基于ＥＤＡ技術(shù)的計算機(jī)硬件體系實(shí)踐教學(xué)探索

摘要：針對計算機(jī)硬件體系實(shí)驗教學(xué)面臨的主要問題，我院提出了將EDA技術(shù)的應(yīng)用貫穿于計算機(jī)專業(yè)硬件實(shí)驗教學(xué)體系的觀點(diǎn)。本文論述了基于EDA技術(shù)的實(shí)驗教學(xué)體系的構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)這一體系的措施。

關(guān)鍵詞：EDA技術(shù)；計算機(jī)專業(yè)；硬件體系；實(shí)驗教學(xué)

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1計算機(jī)硬件類實(shí)驗教學(xué)面臨的問題

計算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步與發(fā)展，若計算機(jī)硬件類實(shí)驗教學(xué)仍采用傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)模式和傳統(tǒng)的實(shí)驗平臺，開設(shè)自主性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗就面臨一些問題和困難。

1.1硬件設(shè)備投入高，硬件項目開發(fā)周期長

硬件實(shí)驗平臺的建設(shè)需要大量的資金投入，而且硬件類實(shí)驗消耗很大，需要持續(xù)的資金投入做保障。此外，硬件課程建設(shè)周期也較長，硬件實(shí)驗項目開發(fā)也非一蹴而就，實(shí)驗教師需要完備的理論知識和扎實(shí)的電子學(xué)知識，而且需要反復(fù)的實(shí)驗和長期的實(shí)踐，才能自如的設(shè)計實(shí)現(xiàn)，這一過程比掌握一門計算機(jī)語言或一種計算機(jī)軟件開發(fā)工具要難得多和慢得多。實(shí)驗設(shè)備的更新速度及實(shí)驗項目長周期開發(fā)難以滿足新技術(shù)、新方法的更新步伐。

1.2教學(xué)實(shí)驗臺的設(shè)計針對性強(qiáng)，硬件線路相對固定，實(shí)驗內(nèi)容受硬件設(shè)計的制約

很多教學(xué)實(shí)驗臺的設(shè)計針對性強(qiáng)，是針對某門課程而開發(fā)設(shè)計的，硬件線路部分相對固定，其擴(kuò)展性很有局限，更新實(shí)驗內(nèi)容受硬件設(shè)計的制約。硬件實(shí)驗設(shè)備的高投入和實(shí)驗器件的大消耗，在沒有足夠資金投入的情況下，在現(xiàn)有硬件設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗內(nèi)容的更新，開設(shè)自主性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗難以實(shí)現(xiàn)。

1.3硬件實(shí)驗教學(xué)彼此脫節(jié)，缺乏系統(tǒng)化的實(shí)驗體系

計算機(jī)專業(yè)硬件類課程必修課程一般包括數(shù)字邏輯、計算機(jī)組成原理、計算機(jī)接口與通信技術(shù)、計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，選修課程一般包括單片機(jī)原理及應(yīng)用、數(shù)據(jù)采集、計算機(jī)控制技術(shù)等。這些課程之間彼此存在內(nèi)在的聯(lián)系，學(xué)生通過這些課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)當(dāng)能逐步建立起整個計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的概念，掌握計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)，掌握計算機(jī)的控制應(yīng)用。但在具體課程和實(shí)驗安排中，卻往往忽略并割裂了這種內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)驗內(nèi)容沒有從模塊化、系統(tǒng)化的角度整體考慮計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計和控制應(yīng)用的要求。因此，分析這些課程之間的內(nèi)在聯(lián)系，設(shè)計階段性、模塊化、系統(tǒng)化的實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容，建立計算機(jī)硬件實(shí)驗教學(xué)體系，對于培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計能力和應(yīng)用設(shè)計能力十分重要和必要。

