強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)綜合觀，鼓勵創(chuàng)新精神

當(dāng)前，由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用的不斷普及，高校很多專業(yè)都從各自應(yīng)用的角度出發(fā)開設(shè)了計(jì)算機(jī)技術(shù)類尤其是計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)類課程。另一方面，隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，我們又急需大量具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析能力和應(yīng)用開發(fā)能力的高級嵌入式開發(fā)人才，計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科教育應(yīng)該主動適應(yīng)這種情況。經(jīng)過廣泛調(diào)研和長期教學(xué)、科研實(shí)踐，我們認(rèn)為計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教育的目標(biāo)應(yīng)該是“面向系統(tǒng)，兼顧應(yīng)用，加強(qiáng)實(shí)踐，鼓勵創(chuàng)新”。

根據(jù)這一目標(biāo)，我校從2003年開始在本科高年級學(xué)生中開設(shè)了“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”的實(shí)踐課程。該課程縱向上融合了學(xué)生四年所學(xué)的大部分課程知識，橫向上包括了硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動控制、電子技術(shù)等多門學(xué)科內(nèi)容。

1課程設(shè)計(jì)理念

通常計(jì)算機(jī)專業(yè)課程可以分為硬件、軟件、計(jì)算機(jī)理論和應(yīng)用類課程。這些課程雖然涵蓋了計(jì)算機(jī)機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的全部基礎(chǔ)知識，但它們只是相對獨(dú)立地介紹某方面知識，沒有串聯(lián)在一起，學(xué)生缺少從整體的角度認(rèn)識計(jì)算機(jī)科學(xué)的機(jī)會。因此我們需要通過一門實(shí)踐課程，像串珍珠一樣將這些課程的主要知識點(diǎn)串聯(lián)起來，讓學(xué)生在系統(tǒng)層面上認(rèn)識計(jì)算機(jī)。

一般課程中有不少都開設(shè)了課程實(shí)驗(yàn)，能夠幫助學(xué)生很好地理解課程內(nèi)容。如果綜合課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒有上升到一個(gè)新的高度，就會和這些課程的內(nèi)容重復(fù)，不僅浪費(fèi)教學(xué)資源，也會使學(xué)生失去興趣，最終達(dá)不到效果。

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”課程開設(shè)的目的是希望學(xué)生能夠綜合利用四年所學(xué)的有關(guān)知識，通過分組合作，自行完成一個(gè)小的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此我們在整體設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)一個(gè)系統(tǒng)的思想和創(chuàng)新意識。具體地說：

(1)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)軟件與硬件貫穿設(shè)計(jì)的思想

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)軟件與硬件結(jié)合的完整體系，通過大學(xué)本科前三年的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該建立起軟件／硬件關(guān)聯(lián)。根據(jù)這一關(guān)聯(lián)，我們把“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”的目標(biāo)定為：以多人為一組，自行設(shè)計(jì)一個(gè)包含CPU、外圍接口、存儲部件的SOC芯片，并設(shè)計(jì)與之配套的系統(tǒng)軟件和簡單的應(yīng)用程序。這樣整個(gè)設(shè)計(jì)過程就包含了硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件三個(gè)層面。這樣一個(gè)完整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠幫助學(xué)生串聯(lián)所學(xué)的分散知識，深刻理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整個(gè)軟硬件運(yùn)行流程。

(2)初步理解軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)思想

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中很容易將軟件與硬件割裂開來，這主要因?yàn)榇蠖鄶?shù)學(xué)校的硬件和軟件教學(xué)分別在一條線上發(fā)展，很少有課程把這兩條線合起來。如編譯課程在講到代碼優(yōu)化時(shí)，很少談到根據(jù)具體CPU的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的內(nèi)容；在組成原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程談到CPU體系結(jié)構(gòu)的時(shí)候，也很少介紹利用系統(tǒng)軟件彌補(bǔ)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足的內(nèi)容。而“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”正好給學(xué)生提供了一次全面考慮軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的實(shí)踐機(jī)會。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的需要規(guī)劃好軟件和硬件模塊，尤其要綜合考慮設(shè)計(jì)難度、執(zhí)行效率，規(guī)劃好哪些模塊用硬件完成，哪些模塊用軟件完成。比如在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，乘法、除法、浮點(diǎn)運(yùn)算單元究竟用硬件實(shí)現(xiàn)還是用軟件來模擬等。雖然不是所有學(xué)生都能考慮到這樣的設(shè)計(jì)，但硬件軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的思想?yún)s得到了普及，這對培養(yǎng)高級嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員是大有好處的。

(3)鼓勵學(xué)生創(chuàng)新思維

高校學(xué)生客觀上確實(shí)存在能力差別，有些是因?yàn)榛A(chǔ)不同，而有些則是因?yàn)榕d趣不同。所以在設(shè)計(jì)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”課程的時(shí)候，我們做到了尊重個(gè)性，寬容失敗，嘗試了多種教學(xué)模式，努力營造寬松和諧健康向上的創(chuàng)新文化氛圍，收到了非常好的教學(xué)效果：

