论和实践结合，可以在课程教学中，结合CPU设计这个具体案例来讲解重要知识点。CPU设计案例教学法分为3步：第1步，围绕着CPU设计这个案例，通过提出问题来激发学生主动思考、自主学习；第2步，通过理论知识点的引导式学习，给后续的CPU具体设计打好铺垫；第3步，课堂上给出CPU设计的框架结构，通过设计作业让学生课后完成具体设计，以此来锻炼学生的动手能力、创新能力。

1.1 CPU设计问题的提出

在课程教学中可以先用2个学时补充verilog相关知识，然后给出任务：设计一个具有6条指令的CPU。这6条指令分别是Load指令、Store指令、Mov指令、Add指令、Xor指令和Bnz指令，这6条指令涵盖了访存指令、传送指令、算术与逻辑指令和分支指令，具有一定的代表性。假设这6条指令的机器码已经给出（如图1所示）。

图1 6条指令的机器码

1.2 结合案例设计过程学习主要知识点

课程案例设计教学中将该任务分解成多个子任务。实现每个子任务前，先讲解理论知识点，然后用verilog实现框架结构。围绕着每个子过程的设计，学生可以先提出问题，进行知识点学习。理论讲解以引导为主、自学为辅。教学中强调夯实基础，注重综合应用，减少重复。将学生由“被动实践”变为“主动实践”，学生的质疑力、观察力和协同力得到了培养和提高。

1.2.1 结合机器码的分段，学习I、R、J类型指令格式

在讲解指令系统之前，首先抛出3个问题让同学们思考。问题1：图1中的指令怎样分段。从而看出操作码和地址码部分？问题2：怎样看出图1地址码部分对应的操作数代表的是整数还是浮点数？问题3：怎样知道地址码中对应的是内存地址还是寄存器编号？然后带着这3个问题开始指令系统部分理论学习[4-5]。最后给出上述3个问题的答案。问题1：在MIPS指令集中，将机器码分为I、R、J三种类型，在I类型指令中将机器码分为4段。在R类型指令中将机器码分为6段。在J类型指令中将机器码分为2段。问题2：数据表示常见的有两种。其一是带标志符的数据表示，通过操作数的前几位指明数据是整数还是浮点数。另一种是通过不同的操作码来指明后面的操作数是整数还是浮点数。问题3：通过操作码来指明地址码中对应的是内存地址还是寄存器编号。回答完问题后，再结合图1中的机器码来介绍MIPS、arm和X86不同指令集的优缺点。

1.2.2 结合操作码的设计，学习流水线和流水线中状态机的设计（译码）

讲解指令流水线之前，首先提出2个问题。问题1：图1中6条指令怎样实现能使总执行时间最短？问题2：如果这些指令的操作码已经知道，怎样设计指令译码器部分？带着这两个问题，开始流水线章节的理论学习，最后给出上述2个问题的答案。问题1：采用流水线技术能够加快多条指令的执行速度[6]。问题2：由于不同操作码对应的控制信号不同，可以用时序电路设计中常用到的状态机设计技术来实现。

1.2.3 结合操作码的设计，学习相关的检测机理

在介绍流水线中“相关”理论知识点之前，首先提出一个问题，图1中6条指令中，如果出现后面指令需要用到前面指令的结果，怎样检测和处理？带着该问题学习指令相关的理论知识点，然后给出问题答案：在流水线的译码阶段，检测前后两条指令的地址码是否相同，如果相同就认为出现了数据相关。处理数据相关的办法很多，其中常用解决方法是：由“相关”检测电路发控制信号给多路开关从而使数据定向通路打开，或者使后一条指令暂停，或者通过编译器进行指令静态调度来消除数据相关。

1.2.4 结合地址码的设计，讲述访存阶段

讲述流水线中访存阶段时，首先提出2个问题。问题1：如何在指令中指明寻址方式？问题2：由于存储器地址的特殊性，如何在间接寻址中，计算出正确的绝对地址？介绍完寄存器寻址、立即数寻址、间接寻址等10种寻址方式后，给出答案。问题1：在指令系统中寻址方式可以通过操作码来指明，一般系统中只保留常用的几种寻址方式，从而使译码系统简化，提高性价比。问题2：可以在流水线的执行阶段来实现绝对地址的计算，这样就可以不必额外添加进行绝对地址计算的运算器，但是需要增加多路开关来实现地址和数据的分时选择和计算。

1.2.5 结合运算器设计，讲述定向通路，并行操作（多操作部件的设计），超长指令字技术

在讲述运算器的设计时，首先提出3个问题。问题1：图1中6条指令对应的运算器怎样实现性价比高？问题2：如果有减法指令，怎样在加法器上设计？问题3：如果要实现多条指令完全并行执行，运算器怎样设计？讲述完运算器的主要功能和结构特点等主要知识点后，给出上述问题的答案。问题1：图1中6条指令对应的运算器应该采用复用技术，共用同一个运算器，通过多路开关控制运算器的输入，并且构成指令流水线，性价比更好。问题2：对于减法指令，可以通过补码结构转换为加法，从而减少硬件成本。问题3：如果要实现多条指令完全并行执行，运算器就需要设置多个，例如设置整数运算器、浮点运算器、地址运算器等，利用硬件成本代价的增加来提高并行速度。

