结合EDA技术的“计算机组成原理”教学实践改革

摘要：本文对目前的计算机组成原理课程在计算机专业教学实践中的现状进行了分析，提出将目前的EDA技术融合到计算机组成原理的教学与实践中，极大培养了学生的自主创新能力，为学生的计算机专业素质提高提供一个很好的平台。

关键词：教学实践；EDA技术；自主创新

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1672-5913 (2007) 22-0104-02

1计算机组成原理课程现状

“计算机组成原理”是计算机科学与技术专业本科教学阶段的一门核心专业基础课程。其先修课有电子技术基础，其后继课程有微机原理与汇编语言，计算机系统结构，操作系统，计算机网络等。本课程起着承上启下的重要作用，通过本课程的学习，使学生掌握计算机单机系统硬件各部分的基本组成原理和工作机制以及相关的基本理论，建立起计算机系统的整机概念，为提高学生在硬件方面的专业素质和以学习能力为代表的发展潜力，为其后续专业课程的学习和将来的科研工作奠定坚实的基础。

但是以前的教学实践中在CPU硬件设计这一重要内容方面存在严重不足。CPU、DSP处理器乃至计算机系统的设计技术及相关课程随着新技术的发展应该成为计算机科学与技术专业中重要的组成部分，计算机专业对于软硬件综合设计人才的培养是责无旁贷的，也是本专业的特色与亮点。作为计算机专业的人员，如果只会使用计算机而不会设计CPU和计算机，那么和其它专业比较就没有优势，不符合计算机专业的办学宗旨而缺失市场竞争性。调研表明，国内大多高校仅将“计算机组成原理”定位为“计算机科学导论”和计算机模型认知的层面上；而在实验与实践方面，“计算机组成原理”的实验则主要是在一些由分离元件构成的实验平台上，完成简单模型CPU的验证性实验，基本谈不上设计。这显然难以满足教育部在《关于加强高等学校本科教学工作,提高教学质量的若干意见》中关于“高等学校要重视本科教学的实验环节,保证实验课的开出率达到本科教学合格评估标准,并开出一批新的综合性、设计性实验”的要求。

随着科学技术的发展，核心技术已经愈来愈集中在集成电路芯片和软件这两项之中，其中CPU和OS设计技术是最核心的两项技术。特别是高性能计算机技术一直是衡量国家实力的一个重要标志。美国、日本和西欧等国都作为一种国家行为，不断加大这方面的资助力度。美国的许多高校本科计算机专业中也都安排了CPU设计方面的课程和实验内容，例如麻省理工学院的一门相关课程是“计算机系统设计”。学生在实验课中，须自主完成(即自行设计)ALU、单指令周期CPU、多指令周期CPU，乃至实现流水线32位MIPS CPU和Cache的设计。斯坦福大学计算机系的本科生也有相似的课程和实验，即“计算机组成与设计”课，实验要求学生以各自独立的形式，用VHDL语言自主实现CPU、VGA显示控制模块等接口，并最后实现于FPGA中，及完成软硬件调试。此外，如加利福里亚大学和Berkeley等学校在基于FPGA的超级计算机研制方面都实现了大量成果。因此我们有必要向国外的先进教学实践学习，将EDA技术融合到“计算机组成原理”的教学实践中。

2计算机专业人才培养的需要

计算机学科领域中人才的培养是自主创新能力的培养，其目标应该是拥有自主知识产权计算机部件或系统设计技术及创新设计能力的人才的培养，这就要求包含“自主”这一重要因素。但是“创新”未必具备“自主”。例如，某项计算机软件的设计完成；某嵌入式系统控制软件的开发成功等，都可能包含一些前人未曾有过的创新，甚至可以有自己的知识产权。但它们不是拥有完全自主知识产权的项目，这是因为它们都是基于某一CPU平台上的软件开发，离开了CPU，这些软件中的所有创新价值都归于0，因为CPU是别人的。这就是说，创新能力的培养决不能脱离自主创造设计能力的培养，没有了自主的创新便不是真正的创新。

通过以上的讨论不难发现，在计算机技术的教学中，“计算机组成原理”课程中必须加入代表现代技术发展的EDA技术相关教学内容和合理的实验设计才能够承担起培养学生自主创新能力，即原始性创新能力培养的重任。

