面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

賴曉錚，畢 盛，李垚圣，黃永燊

（華南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用日益深化和多元化，對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。如何適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，培養(yǎng)具備系統(tǒng)能力的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才，已成為國(guó)內(nèi)外教育領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)外CS2013（Computer Science Curricula 2013, ACM&IEEE）提出，計(jì)算機(jī)科學(xué)本科畢業(yè)生應(yīng)具備系統(tǒng)層次的視野，強(qiáng)調(diào)學(xué)生需從多層次的細(xì)節(jié)抽象思考問(wèn)題，對(duì)計(jì)算機(jī)的理解要從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和構(gòu)建分析過(guò)程出發(fā)[1]。我國(guó)高校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教指委從能力培養(yǎng)的角度，強(qiáng)調(diào)要重視計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類核心課程教學(xué)及對(duì)學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)[2]。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類核心課程包括計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)和編譯原理這3門(mén)課程，其中計(jì)算機(jī)組成原理是唯一的“硬件”核心課程，重點(diǎn)論述計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)組成，其前導(dǎo)課程數(shù)字邏輯偏重于講解邏輯結(jié)構(gòu)部件的電子（器件）實(shí)現(xiàn)，后續(xù)課程計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)側(cè)重于講解由邏輯結(jié)構(gòu)部件組成的CPU整體架構(gòu)，再后續(xù)的課程微機(jī)接口則著眼于CPU與各種外設(shè)接口組成不同的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。上述課程前后銜接，共同構(gòu)成計(jì)算機(jī)專業(yè)的硬件課程群[3-5]。計(jì)算機(jī)硬件課程把具體的硬件電路和抽象的邏輯結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，是編譯原理、操作系統(tǒng)等其他核心課程的基礎(chǔ)，有利于鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全局觀念[6]。清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校以各種形式從不同程度對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了卓有成效的實(shí)踐與探索[7-9]。

1 計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與問(wèn)題

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)一般在計(jì)算機(jī)模型實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)箱上的ALU、控制器、RAM、ROM等各個(gè)計(jì)算機(jī)部件已經(jīng)固定，操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上的說(shuō)明，通過(guò)插拔連線、撥動(dòng)開(kāi)關(guān)、編寫(xiě)微程序等方式與實(shí)驗(yàn)箱交互。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酱嬖谝韵聠?wèn)題：實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)普遍老化，缺少流水線、堆棧等計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的最新發(fā)展成果；學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)都需要大量繁瑣的連線操作，而且只能做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，不能自主設(shè)計(jì)CPU電路，嚴(yán)重降低了學(xué)習(xí)興趣，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[10]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高校一直致力于探索基于可編程邏輯器件FPGA的硬件實(shí)驗(yàn)改革，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中直接利用硬件描述語(yǔ)言HDL實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)功能組件的描述和連接[10-12]。這種新興的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭啻嬖谝韵聠?wèn)題：學(xué)生需要有相當(dāng)?shù)腇PGA基礎(chǔ)才能開(kāi)始學(xué)習(xí)，但是現(xiàn)有的課程安排缺乏足夠的課時(shí)和熟練的師資去培養(yǎng)學(xué)生的FPGA設(shè)計(jì)能力；此外，學(xué)生容易誤把硬件描述語(yǔ)言HDL等同于高級(jí)編程語(yǔ)言，不利于建立起對(duì)硬件電路的正確認(rèn)識(shí)[13]。

2 基于虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

虛擬仿真技術(shù)可以較好地解決上述計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題：在proteus軟件的虛擬仿真環(huán)境中，運(yùn)用常見(jiàn)的中小邏輯器件“積木式”搭建計(jì)算機(jī)組成部件，設(shè)計(jì)CPU，甚至組裝外設(shè)接口，構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程與傳統(tǒng)的“模型實(shí)驗(yàn)箱”的面板插線過(guò)程非常類似，不需要任何專業(yè)知識(shí)就能操作，而且所有硬件電路都是“透明”的，可以直觀地看到每根導(dǎo)線和每個(gè)器件管腳上的電平高低；同時(shí)，上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程具有“可編程邏輯FPGA”的高度靈活性，學(xué)生不僅可以根據(jù)教科書(shū)上的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)知識(shí)，自主設(shè)計(jì)不同架構(gòu)的CPU，如經(jīng)典的流水線架構(gòu)，還可以自定義CPU的指令集，也可以采用最底層的機(jī)器語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU的編程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)所具備的“低門(mén)檻”和“高靈活性”特點(diǎn)，有利于降低計(jì)算機(jī)硬件類課程的實(shí)驗(yàn)門(mén)檻，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程的學(xué)習(xí)興趣；有利于增強(qiáng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)分析能力和設(shè)計(jì)能力。

