計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改進(jìn)

王力生 王煜

摘要：目前的高校計(jì)算機(jī)課程教學(xué)正越來(lái)越偏重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，不少高校都設(shè)計(jì)了各類(lèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程來(lái)提高學(xué)生們對(duì)于計(jì)算機(jī)課程的理解。文章介紹了一項(xiàng)自主開(kāi)展的基于FPGA開(kāi)發(fā)板的CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程?？偨Y(jié)了在課程的開(kāi)展過(guò)程中所遇到的多項(xiàng)問(wèn)題。并通過(guò)為學(xué)生提供更多的課程輔助工具及平臺(tái)，使得課程的開(kāi)展更加高效且符合學(xué)生們的需求，提高了學(xué)生們?cè)诖隧?xiàng)課程中的學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞： MIPS；計(jì)算機(jī)組成原理；CPU實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；FPGA

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）28-6704-03

1 概述

計(jì)算機(jī)學(xué)科是一門(mén)與實(shí)踐結(jié)合非常緊密的課程，純理論化的教學(xué)已經(jīng)無(wú)法滿足學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)以及培養(yǎng)實(shí)踐能力的需求了。因此，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)教學(xué)體系中所占的比例越來(lái)越高。該文針對(duì)所關(guān)注的計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)方法，結(jié)合我們自己所開(kāi)設(shè)的組成原理實(shí)踐課程，針對(duì)目前教學(xué)中所存在的一些問(wèn)題，對(duì)組成原理的實(shí)驗(yàn)課程方法作進(jìn)一步的改進(jìn)，使其更符合現(xiàn)在國(guó)內(nèi)教學(xué)現(xiàn)狀的需求，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率。

2 CPU實(shí)驗(yàn)課程簡(jiǎn)介

我們的CPU實(shí)驗(yàn)課程主要目標(biāo)為：指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出一個(gè)符合MIPS標(biāo)準(zhǔn)的CPU。從設(shè)計(jì)初級(jí)的數(shù)字邏輯器件出發(fā)，到實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的CPU，然后學(xué)生們可以圍繞自己設(shè)計(jì)的CPU編寫(xiě)匯編器、高級(jí)語(yǔ)言編譯器甚至簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)[1，2]。讓學(xué)生可以完整地了解計(jì)算機(jī)的運(yùn)行原理。

參與本課程的學(xué)生所要實(shí)現(xiàn)的CPU使用如表1所示的31條指令，可以覆蓋大部分簡(jiǎn)單程序的需求，其具體功能可以參考MIPS指令手冊(cè)[3-5]。

前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，主要為了讓學(xué)生能夠熟悉整個(gè)的開(kāi)發(fā)環(huán)境與流程，而且譯碼器和選擇器也是將來(lái)在其他實(shí)驗(yàn)中所需要使用到的部件。從第三個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，學(xué)生們將從簡(jiǎn)到難地一步步實(shí)現(xiàn)CPU中的各個(gè)部件的設(shè)計(jì)，并在第七個(gè)實(shí)驗(yàn)中最終完成一個(gè)完整的CPU。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

3.1 testbench用例不完善

我們的CPU實(shí)驗(yàn)課程主要是對(duì)于硬件的設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，testbench的編寫(xiě)占有著舉足輕重的地位。而參與我們課程的學(xué)生絕大多數(shù)都是第一次接觸硬件的設(shè)計(jì)，并且對(duì)于CPU的各個(gè)部件并沒(méi)有一個(gè)良好的認(rèn)識(shí)。所以對(duì)于這些參與到我們課程的學(xué)生來(lái)說(shuō)，有相當(dāng)一部分學(xué)生沒(méi)有編寫(xiě)完備的testbench的能力與意識(shí)。在遇到相對(duì)復(fù)雜的模塊時(shí)，學(xué)生們可能無(wú)法發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)中的缺陷，這為以后的設(shè)計(jì)留下了一定的隱患。而且隨著工程越來(lái)越大時(shí)，初期的錯(cuò)誤就越來(lái)越難被發(fā)現(xiàn)。