2構(gòu)建基于EDA技術(shù)的計算機(jī)硬件實(shí)驗教學(xué)體系

EDA技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及可編程邏輯器件PLD的出現(xiàn)及不斷推舊出新，為解決上述矛盾提供了一個良好的契機(jī)。EDA技術(shù)不僅是一種先進(jìn)的硬件設(shè)計技術(shù)，而且將在計算機(jī)專業(yè)的硬件體系實(shí)驗教學(xué)中發(fā)揮其重要作用。采用EDA技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化，其實(shí)以軟件實(shí)驗替代硬件實(shí)驗的方法也將是計算機(jī)硬件設(shè)計技術(shù)的發(fā)展方向，在美國一些著名大學(xué)的計算機(jī)硬件實(shí)驗室，包括計算機(jī)組成原理實(shí)驗早已不用那種傳統(tǒng)接插式箱式實(shí)驗臺，采用EDA技術(shù)進(jìn)行硬件實(shí)驗，通過可編程邏輯器件進(jìn)行修改和重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)編程和硬件邏輯設(shè)計的軟件化，設(shè)計方法較靈活。由于所有的實(shí)驗都在計算機(jī)上利用軟件來完成，不需連接導(dǎo)線，修改測試極為方便，可大大提高實(shí)驗效率。與通常的實(shí)驗手段相比，“軟件化”實(shí)驗無器件損耗，可節(jié)省實(shí)驗經(jīng)費(fèi)，并減輕實(shí)驗管理人員的維護(hù)工作量。采用EDA技術(shù)將為學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗、綜合實(shí)驗和創(chuàng)新實(shí)驗提供廣闊的發(fā)展空間的同時，全面提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)硬件設(shè)計的興趣。因此，構(gòu)建EDA技術(shù)貫穿于計算機(jī)硬件實(shí)驗教學(xué)體系十分必要。

2.1研究計算機(jī)專業(yè)硬件類課程之間的關(guān)系，設(shè)計遞進(jìn)層次的實(shí)驗結(jié)構(gòu)

要合理設(shè)置計算機(jī)實(shí)驗課的結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)調(diào)計算機(jī)實(shí)驗課之間的邏輯順序的同時，注意知識內(nèi)容的相互銜接，上下呼應(yīng)，以保證學(xué)生知識的增長、學(xué)生能力的發(fā)展和社會需求三者之間的統(tǒng)一。建立基于EDA技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)計、綜合設(shè)計、應(yīng)用研究設(shè)計三個遞進(jìn)層次的實(shí)驗結(jié)構(gòu)。

基礎(chǔ)設(shè)計：主要掌握基本技能、基本方法的運(yùn)用，加深對理論知識理解。例如，數(shù)字邏輯實(shí)驗課程中組合邏輯和時序邏輯電路的設(shè)計，計算機(jī)組成原理實(shí)驗課程中功能部件的設(shè)計，計算機(jī)接口實(shí)驗課程中I/O接口部件的設(shè)計，學(xué)生用EDA軟件原理圖和硬件描述語言的方法在設(shè)計或描述這些功能時，必須清楚部件的結(jié)構(gòu)與性能，充分理解理論知識。以基礎(chǔ)設(shè)計實(shí)驗替代驗證性實(shí)驗不僅讓學(xué)生掌握基本技能和方法，更能透徹理解理論知識。

綜合設(shè)計：綜合所學(xué)的知識，應(yīng)用現(xiàn)代化的設(shè)計思想，設(shè)計計算機(jī)的硬件系統(tǒng)。如將計算機(jī)組成原理、計算機(jī)接口技術(shù)與計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗課程結(jié)合，學(xué)生用硬件描述語言完成中斷控制器、總線控制器的設(shè)計，及RISC、CISC的CPU優(yōu)化設(shè)計。綜合設(shè)計實(shí)驗可以在單科單個實(shí)驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將計算機(jī)硬件課程的實(shí)驗內(nèi)容打通，建立統(tǒng)一的平臺，完成多科目的綜合應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的計算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計，達(dá)到對整個計算機(jī)硬件知識的融會貫通。

