《計算機組成原理》實驗教學改革

張 磊，鄭 榕，田軍峰

(北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京 100083)

《計算機組成原理》是計算機科學與技術專業(yè)本科生的核心課程之一，是必修的專業(yè)基礎課，本課程在計算機學科中處于承上啟下的地位［1］，涉及的內容在整個計算機學科和計算機系統(tǒng)中處于非常重要的位置。該課程的主要教學目標是讓學生掌握計算機中各部件的工作原理，建立整機概念，通過實踐環(huán)節(jié)，設計、實驗、調試出一臺簡單的模型機(CPU)［2］。如何把握課程的主線和重點，改革教學實驗內容和模式，為學生今后的專業(yè)學習打下堅實基礎，使學生具備一定的硬件設計和開發(fā)能力，與高素質人才培養(yǎng)相適應［3］，是該課程教學改革必須解決的問題。經過5年的實踐，摸索出一套新型的《計算機組成原理》實驗教學方法，即:緊密結合理論教學，增加隨堂實踐，配套獨立實驗，并加入課程設計環(huán)節(jié)。該方法已應用于實踐，取得良好的教學效果。

1 改革具體實施方案

1.1 實驗教學學時的增調

以往這門課程由于課時緊張，一些重要的知識點的講授只能匆匆?guī)н^，或有所選擇地作為自學內容，這樣安排的結果是學生在學習的時候囫圇吞棗，從而導致基礎不扎實，影響了后面知識的學習。改革前這門課程共需54學時，其中理論講授占44學時、實驗課程占8學時;改革后，總學時增加為64學時，其中理論講授占48學時、實驗課程增加至16學時，同時增加小學期的計算機組成課程設計16學時。學生實踐的學時較以前增加了3倍。通過學時的增加與調整，不僅增加了理論教學的授課時間，便于教師更加細致地講解重要知識點，而且還考慮理論與實踐應用相結合的重要性，進而調整了理論教學與實驗教學的學時比例，增加了學生動手實踐的機會。

1.2 實驗教學平臺的研發(fā)及教材建設

改革前，這門課程的理論與實驗課存在嚴重的脫節(jié)問題，安排的實驗內容多為驗證性實驗，僅僅是利用實驗箱完成簡單的硬件搭電路就可以過關，限制了學生主觀能動性的發(fā)揮。學生在完成實驗時也大多是按照實驗講義的步驟機械式地完成實驗，照貓畫虎、懶于思考。實驗完成后的學習收獲有限，缺乏對理論知識的再加工學習。改革后引入了EDA(電子設計自動化)技術，采用先進的虛擬設計及仿真軟件工具QuartusII，并自主研發(fā)了FPGA擴展板平臺，結合過去的CM3P實驗箱，幫助學生對理論知識進行實踐驗證，便于學生加深對理論知識的理解。此外，為了指導學生的實踐操作，還根據理論知識的講授重點，開發(fā)了相應的實驗項目，重新編寫了配套實驗指導書和實驗箱介紹PPT。對于實驗中一些有代表性的操作配備了相應的講解視頻，方便學生課下自學，減少了學生因工具操作不熟而耗費的時間與精力，使學生的學習重心集中在理論知識的實踐運用。

