《计算机组成与系统结构》实践环节教学探索|计算机系统结构

时间：2019-04-15 03:25:42　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　摘要：《计算机组成与系统结构》是计算机大类本科专业教学中一门非常重要的专业基础课程。它涵盖了计算机内部逻辑结构，系统工作原理，以及软硬件的划分和界面。在当前物联网技术深入发展、嵌入式系统应用更加广泛的背景下，深入理解计算机的软硬件系统，并与工程实际相结合，为将来的嵌入式计算系统的软硬件开发奠定基础显得更加重要。本文分析了江南大学《计算机组成与系统结构》课程的实践环节教学的现状，探讨了与企业建立联合实验室培养学生动手实践能力的应对方案。
　　关键词：江南大学《计算机组成与系统结构》实践教学实践现状应对方案
　　一、引言
　　当前，随着物联网技术和产业的持续发展，嵌入式技术已成为信息产业中发展最快、应用最广的计算机技术之一，被广泛应用于网络通信、消费电子、医疗电子、工业控制和交通系统等领域。资料显示，在2009年中国软件业收入的9513亿元中，嵌入式占了将近20%，而且每年都以近40%的速度增长。嵌入式系统是以应用为中心的软硬件混成专用计算机系统，需要设计人员统筹考虑软硬件设计，以最大限度地适应应用系统对功能、成本、体积、功耗、可靠性等方面的要求。传统的软件、硬件分别进行的设计方法难以满足嵌入式系统的设计需求，而需要设计人员进行软硬件的综合考虑和协同设计。
　　然而和上述趋势对应的是，目前计算机类本科专业软件方面的教学和实践都实施得较好。学生除了课堂学习外，还可以利用学校和自己的计算机充分进行软件编程的实践和训练。而且软件类课程C语言、数据库、网络等相对直观和容易理解，容易入门。但对于硬件类的课程尤其是计算机组成与系统结构，学生普遍反映内容较为抽象，如果没有适合的实践环节将课堂概念和实际工程联系起来，学习效果将难以得到保障。因此，探索适合计算机组成与系统结构的实践教学工具、教学方法和配套机制，加强学生理论学习和实践环节的联系，建立形象直观、便于理解的学习途径至关重要。本文重点讨论江南大学计算机组成与系统结构的实践教学实施现状，在此基础上提出改进方向，为增强计算机组成与系统结构的教学效果作有益探讨。
　　二、《计算机组成与系统结构》实践教学现状分析
　　当前国内计算机类本科专业硬件主干课程设置有两种模式：一种是数字逻辑与数字系统（技术基础课）→计算机组成原理（专业基础课）→计算机体系结构（专业课）。大多数重点院校采用这种模式。另一种是数字逻辑与数字系统（技术基础课）→计算机组成与体系结构（专业基础课）。江南大学及国内其他许多本科高等学校采用第二种课程设置模式。
　　《计算机组成与系统结构》课程综合了《计算机组成原理》和《计算机体系结构》两门课程的要求，要求学生掌握计算机系统各个部件的组成原理，最终从系统、整机的角度理解计算机的结构与组成，是计算机类本科专业的专业基础课程，以及计算机硬件与结构方向非常重要的一门课程。这门课程的建设与教学质量直接关系到人才培养中计算机硬件与结构方向教育的成效。尤其是在当前嵌入式系统日益流行，软硬件一体化设计需求不断扩大的背景下，计算机组成与系统结构课程能否达到预期效果显得更为重要。
　　目前在教学实施过程中，学生普遍反映该门课程内容较为抽象，难以和一个具体的可见的系统相联系理解整个的运行过程，学习效果欠佳，依然停留在为应付考试的习题练习为主的方式上，通过课程的学习无法锻炼搭建完整电路系统的能力。这些问题急需通过实践环节有针对性地解决。
　　传统的计算机组成原理采用的实验设备是在开放的电路板上用插线的方式搭建逻辑，学生通过将对应的引脚互联起来构成特定的数据通路。这种方法无需编写程序，可以直观地显示计算机内部结构和运行情况，但对学生的影响仅仅停留在实验室阶段，不能和企业的实际开发相结合，没有更多的实用价值。