應(yīng)用研究設(shè)計：進(jìn)行軟、硬件綜合設(shè)計，能夠根據(jù)需要設(shè)計出一定規(guī)模的計算機(jī)硬件應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)例，此時的計算機(jī)硬件實(shí)驗就不僅僅是單個或綜合的實(shí)驗教學(xué)了，而是一個總的計算機(jī)硬件應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計項目或軟、硬件綜合設(shè)計。學(xué)生以接近于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，完成高質(zhì)量綜合設(shè)計為訓(xùn)練手段，使學(xué)生建立系統(tǒng)的概念與工程的概念。如基于SOPC的嵌入式設(shè)計項目，以掌握計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計作為主要訓(xùn)練目的，使學(xué)生對計算機(jī)的整個硬件系統(tǒng)、軟件環(huán)境有較全面、較系統(tǒng)的掌握，才能完成設(shè)計任務(wù)。

2.2以EDA技術(shù)為紐帶構(gòu)建階段性、層次化的實(shí)驗教學(xué)體系

仔細(xì)研究計算機(jī)專業(yè)硬件類課程之間的關(guān)系，構(gòu)建階段性、層次化、系統(tǒng)化的實(shí)驗體系。EDA技術(shù)好比紐帶，將那些分散的計算機(jī)專業(yè)硬件類課程有機(jī)地連接起來。具體可構(gòu)建如下幾個層次的實(shí)驗:

(1) 數(shù)字邏輯層次實(shí)驗

完成常用組合邏輯和時序邏輯電路的設(shè)計，以及具有一定實(shí)用功能的邏輯系統(tǒng)的實(shí)驗。通過這些實(shí)驗使學(xué)生熟悉EDA設(shè)計的的全過程。

(2) 計算機(jī)組成原理層次實(shí)驗

主要完成運(yùn)算器、存儲器、CPU等大規(guī)模器件的設(shè)計，通過計算機(jī)的功能部件或整個計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)過程，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

(3) 計算機(jī)接口與通信技術(shù)層次實(shí)驗

完成計算機(jī)I/O接口部件的設(shè)計，側(cè)重于硬件邏輯實(shí)現(xiàn)，如定時/計數(shù)器、中斷控制器、DMA 控制器、并行接口、串行接口和VGA顯示器的控制電路等。

(4) 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)層次實(shí)驗

完成諸如RISC、CISC和總線控制器等的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)的各種組成部件或整機(jī)系統(tǒng)，追求結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和性能的提高，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行性能分析和測試的能力。

(5) 嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)層次

主要完成嵌入式系統(tǒng)的硬件、軟件的設(shè)計和軟硬件綜合設(shè)計、多機(jī)容錯系統(tǒng)設(shè)計、多機(jī)并行算法設(shè)計等，使學(xué)生能熟練進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)和運(yùn)用嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和管理，最終設(shè)計出一個完整的嵌入式系統(tǒng)。

3實(shí)現(xiàn)基于EDA技術(shù)的計算機(jī)硬件實(shí)驗體系的措施

3.1增設(shè)EDA技術(shù)課程是當(dāng)務(wù)之急

EDA技術(shù)課程以應(yīng)用為主，主要介紹當(dāng)前可編程邏輯器件PLD設(shè)計的主導(dǎo)思想和設(shè)計方法，以及PLD的體系結(jié)構(gòu)、硬件描述語言HDL、EDA開發(fā)工具和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法。實(shí)驗教學(xué)是EDA課程的一個重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過一系列由淺入深的、不同層次(如基礎(chǔ)設(shè)計型、綜合設(shè)計型、應(yīng)用研究型)的實(shí)驗，學(xué)生可在較短時間內(nèi)掌握EDA技術(shù)的原理和方法，熟悉EDA設(shè)計的全過程。