1.3 實驗教學形式及內容改革

1.3.1 隨堂實踐

由于《計算機組成原理》是以學生動手實踐為主的課程，要盡量多地給學生提供動手的機會。考慮到以往對于理論知識點加深認識的方式是給學生留課后練習題，學生通過抄寫書上的原理要點或手繪設計圖的方式完成作業(yè)。對于所設計原理圖是否正確、是否合理無法驗證，因此完成作業(yè)的興趣不大，從而導致大面積的抄襲現象，對教師批改后的作業(yè)不再進一步思考或改正，因而對學生鞏固所學作用不大。于是引入了QuartusII和現場可編程門陣列(FPGA)擴展實驗平臺作為學習的輔助工具，教師完成理論教學后，要求學生通過電路原理圖或者VHDL語言編程的形式對課后練習題進行設計，并自行驗證設計結果的正確性。在設計過程中，學生需要反復學習理解理論知識要點，否則無法順利完成設計任務。通過這種方式提升學生的學習興趣，鼓勵學生自主思考，完成設計任務，并對優(yōu)秀的設計作業(yè)進行點評，激發(fā)學生的設計激情。為了實現這一目的，需要選擇難易適度的題目作為隨堂實踐的練習任務，過難容易降低學生的設計熱情，過易則無法激發(fā)學生的思考激情［4］。例如，老師課上講完數據校驗碼后，學生立馬把電路在FPGA上實現，對于有效位、校驗位的理解更加深刻。隨堂實踐既能在內容上對獨立實驗進行補充，同時也能使學生平時加以練習熟練掌握EDA工具，有利于獨立實驗中開展復雜設計實驗。

1.3.2 獨立實驗

由于理論課是以X86處理器為模型機貫穿整個教學過程，講解順序如圖1所示。

圖1 理論課講解順序

因此，在獨立實驗的內容設置上，也基本遵循以上順序，選擇核心部件，編制相應的實驗內容。但以往的獨立實驗，在實驗內容的設置上基本為驗證性實驗，學生基本上是按照實驗步驟對理論知識的直觀驗證，缺乏舉一反三的能力。改革過程中借助QuartusII和FPGA擴展實驗平臺，開發(fā)了設計性的實驗內容，要求學生在驗證性實驗完成的基礎上，觸類旁通，完成設計要求，并將自己的設計在FPGA擴展實驗平臺上進行下載驗證。獨立實驗內容安排見表1。其中，前6個實驗為部件實驗，后3個實驗為整機實驗。總實驗為16學時，但是學生需要花在實驗上的時間遠遠不止16學時。因為完成設計任務的基礎是對理論知識的理解和掌握，所以學生需要在課下根據設計要求反復閱讀理論要點，在設計過程中還需要對出現的故障問題逐一分析回溯。整個實驗內容做完后，學生對功能部件及整機的概念和實現會有比較深刻的了解，并對自己在學習過程中對知識的掌握程度有一定的認識。

1.3.3 課程設計

以往獨立實驗完成后，這門課程就結束了，學生缺少對于計算機整機系統(tǒng)的設計實踐，對所學知識要點間的關聯關系缺乏認識，對知識點的記憶時間短，很快就不記得這門課程所學的內容了。因此，在改革中，考慮對知識點的整合，對理論知識落實到實踐應用的必要性，引入課程設計這一環(huán)節(jié)有著極其重要的意義。改革后，將這門課的課程設計安排在緊隨課程開設學期的暑假小學期中，既給學生一定的時間將所學知識理解吸收，又不至于因間隔時間太長而遺忘現象嚴重。在課設中，要求學生設計仿真實現一臺模型機，允許學生根據學習過的理論知識及理解的深度自由發(fā)揮，鼓勵學生采用RISC指令系統(tǒng)設計模型機，學有余力的同學還可以采用流水線設計。學生從指令系統(tǒng)設計、數據通路設計、指令流程設計到控制部分的實現完全由自己獨立完成［5］，在設計過程中對理論知識反芻。通過仿真驗證，真正理解計算機單機系統(tǒng)的概念及構成。為此，學生需要投入大量的精力和時間用于設計一套可行的模型機系統(tǒng)，往往小學期一個月的時間對于學生而言都感覺緊張，有些學生甚至連暑假都利用上，最終完成了模型機設計調試運行。

1.4 實驗教學組織與課程考核制度［6］

實驗教學的重要目標是培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新能力。根據該課程實驗的特點，實驗室實行半開放制度，即在實驗時間外的規(guī)定時間向學生全部開放，供學生做實驗、熟悉實驗箱、調試程序等。實驗室承擔的是隨堂實踐、獨立實驗和小學期的課程設計任務。

隨堂實踐一般是在FPGA擴展板上完成，采用驗收制度，只要學生完成即為該項考核通過;獨立實驗采用CM3P實驗箱和FPGA擴展板結合，百分制的考核模式。

表1 獨立實驗內容

小學期組成課設置為獨立的課程設計，采用百分制，占1學分。

獨立實驗分為課前預習報告、實驗講述、實驗總結報告。每次設計性實驗總結報告都要求是一篇完整的總結性文章，包括實驗原理圖、仿真波形圖、實驗中遇到的問題，如何解決，有何新發(fā)現、新思考等。最終按照百分制的評判標準如下:

每次實驗所占成績比例見表2，獨立實驗最終成績?yōu)?