3.2 學(xué)生開(kāi)發(fā)機(jī)器運(yùn)行緩慢

我們這門(mén)實(shí)驗(yàn)課是“口袋實(shí)驗(yàn)室”，參與到我們這項(xiàng)課程的同學(xué)都會(huì)將實(shí)驗(yàn)板帶回宿舍作實(shí)驗(yàn)，由于，學(xué)生各自的計(jì)算機(jī)性能并不能完全滿足CPU實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)需求。特別是隨著工程的增大，在生成CPU后仿真的模型以及生成開(kāi)發(fā)板所需的電路文件時(shí)，往往需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，并且這個(gè)過(guò)程在CPU的開(kāi)發(fā)過(guò)程中往往需要執(zhí)行很多次。而在此期間，學(xué)生往往只能等待而無(wú)法進(jìn)行課程的學(xué)習(xí)，這會(huì)造成極大的時(shí)間浪費(fèi)，降低學(xué)習(xí)效率的同時(shí)也很有可能增加學(xué)生的挫敗感。

3.3 應(yīng)用開(kāi)發(fā)效率低下

CPU要執(zhí)行有一定功能的程序才會(huì)顯得有意義，我們的課程會(huì)鼓勵(lì)學(xué)生在自己設(shè)計(jì)的CPU上開(kāi)發(fā)一些小應(yīng)用來(lái)顯示CPU的實(shí)用性。我們目前的課程只提供了基于我們課程所涉及指令的匯編器，但對(duì)于參加我們課程的學(xué)生而言，使用匯編程序編寫(xiě)應(yīng)用所需要的技巧與經(jīng)驗(yàn)往往他們都不具備，這增加了小應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的難度，不利于學(xué)生們創(chuàng)意與想法的拓展。在我們的課程實(shí)踐中，學(xué)生們往往都會(huì)選擇開(kāi)發(fā)一些類(lèi)似的容易實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序，造成了應(yīng)用程序的同質(zhì)化。

3.4 沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)分體系

任何課程都要面臨的一個(gè)考核的問(wèn)題。如何能夠公平客觀的評(píng)價(jià)學(xué)生在整個(gè)課程中的表現(xiàn)不僅對(duì)于參與課程的學(xué)生，對(duì)于此課程未來(lái)的發(fā)展都至關(guān)重要。目前我們的課程主要依賴(lài)學(xué)生的自行演示以及助教的手工查看。此方法不僅效率低下，每周都要花大量的時(shí)間在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢查上，而且由于參與檢查的人數(shù)較多不容易保持評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一致性。

目前我們的課程仍處于試驗(yàn)性階段，參與的學(xué)生人數(shù)較少，若未來(lái)將此課程推廣，手工檢查的方式將無(wú)法滿足課程的需求。

4 針對(duì)目前教學(xué)中的問(wèn)題的解決方法

4.1 統(tǒng)一的部件接口和測(cè)試平臺(tái)

通過(guò)給學(xué)生提供統(tǒng)一的部件接口，我們可以為學(xué)生提供統(tǒng)一的測(cè)試平臺(tái)。在完成每個(gè)部件的編寫(xiě)后，學(xué)生們首先可以使用自己編寫(xiě)的testbench來(lái)驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的正確性，隨后再由統(tǒng)一的測(cè)試平臺(tái)來(lái)進(jìn)一步確認(rèn)部件的設(shè)計(jì)。這樣就可以有效地避免由于testbench的不完善而造成的部件設(shè)計(jì)缺陷，提高了每次部件實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，從而為接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程打下良好的基礎(chǔ)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證平臺(tái)

統(tǒng)一的部件接口使得自動(dòng)化測(cè)試以及自動(dòng)評(píng)分成為了可能。學(xué)生們可以將自己編寫(xiě)的代碼提交到我們的測(cè)試平臺(tái)，運(yùn)行統(tǒng)一的testbench，通過(guò)對(duì)比學(xué)生代碼的運(yùn)行結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試結(jié)果就可以為學(xué)生們編寫(xiě)的部件提供一個(gè)客觀合理的評(píng)價(jià)。

我們可以根據(jù)學(xué)生每次提交的正確率以及最終通過(guò)測(cè)試所用的提交次數(shù)來(lái)作為學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)參考。通過(guò)這種方法，我們可以不再逐個(gè)檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不僅可以免去每次人工檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)間，也大大提高了每次實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的客觀性。