EDA是以PLD及其開發(fā)板為硬件平臺，以硬件描述語言HDL和EDA技術(shù)為開發(fā)工具，以軟件設(shè)計的方法實(shí)現(xiàn)硬件的功能。EDA課程的意義不僅僅在于教會學(xué)生掌握某種HDL語言和某種EDA工具的使用，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生掌握現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的方法與思想，能夠用形式化的方法來描述硬件電路，并能綜合運(yùn)用先進(jìn)的EDA技術(shù)對設(shè)計進(jìn)行仿真、綜合和測試、驗證，從而培養(yǎng)和提高學(xué)生的硬件設(shè)計能力。國外加州大學(xué)伯克利分校、斯坦福大學(xué)、威斯康辛大學(xué)等高校早已經(jīng)在計算機(jī)專業(yè)應(yīng)用EDA技術(shù)進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計和CPU的設(shè)計。國內(nèi)著名高校近年也在計算機(jī)專業(yè)開設(shè)了EDA技術(shù)課程，開始應(yīng)用EDA技術(shù)進(jìn)行計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計。在計算機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用EDA技術(shù)是計算機(jī)硬件設(shè)計技術(shù)的發(fā)展方向，對于還沒有開設(shè)EDA技術(shù)課程或在計算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計還不能自如應(yīng)用EDA技術(shù)的計算機(jī)專業(yè)，應(yīng)該盡早增設(shè)EDA技術(shù)課程。

3.2精選實(shí)驗內(nèi)容，優(yōu)化實(shí)驗設(shè)置

精選一些基本的實(shí)驗作為計算機(jī)實(shí)驗的必修內(nèi)容。在內(nèi)容選取上，可以打破傳統(tǒng)的模式，如以基礎(chǔ)設(shè)計替代驗證性實(shí)驗，實(shí)驗內(nèi)容以訓(xùn)練的性質(zhì)、層次進(jìn)行分類。在實(shí)驗類型的設(shè)計上，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗項目的設(shè)計，擬定方案、調(diào)試方法等由學(xué)生獨(dú)立完成，使學(xué)生在基礎(chǔ)知識、基本方法和基本技能上得到系統(tǒng)的訓(xùn)練，提高學(xué)生的主動性。

實(shí)驗教學(xué)項目的設(shè)計，應(yīng)開展多種類型、多種層次、多種目的實(shí)驗，如基礎(chǔ)設(shè)計型、綜合設(shè)計型、創(chuàng)新設(shè)計型或應(yīng)用研究型。合理設(shè)置計算機(jī)實(shí)驗課的結(jié)構(gòu)，注意知識內(nèi)容的相互銜接，前后呼應(yīng)。如在計算機(jī)組成原理層次實(shí)驗，學(xué)生需掌握EDA技術(shù)的原理和方法，熟悉EDA設(shè)計的全過程；在嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)層次實(shí)驗，學(xué)生需掌握嵌入式處理器組織結(jié)構(gòu)，如NiosII CPU軟核或MicroBlaze CPU軟核。

3.3抓好計算機(jī)硬件師資隊伍建設(shè)

要培養(yǎng)高質(zhì)量的學(xué)生，就必須有高水平的教師。教師是實(shí)踐教學(xué)改革的關(guān)鍵，其知識結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)素質(zhì)、實(shí)踐能力、敬業(yè)精神將影響學(xué)生久遠(yuǎn)。從事計算機(jī)硬件教學(xué)的教師需要具備豐富的計算機(jī)系統(tǒng)知識、扎實(shí)的理論功底、一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗。值得思考的是，在當(dāng)今實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容更新迅速，實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)難度加大，社會用人單位急需實(shí)踐能力強(qiáng)的應(yīng)用型人才的情況下，高等工科院校的實(shí)踐教學(xué)教師仍然被定義為“教輔人員”，在崗位津貼、晉升職稱、項目申報等方面仍然處于弱勢地位。這種現(xiàn)象與重視實(shí)踐教學(xué)和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量并不合諧一致。需要盡快轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的觀念，抓好計算機(jī)硬件師資隊伍建設(shè)，一方面積極引進(jìn)計算機(jī)硬件人才；另一方面定期進(jìn)行新技術(shù)培訓(xùn)、實(shí)踐教學(xué)方法培訓(xùn)；此外，加強(qiáng)與企業(yè)單位橫向合作，鼓勵老師走向社會，多參加科研項目的研究，不斷更新知識，提高業(yè)務(wù)水平，為實(shí)踐教學(xué)改革與應(yīng)用型人才培養(yǎng)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