表2 各實驗分數所占比例

表2 各實驗分數所占比例

實驗序號 實驗1 實驗2 實驗3 實驗4 實驗5 實驗6 實驗7 實驗8 實驗9比例Pi 5 15 5 15 15 10 15 15 5

期末成績?yōu)?

課程設計評分標準見表3，要求必須實現的內容占70分，其中根據各項的難易度配以相應的分數，自由發(fā)揮的部分占30分。

2 改革實施后的效果

該方案實施2年，學生理論課成績大幅度提高，而且普遍反映計算機對于他們不再那么神秘了，而是“徹頭徹尾地讀懂了它”，“對于后續(xù)課程的學習幫助很大”等。隨堂實踐的加入使學生課上的積極性大大提高了，學生由被動接收變?yōu)橹鲃铀伎?。對于獨立實驗更是信心百倍地參與其中，始終以一名模型機設計師的標準要求自己。學生在小學期的時候能夠獨立設計出模型機的比例達80，另外20的學生對模型機設計流程有了深刻的理解，但是在規(guī)定的時間內尚未完成設計。我們對這些學生做了相應的延時，讓他們盡量完成設計要求。學生提交的系統(tǒng)采用硬布線控制器設計的占30，其余學生采用微程序控制器。35的學生設計指令系統(tǒng)采用精簡指令集(RISC)，其中15加入流水線以提高性能。最后的小學期的實踐報告總結中，學生說這門課是他們投入最多的一門課，很充實，學到了很多知識，同時也提高了他們分析問題，解決問題的能力?？傊?，學生感覺這門課收獲很大，設計模型機是他們進大學后做過的“最痛苦”“最耗時”“最快樂”“最難忘”的實驗。

表3 課程設計評分標準

3 結束語

經過多年的教學改革，摸索出一套完整的計算機組成原理實驗教學具體實施方案，緊密結合理論教學，增加隨堂實踐，配套獨立實驗，并加入課程設計環(huán)節(jié)。這一改革已經應用到實際教學中，收到良好的效果。該方法具有普適性和易操作性，使這門課程由原來的枯燥無趣變?yōu)槿缃竦幕顫娚鷦?，實驗教學改革是一個不斷深入和發(fā)展的過程［7］，理論與實驗是相輔相成的，絕對不能相互獨立起來。因此，需要相關老師進行有效的交流合作，從學生的接受能力和實驗效果出發(fā)，互相補充才能達到良好的教學目的。

［1］方愷晴，石琳，林亞平.EDA技術在計算機組成原理實驗中的應用［J］.實驗技術與管理，2001，18(3):45－47.

［2］方愷晴，張洪杰.計算機組成原理實驗課程教學新方法的探討［J］.計算機教育，2007(2):52－59.

［3］王興菊.深化實驗教學改革，培養(yǎng)綜合素質人才［J］.實驗技術與管理，2002，19(4):79－81.

［4］姜暉.加強實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)創(chuàng)新人才［J］.實驗室研究與探索，2006，25(11):1329－1331.

［5］方愷晴.基于EDA技術的教學型CPU的設計與實現［J］.實驗技術與管理，2005，22(9):41－43.

［6］秦磊華，王小蘭，張園.計算機組成原理設計性實踐教學模式研究［J］.電氣電子教學學報，2009，31(2):68－70.

［7］張亮.應用EDA技術改革“計算機組成原理”課程設計［J］.計算機教育，2009(19):40－42.