對于那些基礎(chǔ)好、興趣高大且有志考研的學(xué)生，我們不斷為其提供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的最新資料，鼓勵他們認(rèn)真地實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，學(xué)會用系統(tǒng)科學(xué)的方法研究自己設(shè)計(jì)的性能優(yōu)劣、當(dāng)前主流嵌入式系統(tǒng)的新特點(diǎn)等，使其盡早地適應(yīng)研究型學(xué)習(xí)

對學(xué)有余力但不一定選擇考研的同學(xué)，也在完成規(guī)定任務(wù)的同時(shí)給予他們一定的彈性空間，鼓勵他們勇于探索、敢于冒尖，大膽提出新的思想，在設(shè)計(jì)的某一個(gè)方面進(jìn)行一些新探索。對學(xué)生提出來的創(chuàng)新想法甚至是可能失敗的方案都給予肯定和贊許，并對其中不完善的部分加以積極引導(dǎo)

對學(xué)習(xí)有一定困難的同學(xué)，組織他們從查找資料開始積極思考，對設(shè)計(jì)方案展開討論，引導(dǎo)他們提出問題并考慮解決問題的方法，直到最后獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生從中體會到從耕耘到收獲的成功喜悅，一定程度上激發(fā)他們向更高目標(biāo)追求的欲望

對少數(shù)沒有動手習(xí)慣的學(xué)生來說，這樣的教學(xué)對他們也是一種鞭策，會逐漸提高其緊迫感和競爭意識，促使他們奮起直追，在暫時(shí)的弱勢中獲得前進(jìn)的動力

幾年的實(shí)踐表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情是可以激發(fā)出來的。每年教學(xué)都有優(yōu)秀的實(shí)踐小組實(shí)現(xiàn)流水結(jié)構(gòu)、超標(biāo)量結(jié)構(gòu)CPU，嘗試寫C語言的編譯器，而其他大多數(shù)組都會在某一個(gè)或幾個(gè)模塊上去做創(chuàng)新優(yōu)化。

2課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)因材施教的原則，我們將課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容分為基本要求和較高要求，學(xué)生只要滿足基本要求就可以通過，而要得到好成績，則需要滿足部分較高要求。

課程設(shè)計(jì)內(nèi)容的基本要求是完成一個(gè)簡單SoC系統(tǒng)，并為其配備相應(yīng)的軟件。

(1)硬件部分設(shè)計(jì)一個(gè)可運(yùn)行指定的31條MIPS指令的RISC型MiniSys微處理器，具有32位指令，32位地址線和32位數(shù)據(jù)線

處理器采用哈佛結(jié)構(gòu)，有獨(dú)立的4KB指令存儲器和4KB數(shù)據(jù)存儲器

具有2個(gè)中斷源入口，兩級中斷優(yōu)先級

具有2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器具有一個(gè)4×4鍵盤控制器和4位7段LED控制器

具有一個(gè)簡單UART串行通信控制器

具有一個(gè)PWM控制器

具有看門狗功能

(2)軟件部分

含有編輯功能的MiniSys匯編程序

含有基本輸入輸出系統(tǒng)BIOS

含有硬件各部件測試程序

含有一個(gè)應(yīng)用程序范例

較高要求沒有專門的指標(biāo)，只是提出一些可能的建議，由學(xué)生選擇或自己設(shè)計(jì)高要求的目標(biāo)，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。通常的建議有：

添加一個(gè)中斷控制器，擴(kuò)展多個(gè)中斷源

在CPU中增加異常處理功能(如跳轉(zhuǎn)地址錯(cuò)，棧溢出等)

采用多周期、流水線等技術(shù)設(shè)計(jì)CPU

可以參考單片機(jī)、嵌入式芯片的最新發(fā)展的資料，增加其他使用接口部件

考慮編寫一個(gè)MiniC編譯程序

考慮用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)乘法、除法或浮點(diǎn)運(yùn)算模塊

……

3課程教學(xué)實(shí)施

為了給學(xué)生提供益于創(chuàng)新實(shí)踐的環(huán)境，我們在課程準(zhǔn)備中依據(jù)兩個(gè)原則：第一，圍繞相關(guān)的理論和專業(yè)知識安排20時(shí)數(shù)的課內(nèi)教學(xué)；第二，為該實(shí)踐課程建立開放式實(shí)踐環(huán)境，不定硬框框，給學(xué)生留有發(fā)揮空間，建立創(chuàng)新設(shè)計(jì)的軟硬件環(huán)境。

