面向能力培养的计算机组成原理实验教学方案

桑国明，刘智

（大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连）

一 引言

计算机组成原理是计算机科学与技术专业的核心专业基础课程，在计科专业的课程体系中具有承上启下的重要作用[1]，其先修课程有离散数学和数字逻辑与数字系统，后续课程包括微机原理与汇编语言、操作系统、编译原理和计算机系统结构等[2-3]，且后续课程的知识点均与计算机组成原理课程的内容具有密切的联系。因此，学习好计算机组成原理，对后续课程的学习具有举足轻重的作用。

计算机组成原理全面学习组成现代计算机的五大功能部件（即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备）的基本组成和工作原理，以及将这五大部件通过总线互联构成整机的技术。其学习内容对于大学低年级的学生来说具有抽象程度高、学习难度大的特点，为了让学生能够深入理解所学内容并培养他们的工程实践能力，实验就成为了该课程学习的必要环节。目前在我国众多的工科院校中，该课程实验的开设方法各不相同，而随着2016 年6月我国加入《华盛顿协议》[4]，对工程专业人才培养提出了更高的要求，如工程专业人才培养目标中要求工程专业的毕业生要具备解决复杂工程问题的能力，这就使得一些传统的实验教学方案已经不能满足新的人才培养目标的要求，从而需要我们探索新的实验教学方案，并且该方案应能够有效地与先修及后续课程的实验相衔接。

二 当前工科高校的计算机组成原理实验课程现状分析

计算机科学与技术专业是目前高校中最为普及的专业，但因为每个学校的教学条件和培养目标不同，计算机组成原理实验教学在内容和教学方式上差别较大，总结起来总体上可以分为基于实验箱开展实验教学、基于虚拟仿真平台开展实验教学和基于FPGA 器件开展实验教学等几种方式。

（一） 基于实验箱开展实验教学

这是早期各高校普遍采用的实验教学方式，如清华大学和北京邮电大学都研制了相关的实验设备。这种实验设备是将构成模型计算机的各个组成部分（如运算器、控制器、存储器等）以单元电路的形式组织在一块PCB 上，并且将如数据线、地址线等基本的信号线都连接完毕，只保留一些（如片选信号、存储器读写信号之类）信号供学生在实验时进行连接。因为实验台上电路的功能和结构都比较固定，学生在实验时不能做出改变，因此这种实验台比较适合开展一些验证性的实验，比如验证计算机各组成部分的工作原理，能够开展综合性强一些的实验就是将各单元组合起来构成一个模型计算机，帮助学生理解计算机整机的结构和工作原理，但总体上实验的开展仍然是在设备厂家给定的设计方案上进行验证，学生可以自己进行设计的内容很少，至于进行创新性的设计就更加困难了。另外，实验箱往往价格较高，实验室的建设需要比较大的投资，还要占用专门的实验场地，这就导致实验的时间和地点不够灵活。随着实验的进行，实验台的老化和损坏不可避免，后期的维护工作非常繁重且需要持续地进行投入，而且这种实验设备很难在后续课程中继续使用，因此导致计算机组成原理课程的实验和相关课程的实验完全割裂开来，不利于培养学生完整计算机系统（既包括软件又包括硬件）的思想，也就不利于学生解决复杂工程问题能力的培养。

（二） 基于虚拟仿真实验平台开展实验教学

因为传统的基于实验箱的实验方式存在实验室建设投资大、设备维护成本高及实验开展不灵活等问题，国内外高校都在不断探索新的实验教学方式。随着计算机技术（尤其是网络技术和虚拟仿真技术）的出现和成熟，先后出现了多种仿真实验教学平台，而且这种仿真实验教学技术和平台仍在不断的发展完善中。

在国内，大连理工大学软件学院研发了在通用计算机上运行的纯软件仿真环境，可以支持如运算器、存储器、控制器及模型机设计等主要实验。湘南学院软件与通信工程学院也开发了多思计算机组成原理网络虚拟实验系统DS-VLAB。另外随着云计算和大数据技术的发展，一些高校和研究机构正在研制基于云平台的虚拟仿真实验教学系统，并希望通过大数据分析技术记录和跟踪每个学生的实验过程，为每个学生提供个性化的实验分析和指导[5]。

在国外，Logisim 是一个广泛采用的仿真实验平台。Logisim 提供了从基本的门电路到触发器、比较器和运算器等组合逻辑电路以及如键盘、数码管、LED显示屏等常用的外围器件，能够满足计算机组成原理课程中各种性质实验的需要。除此之外，Proteus 因具有庞大的元器件库和各种仿真仪器仪表，可以支持从计算机组成部件到整机的设计和仿真，在计算机组成原理实验教学中也得到了广泛的应用[6]。尽管虚拟仿真实验平台使得实验的开展变得方便灵活，而且降低了实验成本，但这些平台往往只能满足单个课程或仅仅是硬件类课程的实验要求，不能有效地将组成原理课程和如操作系统等计科专业核心课程的实验进行整合，仍然不利于学生解决复杂工程问题能力的培养。

