基于CDIO理念的“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試”課程改革實(shí)踐

郭煒 張鋼

文章編號(hào)：1672-5913（2015）03-0090-04

中圖分類號(hào)：G642

摘 要：針對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程教學(xué)內(nèi)容落后于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的情況，介紹在CDIO理念指導(dǎo)下重新構(gòu)建計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐過程，提出以設(shè)計(jì)PowerPC擴(kuò)展指令協(xié)處理器中的VSFX指令作為教學(xué)內(nèi)容的課程改革方案，并在教學(xué)過程中進(jìn)行實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：CDIO；計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試；課程改革；向量協(xié)處理器；AltiVec技術(shù)

1 背景

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的重要成果。CDIO代表構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)現(xiàn)（implement）和運(yùn)行（operate）。CDIO模式以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，使學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工科課程。CDIO模式教學(xué)以項(xiàng)目開發(fā)為主線展開，整個(gè)教學(xué)過程是一種由教師發(fā)起并維持的、在教師指導(dǎo)下以學(xué)生為主體的協(xié)作、交流過程。

以前，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程的任務(wù)是讓學(xué)生用常規(guī)集成電路在面板上通過接線的方式，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)有十幾條基本指令的微程序控制器。若干年前，讓學(xué)生用常規(guī)集成電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)微程序控制器，無論是從設(shè)計(jì)的綜合性方面、從硬件系列課程內(nèi)容的貫通性方面，還是從設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的工作量方面都是比較合適的，而且計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程的教學(xué)效果也不錯(cuò)。但是，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)快速發(fā)展，不論是在微處理器架構(gòu)方面，還是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法方面都發(fā)生了巨大的變化，比如在設(shè)計(jì)過程中，硬件設(shè)計(jì)語言已經(jīng)被廣泛采用，并且在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中FPGA已經(jīng)成為基本的手段，計(jì)算機(jī)輔助硬件設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)已經(jīng)成為基本設(shè)計(jì)工具，精簡指令系統(tǒng)RISC架構(gòu)在大量的微處理器中被廣泛使用，而微程序設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)很少在CPU中使用了。顯然，以前計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程的內(nèi)容和方法已經(jīng)不再適合今天的現(xiàn)實(shí)情況了。

我們希望計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程能夠跟上計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，掌握當(dāng)前主流設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)主流處理器系統(tǒng)架構(gòu)，從而有效提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。在教學(xué)方法上，我們借鑒CDIO教學(xué)理念，在整個(gè)教學(xué)過程中突出實(shí)踐動(dòng)手和自主學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。

2 PowerPC AltiVec 技術(shù)介紹

PowerPC是一種RISC架構(gòu)的CPU。PowerPC處理器有廣泛的應(yīng)用，是目前市面上主流的處理器。AltNec技術(shù)是摩托羅拉PowerPC RISC處理器體系結(jié)構(gòu)的向量并行處理技術(shù)，是現(xiàn)有PowerPC體系結(jié)構(gòu)的延伸，它帶有128位向量處理裝置，可以同時(shí)處理整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，AltiVec的頂層架構(gòu)如圖1所示。AltiVec技術(shù)的操作是單指令多重?cái)?shù)據(jù)并行處理，是一種短向量并行體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)數(shù)據(jù)大小不同，向量分別具有4、8或16元素長度，和以前巨型計(jì)算機(jī)的長向量體系結(jié)構(gòu)明顯不同。AltiVec技術(shù)可以應(yīng)用于通信業(yè)、多媒體等注重性能的應(yīng)用方案中，達(dá)到提高性能的目的。

3 課程內(nèi)容改革

3.1 課程內(nèi)容

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程是天津大學(xué)汁算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)計(jì)算機(jī)T程方向的一門課程設(shè)計(jì)類課程，于大三下學(xué)期開設(shè)，2學(xué)分，共40學(xué)時(shí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程以PowerPC RISC處理器的指令系統(tǒng)為參考，通過設(shè)計(jì)一個(gè)PowerPC擴(kuò)展指令協(xié)處理器AltiVec模塊L|i的VSFX指令部分，將計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、匯編語言、VLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)這幾門課程所學(xué)的知識(shí)結(jié)合起來，由學(xué)生自己設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的“計(jì)算機(jī)”，進(jìn)而加深對(duì)相關(guān)課程的理解，掌握設(shè)計(jì)方法，熟悉相關(guān)設(shè)計(jì)工具。課程中涉及到的主要內(nèi)容包括：PowerPC405核、加速處理單元控制器（APUController）和協(xié)處理器之間的接口和處理流程、設(shè)計(jì)流程與功能驗(yàn)證、PowerPC AltiVec指令集、Power ISA中向量加法指令（vadduhm）實(shí)例、陽量簡單定點(diǎn)單元（VSFX）、AltiVec硬件設(shè)計(jì)頂層架構(gòu)和VSFX模塊與頂層的連接信號(hào)等