　　随着硬件可重构技术的发展，越来越多的计算机组成原理实验课采用了基于FPGA的实验装置。基于FPGA的优点在于学生可以通过自己的逻辑设计得到专用芯片，并通过实验板上的I/O观察芯片的运行情况，更接近实际CPU的运行状态。目前，根据不同学校学生能力的强弱，基于FPGA的组成原理实验采用了两种不同的输入方式。
　　一种是基于原理图的设计方式。学生通过连接原理图的方式，构成自己想要的逻辑电路。将该电路下载到FPGA芯片后构成特定的芯片，通过实验板上的I/O观察芯片内部的运行情况。这种方式的优点是直观、易于理解。缺点是随着系统变得更加复杂，原理图输入的方式耗费时间太长，连线也容易出错，不太可能用于搭建复杂的系统。
　　另一种是基于硬件描述语言VHDL/Verilog的设计方式。优点是可以利用现有的资源搭建较为复杂的系统，甚至多级流水线的CPU，可以极大地提高学生的硬件设计能力。缺点是对学生的要求比较高，需要有硬件描述语言的基础。
　　三、《计算机组成与系统结构》实践教学工具的选择
　　通过上述分析，可以看出基于硬件描述语言和FPGA的组成原理实验方式由于可与将来的企业实际开发相结合，具有较强的实际意义。学生可以通过VHDL搭建复杂和完整的硬件系统，对于理解计算机组成原理和计算机的运行情况有非常现实的意义。关键问题是，应该如何选择适当的基于FPGA的开发环境和教学方法，以适应不同水平的学生的具体需求。
　　由于现在基于硬件描述语言已有许多公开源代码的资源可以加以利用，因此在进行计算机组成与系统结构教学和实践中，可以围绕某一种有代表性的CPU进行学习和实验。如国内外有一些学校选择以MIPS处理器作为教学和实验的对象。学生可以根据自己的掌握程度借鉴或自己设计某个模块，最终形成完整的CPU。同时还可以在此基础上通过汇编程序进行系统结构的实验。通过这样的方式，学生可以将课堂讲解的内容完全与实际的CPU系统关联起来，从而为将来的硬件系统设计奠定良好的基础。而且由于所选用的开发语言和环境都和企业实际使用的一样，可以缩短将来的工作中的学习时间。
　　四、《计算机组成与系统结构》实践教学机制探讨
　　选定了适当的实践语言和工具之后，还要有适合的配套管理和运作机制才能保证实践教学的效果。现在传统的实验室都是学校购买设备后由实验室人员管理和维护，并配合任课老师在上课时间为学生提供实践教学服务。由于实验设备数和上课时间有限，学生并不能完全完成和理解实验内容。因此，我认为可以采取多种方法改善这一状况。
　　1.Xilinx/Altera等FPGA提供商建立联合实验室，随时可获得提供商提供的一些最新资料和技术服务，同时确保实验室可以在课外对学生开放，可以借鉴以往机房的管理方式，让感兴趣的学生付费使用设备。
　　2.为学生配备或鼓励学生购买低价FPGA设备，将实验室带回宿舍，随时可以进行FPGA系统的开发和调试。
　　3.企业建立培训协议，抽出整段时间送学生到专门的FPGA企业进行集中强化训练，积累实际项目经验。
　　将上述几种方法相结合，可以使计算机系统设计课程的学习效果达到现在软件开发的学习效果，为嵌入式系统软硬件的开发培养合格的人才。
　　五、结语
　　本文分析了江南大学《计算机组成与系统结构》课程的实践环节教学的现状和存在的一些具体困难，并从几个方面提出了应对方案。当然，这些方法依赖于计算机组成与系统结构考核方式的相应改变。只有在教学内容、实践形式和方法、体制和具体实施等多方面协调一致，整体推动，才能取得预期的结果。
　　参考文献：
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