3.4建立開放式EDA實(shí)驗室

可編程片上系統(tǒng)SOPC(System On a Programmable Chip)使得在一個芯片上實(shí)現(xiàn)一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)成為可能。SOPC集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯，采用基于SOPC的實(shí)驗平臺，使學(xué)生調(diào)試、驗證自己的設(shè)計項目成為可能，為學(xué)生的自主實(shí)驗提供廣闊的發(fā)展空間。比如軟硬件協(xié)同設(shè)計實(shí)驗，面向DSP等實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗，基于SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實(shí)驗等，使學(xué)生能夠應(yīng)用EDA技術(shù)完成大型硬件的原型設(shè)計，或進(jìn)行創(chuàng)新性課題的研究。

由于PLD自身的特點(diǎn)，學(xué)生最初完全可以在計算機(jī)上借助于EDA工具完成設(shè)計輸入、編譯、仿真和綜合，這樣學(xué)生在普通的計算機(jī)上即可完成PLD設(shè)計的大部分工作，最后再到EDA實(shí)驗室進(jìn)行編程下載和驗證。借助EDA技術(shù)學(xué)生能完成涉及多門硬件類課程的實(shí)驗，在不同的學(xué)習(xí)階段，學(xué)生學(xué)習(xí)了相應(yīng)的硬件課程后，就可以采用EDA技術(shù)，自行設(shè)計與本課程相關(guān)的實(shí)驗設(shè)計或復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。

采用這種模式開設(shè)硬件系列實(shí)驗，建立一個一定規(guī)模的EDA實(shí)驗室，配備一定數(shù)量的SOPC實(shí)驗臺和配套的計算機(jī)。這并不需要很大的實(shí)驗室，也無須與學(xué)生規(guī)模相配套的實(shí)驗設(shè)備，在計算機(jī)上安裝各種成熟高效的EDA工具，實(shí)驗室作為開放式實(shí)驗室，可以是實(shí)驗時間開放和實(shí)驗內(nèi)容開放，為計算機(jī)專業(yè)學(xué)生提供一個良好的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。EDA技術(shù)的應(yīng)用貫穿于計算機(jī)硬件體系實(shí)驗教學(xué)，學(xué)生的自主設(shè)計能力和創(chuàng)新意識將得到極大提高，這無疑對培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的人才有著重要的作用。

4結(jié)束語

計算機(jī)科學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)且發(fā)展迅猛的學(xué)科，實(shí)踐環(huán)節(jié)是計算機(jī)學(xué)科建設(shè)與發(fā)展的重要組成部分。構(gòu)建合理

的計算機(jī)硬件實(shí)驗體系，對培養(yǎng)學(xué)生良好的計算機(jī)硬件基礎(chǔ)，提高學(xué)生設(shè)計、應(yīng)用計算機(jī)的能力至關(guān)重要。構(gòu)建系統(tǒng)的EDA技術(shù)的實(shí)驗教學(xué)體系，實(shí)行開放式實(shí)驗教學(xué)，有利于增加新技術(shù)、新方法的實(shí)踐應(yīng)用；有利于隨時更新實(shí)驗內(nèi)容，開設(shè)自主性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗。建立EDA技術(shù)的實(shí)驗教學(xué)體系必將極大地推進(jìn)計算機(jī)專業(yè)硬件實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式的改革，為創(chuàng)新人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。

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