該課程使用System Verilog語言構(gòu)建功能驗(yàn)證平臺(tái)。隨著集成電路芯片設(shè)汁的規(guī)模不斷增大，芯片驗(yàn)證工作成了制約芯片設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵性因素。傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法主要依靠人工進(jìn)行驗(yàn)證，效率較低。System Verilog語言是一種專門用來搭建測(cè)試環(huán)境的語言。System Verilog語言將硬件描述語言同高級(jí)驗(yàn)證語言相結(jié)合，提供隨機(jī)約束、功能覆蓋率、斷言和面向?qū)ο蟮刃录夹g(shù)。課程要求學(xué)生學(xué)習(xí)并使用System Vcrilog語言建立一個(gè)可以自動(dòng)生成測(cè)試向量的測(cè)試環(huán)境，用這個(gè)測(cè)試環(huán)境檢查學(xué)生設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和功能一

選擇協(xié)處理器AltiVec模塊作為課程的設(shè)計(jì)內(nèi)容，有以下幾個(gè)方面的考慮：由于向量計(jì)算在功耗和并行度等方面的優(yōu)勢(shì)，使其在現(xiàn)代微處理器設(shè)計(jì)中的作用正在被重新認(rèn)識(shí)；向量計(jì)算的內(nèi)容是目前計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程中比較薄弱的地方，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程恰好可以對(duì)此加以彌補(bǔ)；設(shè)計(jì)向量協(xié)處理器可以避免與計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、VLSI系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相沖突；設(shè)計(jì)向量協(xié)處理器可以使學(xué)生學(xué)會(huì)使用從行為級(jí)建模到用硬件描述語言設(shè)計(jì)、從仿真到開發(fā)板上的驗(yàn)證等全過程的設(shè)計(jì)軟件和設(shè)計(jì)環(huán)境。

3.2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)及教學(xué)組織形式

3.2.1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)

課程設(shè)計(jì)任務(wù)包括4部分內(nèi)容。

（1）模塊設(shè)計(jì)：采用Verilog HDL，設(shè)計(jì)PowerPC協(xié)處理器AltiVec模塊中部分VSFX指令。

（2）頂層模塊集成：將設(shè)計(jì)的VSFX指令模塊與其他模塊集成，了解模塊與模塊之間的關(guān)系。

（3）仿真驗(yàn)證：用AltiVec匯編指令編寫測(cè)試程序，通過匯編編譯器生成機(jī)器代碼。在集成環(huán)境下，仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

（4） FPGA開發(fā)版上的驗(yàn)證：將所設(shè)計(jì)的RTL代碼放置到FPGA開發(fā)板上，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)的正確性。使學(xué)生進(jìn)一步掌握開發(fā)板上的接口電路在調(diào)試過程中的作用等。

為了使課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工作循序漸進(jìn)，參考CDIO教學(xué)模式，把整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)分為8個(gè)相互聯(lián)系、難度逐步增加的子任務(wù)。

子任務(wù)一：閱讀指令定義文檔，對(duì)小組選定的5條不同類型的指令給予特別關(guān)注。

子任務(wù)二：以小組為單位，講解和展示小組將要實(shí)現(xiàn)的5條不同類型指令的功能。

子任務(wù)三：用C語言實(shí)現(xiàn)所要設(shè)計(jì)的5條不同類型指令的功能，并設(shè)計(jì)功能測(cè)試程序，以C語言實(shí)現(xiàn)的功能測(cè)試的輸入和輸出結(jié)果為“標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序”，作為下一步硬件設(shè)計(jì)的測(cè)試向量。

子任務(wù)四：學(xué)習(xí)AltNec硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)；看懂AltiVec中除VSFX模塊外的所有RTL代碼（Register-Transfer-Level code）；畫出AltiVec toplevel的硬件架構(gòu)圖。