3课程改革目标的探讨

基于以上问题的考虑，在教学中应采用基于VHDL的EDA技术中实现CPU和计算机系统的设计理论和设计技术。诸如基于微程序控制模式的8位CISC模型CPU设计，基于状态机控制模式的16位CISC CPU设计，MCS51单片机系列兼容型单片机软核系统设计，基于流水线技术的16位RISC CPU设计，以及基于SOPC技术的软核嵌入式系统软硬件设计等等。其所有的实践设计和示例都应采用与国际接轨技术，目标如下。

3.1与国际接轨

教程中的多数内容应是能与发达国家许多高校计算机本科相关教学内容和实验模式相吻合的，使我们的学生也有可能象国外学生将自己设计的芯片拿去面试，带上自己的设计芯片、系统设计HDL程序、整机网表文件和时序仿真结果去应聘，其效果比普通的成绩单更能说明学生的创新和设计能力。

3.2包含基于EDA的符合现代工程设计技术的CPU设计

首先，在原有的“计算机组成原理”课中增加理论向工程实际转化的符合现代计算机系统工程设计规范的硬件设计内容。这在传统的实验模式中往往不是这样，因为在传统的实验模式中虽也有“设计”内容，但主要是根据不同实验系统各自规定的方法，用既定的分离元件(也有包括部分可编程器件)和接口器件进行拼装搭接而成，学生无法从这样的“设计”过程中了解真实的现代实用CPU基本设计技术。

其次，使学生在了解计算机组成原理和软件设计技术的同时，达到学会计算机硬件设计技术。计算机的软硬件设计技能是一个合格的计算机专业学生本应具备的基本知识，离开了硬件设计，自主创新能力的培养便无从谈起。从而使以前不少计算机专业学生存在“重软轻硬”，“欺软怕硬”，甚至“只软不硬”的现象，学生们只将注意力和兴趣集中在各种编程环境、开发工具、数据库、计算机网络的集成技术上面，对于硬件技术的学习和应用研究不感兴趣或忘而生畏的问题得到根本解决。

3.3创造能力的培养

从创造能力培养的角度看，软件设计人员只须拥有逻辑上的单向一维思维能力就能保证软件设计的成功，即过量单纯的软件设计，不断强化设计者纯逻辑性思维和收敛性思维。显然，这与培养植根于多维多向的发散性思维方式和非逻辑思维方式的创造能力是相违背的。因此，多数纯软件设计训练只能归类为技能性和知识性训练。

而硬件系统设计则不同。首先，硬件系统可以有许多相关或互为独立的模块组成，相关模块的关系可以是同步，也可以是异步。其次，硬件系统设计本身并不能离开软件设计，因此硬件系统的构建是一个软硬综合的并发系统，设计和把握它自然必须拥有并发和多维的思想方法。例如在时序问题和竞争冒险问题的解决上有时还可能用上非逻辑思维方法。而VHDL正是描述和设计硬件系统的计算机语言，它的语句都是并发的，甚至包括进程中的顺序语句。基于EDA技术和VHDL的计算机设计训练无疑十分有利于强化发散性思维和自主创新能力的培养。

4教学实践总结

通过对本届63位学生教学实践的探索，我们发现结合了EDA技术的计算机组成原理的教学极大的提高了学生的学习积极性，90％以上的学生通过学习对计算机设计有了清楚的认识，解决了以前不少计算机专业学生存在“重软轻硬”，“欺软怕硬”，甚至“只软不硬”的现象，极大培养了学生的自主创新能力，得到很好的应用效果。

参考文献

[1] 白中英． 计算机组成原理(第三版)[M]． 北京：科学出版社,2001．

[2] 唐朔飞． 计算机组成原理[M]． 北京：高等教育出版社,2000．

[3] 中国计算机科学与技术学科教程2002研究组．中国计算机科学与技术学科教程2002[M]． 北京：清华大学出版社,2002．

作者简介：肖朝晖(1970-)，男，汉，湖南衡阳人，重庆工学院计算机学院副教授。主要研究方向为软件无线电及计算机应用。

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