4.3 CPU模擬器

我們的課程設(shè)計(jì)了一個(gè)基于部分MIPS指令集CPU的模擬器，其輸入可以為自行編寫(xiě)的匯編程序，模擬器的運(yùn)行的結(jié)果可以作為我們CPU運(yùn)行結(jié)果的參照。同時(shí)我們課程中還擁有一個(gè)31條指令的匯編器，其輸入同樣為學(xué)生自行編寫(xiě)的匯編程序，而輸出是二進(jìn)制或十六進(jìn)制的機(jī)器碼文件，該文件可以導(dǎo)入到學(xué)生自己的CPU中運(yùn)行。然后學(xué)生可以通過(guò)對(duì)比Modelsim的仿真結(jié)果與模擬器的運(yùn)行結(jié)果來(lái)驗(yàn)證自己所設(shè)計(jì)的CPU的正確性。我們的課程也提供了一些小程序來(lái)幫助學(xué)生進(jìn)行CPU的驗(yàn)證。

4.4 綜合任務(wù)服務(wù)器

大多數(shù)情況下，學(xué)生們所使用的PC的性能進(jìn)行完整的綜合與布線任務(wù)時(shí)往往都會(huì)花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。我們可以為他們提供一個(gè)專(zhuān)門(mén)進(jìn)行繁重計(jì)算任務(wù)的服務(wù)器。

學(xué)生們可以提交自己的設(shè)計(jì)到服務(wù)器上，通過(guò)服務(wù)器來(lái)生成所需的電路文件，將此文件下載到本地后載入FPGA，完成下板工作。鑒于服務(wù)器相對(duì)學(xué)生PC有著更出色的性能以及統(tǒng)一的工作環(huán)境，可以大大節(jié)省學(xué)生們完成一次設(shè)計(jì)修改的時(shí)間，提高學(xué)生們的開(kāi)發(fā)效率。

4.5 合理使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境

高級(jí)語(yǔ)言可以大大降低程序的開(kāi)發(fā)難度，而且通過(guò)完善的IDE（集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）可以更方便的確保程序的正確性。目前大部分學(xué)生所編寫(xiě)的小程序都不會(huì)超出我們課程所使用的指令集。GCC編譯器在默認(rèn)的配置下其編譯出的MIPS指令集不會(huì)超出MIPS-I中的所有指令。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，在多數(shù)情況下編譯出的指令多并不會(huì)超出我們目前所使用的31條指令。對(duì)于那些不在我們31條指令集范圍內(nèi)的MIPS-I指令，其中有相當(dāng)一部分指令是可以使用現(xiàn)有的指令組合來(lái)完成其功能的，我們僅需對(duì)GCC所編譯出的匯編程序進(jìn)行一定的修改即可使用。這為我們使用C語(yǔ)言編寫(xiě)開(kāi)發(fā)板程序提供了很好的前提。

學(xué)生們可以首先使用C語(yǔ)言在現(xiàn)有的成熟IDE上進(jìn)行編程，在驗(yàn)證了程序的正確性后使用GCC將C語(yǔ)言編譯為MIPS-I的匯編程序，在對(duì)編譯完成的匯編程序進(jìn)行一些修改后可以使用我們課程提供的匯編器生成機(jī)器碼來(lái)運(yùn)行在學(xué)生自己設(shè)計(jì)的CPU上。

由于學(xué)生們對(duì)于C語(yǔ)言的熟悉程度要遠(yuǎn)高于MIPS的匯編指令，通過(guò)合理使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，可以大大降低學(xué)生們編寫(xiě)應(yīng)用程序的難度。

5 總結(jié)

對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了諸多改進(jìn)后，學(xué)生們?cè)谡n程實(shí)驗(yàn)中的開(kāi)發(fā)效率得到了明顯的提升，這也使得學(xué)生們更有興趣將精力投入到實(shí)驗(yàn)課程中。同時(shí)，在線平臺(tái)的引入也減小了開(kāi)展試驗(yàn)課程的人力投入，打下了推廣該實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。該文結(jié)合了我們現(xiàn)有CPU實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展情況，針對(duì)實(shí)驗(yàn)課程中所出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了針對(duì)性的解決方案。這一系列的改進(jìn)方案將學(xué)生從一些不必要的負(fù)擔(dān)中解放出來(lái)，從而使得學(xué)生能夠?qū)⒏嗟木ν度氲接?jì)算機(jī)組成原理的學(xué)習(xí)中。這些方案的引入將會(huì)使得我們現(xiàn)有的課程變得更加具有可持續(xù)性，有利于將來(lái)此課程的進(jìn)一步拓展。

參考文獻(xiàn)：

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