子任務(wù)五：定義所要設(shè)計(jì)的VSFX模塊的架構(gòu)、子模塊；要求畫出模塊的框圖，標(biāo)注寄存器及多路選擇器的位置，明確下一步RTL代碼的關(guān)鍵內(nèi)容。

子任務(wù)六：進(jìn)行VSFX模塊的RTL代碼設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證；完成二級(jí)譯碼電路設(shè)計(jì)；完成功能模塊設(shè)計(jì)。

子任務(wù)七：進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證。將所設(shè)計(jì)的VSFX模塊與top連接，形成完整的AltiVec模塊；進(jìn)行AltiVec層次的驗(yàn)證；輸入所設(shè)計(jì)的5條指令的匯編指令，采用VSFX模塊級(jí)的數(shù)據(jù)，結(jié)果與之前的VSFX模塊級(jí)仿真數(shù)據(jù)對(duì)比。在基本功能測(cè)試完成后，將進(jìn)一步在SystemVerilog語言建立的自動(dòng)生成測(cè)試向量的測(cè)試環(huán)境中，通過運(yùn)行生成的100組隨機(jī)向量，檢查學(xué)生設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和功能的正確性，保證測(cè)試覆蓋率。

子任務(wù)八：進(jìn)行FPGA開發(fā)板上的驗(yàn)證。RTL級(jí)的仿真驗(yàn)證僅僅能保證所設(shè)計(jì)的硬件的邏輯功能正確性。通過將所設(shè)計(jì)的RTL代碼放置到FPGA開發(fā)板上才能夠驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)的時(shí)序正確性及工作速度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后針對(duì)FPGA開發(fā)板的邏輯綜合與靜態(tài)時(shí)序分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的時(shí)序的正確性以及所設(shè)計(jì)的電路可以在什么時(shí)鐘頻率下工作等。

3.2.2教學(xué)組織形式

在課程設(shè)計(jì)開始時(shí)，教師要求學(xué)生自愿組合，每組2人，每組學(xué)生從70條VSFX指令中選出5條不同類型的指令，作為準(zhǔn)備由硬件實(shí)現(xiàn)的指令，這就是小組的設(shè)計(jì)任務(wù)。盡管每個(gè)小組都要完成同樣的8個(gè)子任務(wù)，但是由于每組學(xué)生所選擇的5條指令并不相同，所以每個(gè)小組實(shí)際完成的任務(wù)并不一樣。通過布置任務(wù)、教師引導(dǎo)、分組討論、學(xué)生實(shí)踐、擴(kuò)展閱讀、溝通交流、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、完成測(cè)試等一系列教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生完成一個(gè)現(xiàn)代處理器PowerPC擴(kuò)展指令協(xié)處理器AltiVec模塊中VSFX指令部分的設(shè)計(jì)。

在整個(gè)課程設(shè)計(jì)過程中，教師講得很少，主要靠學(xué)生自學(xué)、討論和實(shí)踐。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，教師都會(huì)安排學(xué)生做課堂匯報(bào)。在學(xué)牛進(jìn)行匯報(bào)過程中，教師及時(shí)糾正學(xué)生的錯(cuò)誤，正確引導(dǎo)學(xué)生一步一步完成任務(wù)。教師給學(xué)生準(zhǔn)備了必要的參考閱讀資料，包括1 300多頁的IBM Power處理器設(shè)計(jì)文檔“Book-IChapter 6.Vector Facility”、260多頁的飛思卡爾公司技術(shù)手冊(cè)“AltiVec Technology ProgrammingInterface Manual”、IBM公司和摩托羅拉公司發(fā)表在國際會(huì)議上的對(duì)PowerPC做向量擴(kuò)展的文章“A Low-power， High-speed Implementation of aPowerPC Microprocessor Vector Extension”和VSFX指令第一級(jí)譯碼器文檔等。另外，教師要搭建AltiVec模塊的集成與驗(yàn)證平臺(tái)。

4 結(jié)語

在2011級(jí)計(jì)算機(jī)工程專業(yè)方向本科生的汁算機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試課程中，我們按照上述新的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)組織形式進(jìn)行了嘗試。學(xué)生經(jīng)歷r一個(gè)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，所有學(xué)生的設(shè)計(jì)都通過了仿真檢測(cè)和在FPGA開發(fā)板上的測(cè)試。實(shí)踐表明，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)組織形式的改革調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，取得了非常好的教學(xué)效果。