（三） 基于FPGA 平台开展实验教学

FPGA（Field Programmable Gate Array） 器 件因其内部丰富的资源和灵活的可编程特性在电气信息类课程的实验教学中得到了越来越多的应用。在基于FPGA 的实验中，学生可以通过如Verilog HDL等硬件描述语言进行各种功能模块的设计，然后经过仿真、综合、布局布线、调试与加载配置等步骤最终在FPGA 上对设计进行实现。目前国内如首都师范大学、中科院计算所、清华大学和东南大学等很多教学和科研机构都开展了基于FPGA 的相关实验教学和研究。

这种实验方式的设计和仿真等一系列过程都可以在个人计算机（如笔记本电脑）上完成，只有到加载配置阶段才需要相应的硬件设备，而硬件设备往往都十分小巧，便于随身携带，因此这种实验方式具备了虚拟仿真实验方便灵活开展教学的优点，而且可以与操作系统等后续课程的实验进行整合，培养学生软、硬件协同设计的综合实践能力。

三 面向解决复杂工程问题能力培养的计算机组成原理实验方案设计

（一） 计算机组成原理实验教学方案

工程教育质量认证对工程教育人才能力培养提出了12 个目标要求，其中解决复杂工程问题的能力是其中一个重要的指标点。对于计科专业来说，为了进行这一能力的培养，国家计算机系统能力培养工作小组提出了“一个 CPU、一个编译器、一个操作系统”的方案[7]。这一方案中的三项内容显然是计科专业学生应该具备的最核心能力，而如果能够通过对相关课程的教学环节进行整合，使得相关课程的教学各环节进行紧密的衔接，定能达到事半功倍的效果。为此，笔者在总结自己多年计算机组成原理教学经验并借鉴国内兄弟院校相关课程实践教学方案的基础上，给出一种计算机组成原理课程的实验教学方案，内容如表1 所示。

表1 计算机组成原理实验内容

鉴于前文对目前已有的各种计算机组成原理实验教学方法的分析，因基于FPGA 开展实验教学具有的诸多优点，表1 中实验的开展均在基于FPGA的实验开发平台上进行。表中的实验覆盖了计算机主机即CPU+ 主存的所有组成部分，实验类型包括验证型、设计型和综合型几种不同类型，其中前三个实验较为基础，学生通过这三个实验熟悉实验环境并掌握计算机基本功能单元的设计方法，继而通过后两个实验实现更复杂的流水CPU 和基本模型机设计，从而以由浅入深、循序渐进的方式使学生的实践和设计能力得到不断的提升。另外，基于FPGA的实验方式可以让学生有较大的发挥空间，比如流水CPU 设计实验中，学生可以根据自己的能力，设计具有不同数量过程段的CPU，从而有利于激发学生的创造力，不断提高实验的复杂程度，进而培养学生解决复杂工程问题的能力。

（二） 扩展计算机组成原理实验教学方案构建贯穿式的实践教学体系

基于FPGA 实验平台开展计算机组成原理实验教学的优势是较为明显的，如果能够将计算机组成原理实验与其主要先修及后续课程的实验结合起来，形成如表2 所示的贯穿式的实验教学体系，则将更有利于对学生进行系统性的能力培养。

表2 基于FPGA 的计科专业贯穿式实践教学体系

因基于FPGA 的设计需要使用Verilog HDL 等硬件描述语言，而计算机组成原理实验课时有限，所以建议将HDL 的学习前移到数字逻辑与数字系统实验中，结合如触发器、译码器、全加器等基本逻辑电路的学习，熟练应用HDL 进行逻辑设计，为计算机组成原理的学习打下基础。当在计算机组成原理课程中学习了计算机各组成部分的逻辑设计方法之后，则可以在计算机组成原理课程实践中将目前我国处理器芯片领域广泛采用的RISC-V 架构CPU核引入到模型机设计中，让学生的学习更加接近工程实际，为将来的工作打下坚实的基础。后期的接口技术实验则围绕之前设计的模型机扩展各种外围接口电路来进行完整的计算机硬件子系统设计。操作系统实验的开展则可以围绕此前设计的计算机硬件子系统，开发一个可以安装运行在该硬件子系统上的操作系统内核及相应的接口驱动程序，编译原理实验则可继续设计一个运行在已经完成的软、硬件平台上的编译器，为已有的计算机系统开发一种高级程序设计语言。在教学中，基于RISC-V 架构的CPU 核、相应的操作系统内核及编译器都有开源的资料可以用于教学[8]，教师可以结合已有的开源设计讲解软硬件系统的设计原理，然后指导学生进行系统移植和后期开发。在这样的教学方案指引下，学生在完成专业课程学习的同时也就开展了完整的计算机硬件、软件系统的开发过程，课程间内容的有机结合能够使学生清楚地认识到课程间的联系，帮助他们建立起完整的专业知识体系，从而实现专业培养目标，使学生最终具备解决复杂工程问题的能力。

四 结语

工程教育质量认证对工科专业人才的实践能力和解决复杂工程问题的能力提出了更高的要求，为达到这些要求，我校计科专业对课程体系进行了整体的设计，其中在实践教学环节的设计中，在硬件及系统教学方面，则以计算机组成原理这一核心专业基础课程的实验教学为中心，将其先修与后续课程的实验教学有机地联系在一起，形成一个贯穿式的实验教学体系。目前，这一教学方案正在教学中有序推进，学生在实践课程中表现出来的积极性明显增强，专业教师将按照工程教育认证持续改进的教育思想不断改进和完善教学方法和内容，专业的人才培养质量定会得到不断的提高。