在具體實(shí)施過程中，我們將全體學(xué)生分成5-6人一組，采用組長負(fù)責(zé)制，利用項(xiàng)目開發(fā)的方法進(jìn)行管理。制定了“四個(gè)開放”的總目標(biāo)，即開放的實(shí)踐環(huán)境、開放的設(shè)計(jì)方法、開放的目標(biāo)要求和開放的評價(jià)體系。提出了“四個(gè)不限定”的思路，即不限定學(xué)生設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)、不限定學(xué)生具體實(shí)施設(shè)計(jì)的步驟、不限定最終的目標(biāo)與驗(yàn)證方法、不限定學(xué)生實(shí)施自己設(shè)計(jì)的時(shí)間和地點(diǎn)。鼓勵學(xué)生自主設(shè)計(jì)，積極創(chuàng)新，給學(xué)生充分的自我發(fā)揮空間。教師全程跟蹤實(shí)驗(yàn)過程，及時(shí)了解學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中遇到的問題，進(jìn)行啟發(fā)式指導(dǎo)，并及時(shí)對學(xué)生的設(shè)計(jì)提出適當(dāng)?shù)脑u價(jià)和改進(jìn)建議。

學(xué)生設(shè)計(jì)結(jié)束后，首先要給自己一個(gè)性能的估計(jì)和分析，在驗(yàn)收會上由小組推薦成員陳述本組的設(shè)計(jì)，宣傳本組特色。最后由教師針對學(xué)生設(shè)計(jì)的性能、體系結(jié)構(gòu)合理性、可擴(kuò)展性和其他模塊配合等進(jìn)行驗(yàn)收并給出合理的評價(jià)。這種評價(jià)必須是從系統(tǒng)的角度去分析，而且是客觀的和有建設(shè)性的。

實(shí)踐課程完成后，安排一次總結(jié)課，主要內(nèi)容是對學(xué)生的設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合評價(jià)，讓學(xué)生在比較中對自己的系統(tǒng)進(jìn)行再一次分析。這種分析往往能讓學(xué)生在處理問題的時(shí)候?qū)W會更全面的分析方法，并激發(fā)他們進(jìn)一步提高自己。

4課程設(shè)計(jì)成果與進(jìn)一步發(fā)展的思考

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”課程開設(shè)了5年，經(jīng)過我們的不斷完善，該課程已日趨成熟，獲得了同行與學(xué)生的贊許。本學(xué)院一位老師評價(jià)說：“該課程的改革力度大，取得了比較好的效果。主要表現(xiàn)在這幾年學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段表現(xiàn)出了比較強(qiáng)的獨(dú)立設(shè)計(jì)能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力和全局考慮問題的綜合分析和應(yīng)用知識的能力?！绷硪晃焕蠋熢u價(jià)說：“我感覺到，通過這門實(shí)踐課程的鍛煉，學(xué)生在做操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，能夠較好地從系統(tǒng)角度全面分析問題，較好地綜合運(yùn)用軟件和硬件課程所學(xué)到的知識解決實(shí)際問題，在實(shí)踐中也表現(xiàn)出了較強(qiáng)的創(chuàng)新意識?！痹撜n程在建設(shè)過程中共發(fā)表教學(xué)論文5篇，教材編寫也被列入國家“十一五”規(guī)劃教材編寫計(jì)劃。這幾年，國內(nèi)多所兄弟院校的同行來我校交流教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，課程建設(shè)在江蘇省體系結(jié)構(gòu)會議和全國計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)研討會上都得到了同行的認(rèn)可。

在課程建設(shè)過程中，我們感覺到有些地方可以改進(jìn)。首先，該課程要和先期課程硬件實(shí)驗(yàn)、編譯、操作系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)逐漸結(jié)合，將這些課程的設(shè)計(jì)延伸到系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)中。其次，該課程的后續(xù)就是畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可以將該課程延伸到畢業(yè)設(shè)計(jì)中，激勵學(xué)生設(shè)計(jì)出更加完善的系統(tǒng)。第三，將該綜合設(shè)計(jì)課程做到本碩貫通，對嵌入式與體系結(jié)構(gòu)方向碩士生的設(shè)計(jì)要求與其研究方向相結(jié)合，使他們盡早學(xué)會資料的收集和消化，為后續(xù)研究做好鋪墊。

5總結(jié)

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”課程借助SoC設(shè)計(jì)思想，借鑒加州大學(xué)伯克利分校的經(jīng)驗(yàn)，將計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)綜合到一起，強(qiáng)化了學(xué)生從系統(tǒng)角度分析問題和綜合運(yùn)用能力，符合計(jì)算機(jī)學(xué)科本科生“面向系統(tǒng)，兼顧應(yīng)用”的培養(yǎng)目標(biāo)。

該課程的實(shí)施和評價(jià)體系借鑒IT行業(yè)項(xiàng)目開發(fā)和驗(yàn)收的模式，采用組長負(fù)責(zé)制，利用項(xiàng)目開發(fā)的方法進(jìn)行管理。驗(yàn)收過程不僅展示課程設(shè)計(jì)的成果，還通過每個(gè)學(xué)生對自己設(shè)計(jì)的介紹，給學(xué)生提供了一個(gè)展示才華的舞臺，為學(xué)生走上工作崗位后很快適應(yīng)新環(huán)境奠定了良好的基礎(chǔ)。