1.2.6 结合流水线指令阶段和写回阶段，讲述Tomasulo算法和指令动态执行技术

在讲述指令动态执行技术时，首先提出2个问题。问题1：图1中6条指令能否顺序流出，乱序执行？怎样实现？问题2：能否设计一个能实现100条指令乱序的执行系统？如果能需要考虑哪些问题？讲述完Tomasulo算法和指令保留站知识点后，给出问题的答案。问题1：图1中6条指令能顺序流出，乱序执行，关键是要有多个保留站和多个执行部件，通过保留站消除指令之间的相关，通过多个执行部件的并行工作，实现了乱序执行。问题2：要实现100条指令的乱序执行，系统设计中就要求至少有100个保留站，执行部件数量如果比较少，很难有好的并行性，并且100条指令之间相关检测硬件结构非常复杂，总之，100条指令的乱序执行理论上能实现，但是硬件成本高，系统性价比低。

围绕着CPU设计提出对应的问题，只是为了激发学生们主动学习积极性，通过verilog硬件描述语言来动手设计CPU，就可以将理论知识和实践结合，加深对相关知识点的理解和掌握，同时通过设计的完成，锻炼了学生们的动手能力和创新能力。设计过程以课堂引导为主，学生自主设计为辅。这样就与课内学时比较少的实际情况相吻合，同时给学生们课后作业留下了任务，达到了课内教学和课外训练的齐头并进。

1.3 案例教学中采用的软硬件环境和系统框架图

案例教学中采用的硬件是Xilinx virtex5开发板，软件环境是ISE10.4。课程教学时将该设计任务分解成多个子任务，包括取指令部件的设计、译码部件的设计、运算器部件的设计、存储器部件的设计、写回部件的设计等，实现每个子任务前，先讲解理论知识点，然后用verilog实现框架结构。这样就将理论知识点和动手设计结合起来，一边讲，一边练，一边讨论，激发了学生学习的兴趣。在设计环节主要是通过verilog硬件描述语言设计出对应的硬件结构[7,2]。对于五段指令流水线，可以先画出系统框图（如图2所示），根据系统框图给出每个verilog代码模块的输入与输出引脚。

图2 流水线系统框图

案例设计中，需要设计时钟模块。时钟模块可以提供对主时钟信号的分频、倍频、移相等功能，给流水线电路提供对应的时钟信号（如图3所示）。在时钟模块中，输入信号有CLKIN_IN和复位信号RST_IN，输出信号为CLK0_OUT、CLK180_OUT和锁频信号LOCKED_OUT。只有在输出时钟信号稳定的情况下，锁频信号LOCKED_OUT才变为有效的高电平，否则为低电平。图4是时钟波形图。从图4中可以看出，在锁频信号LOCKED_OUT上升沿来临前，时钟信号CLK0_OUT、CLK180_OUT的信号是不稳定的。在时钟信号稳定后， CLK0_OUT信号的相位与CLKIN_IN相位相同，CLK180_OUT信号的相位与CLKIN_IN相位相差180度。

图3 时钟模块图

图4 时钟波形图

案例教学中，针对每个流水段先确定输入和输出引脚数目，然后设计输出和输入之间的逻辑结构。为了激发学生学习的积极性，上课时只给出系统框图和关键模块的设计，其它次要部分就作为设计作业，让学生课后完成，完成的作业要提交给老师评分。通过这种动手设计，学生能主动思考问题，积极给出设计结果，同时还会为下次课的学习积极准备，激发了学生求解未知知识的兴趣。教师也能通过学生的设计，收获颇多。

2 案例法教学效果

理论结合实践，采用案例教学法具有理解快、记忆效果好的特点。从实施的效果来看，学生上课积极性得到提高，实验完成质量稳步上升，学生自主学习和研究的热情高涨，培养了学生的设计能力和创新能力，达到了本课程要求的培养研究和应用兼重的复合型人才的目标。在学生教学评价中，学生反馈是“通过设计，全面认识了计算机系统”“设计过程就是一个非常好的理解和掌握过程”“看着我的设计作品，我有种成就感”等。 通过统计发现，采用案例教学法后，期末考试平均成绩得到了提升，成绩为“优秀”的人数也在上升。同样，采用案例教学法后，课程设计完成难度和优秀比例也得到了提升。

3 结语

计算机技术的不断发展，推动着课程建设的不断改革和创新[8]。笔者下一步的改革思路是：以自主设计的CPU为核心，完善外设和操作系统、编译系统，从而形成一个完整的系统。方法是：采用FPGA设计基于arm指令集的CPU，在非易失性存储器flash中装载linux嵌入式操作系统。通过配置引导程序参数，使系统启动时能直接运行flash存储器中存放的虚拟机和嵌入式应用程序。通过开发嵌入式驱动程序，让CPU可以接收输入外设传送过来的信号，也可以控制输出外设进行正确的工作。这种案例教学法对于学生全面理解课程知识点，加强动手能力和创新设计能力的培养有着积极的意义[9]。