以虛擬仿真技術(shù)為手段，可以構(gòu)建數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和微機(jī)接口技術(shù)的貫通式硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖1所示。各階段的實(shí)驗(yàn)從簡(jiǎn)到難依次遞進(jìn)，有效銜接，讓學(xué)生逐步建立起完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)觀。

圖1 計(jì)算機(jī)硬件課程群的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

3 計(jì)算機(jī)硬件課程群的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)系列

數(shù)字邏輯課程是計(jì)算機(jī)硬件課程群的先導(dǎo)課程，計(jì)算機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)中所涉及的邏輯器件，如寄存器、譯碼器、計(jì)數(shù)器等都必須在該課程中熟練掌握。表1中的5個(gè)數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)，遵循“邏輯門(mén)→算術(shù)電路→組合邏輯電路”和“觸發(fā)器→寄存器→計(jì)數(shù)器”兩條主線展開(kāi)。上述實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)吸收了國(guó)外教材的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)[14]，不僅介紹集成器件的功能和使用方法，還用邏輯門(mén)搭建對(duì)應(yīng)的等效電路，如圖2中的74LS153數(shù)據(jù)選擇器及等效的4選1數(shù)據(jù)選擇電路，能讓學(xué)生更清晰地了解邏輯器件的工作原理和結(jié)構(gòu)。

3.2 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系列

計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類核心課程，課程內(nèi)容包含表2中的5個(gè)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地介紹組成CPU的三大部件：運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和控制器。其中，控制器是最重要的內(nèi)容，而狀態(tài)機(jī)則是控制器中最核心的部分，用以產(chǎn)生控制器所需的自動(dòng)時(shí)序?！盃顟B(tài)機(jī)”實(shí)驗(yàn)則分別介紹兩種經(jīng)典的狀態(tài)轉(zhuǎn)移電路：環(huán)形計(jì)數(shù)器和扭環(huán)計(jì)數(shù)器（Johnson計(jì)數(shù)器）。在兩個(gè)“控制器”實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建一個(gè)“最小版本”CPU，且只具有程序跳轉(zhuǎn)功能，這樣可以讓學(xué)生注意力集中在控制器運(yùn)行機(jī)制上。該“最小版本”CPU框架分別提出3種控制器設(shè)計(jì)方案：微程序、單周期和多周期硬布線控制器。

表1 數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

圖2 數(shù)據(jù)選擇器74LS153及其等效電路

表2 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.3 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系列

CPU設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，包括表3中的4個(gè)實(shí)驗(yàn)。該系列實(shí)驗(yàn)的總體設(shè)計(jì)思想是在一個(gè)統(tǒng)一的CPU指令集框架下，主要是38條機(jī)器指令，采用不同的CPU架構(gòu)如微程序、硬布線、流水線等來(lái)實(shí)現(xiàn)CPU。從編程角度看，4個(gè)實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的CPU程序基本一致，除了流水線CPU需要考慮指令相關(guān)性，而底層的硬件架構(gòu)則互不相同，學(xué)生能通過(guò)比較深入理解CPU架構(gòu)的細(xì)節(jié)。學(xué)生甚至可以通過(guò)“搭積木”的方式，圍繞自定義的指令集，循序漸進(jìn)地組裝定制版CPU，并且運(yùn)用自定義的指令編寫(xiě)機(jī)器語(yǔ)言程序，實(shí)現(xiàn)特定的功能，如循環(huán)、程序分支、數(shù)組處理、子程序調(diào)用等。此外，嵌套中斷CPU實(shí)驗(yàn)硬件實(shí)現(xiàn)了CPU的PC和PSW“斷點(diǎn)”堆棧，從而支持CPU（微程序/硬布線/流水線）的四級(jí)嵌套中斷機(jī)制。通過(guò)上述CPU設(shè)計(jì)，學(xué)生能對(duì)CPU有全面的理論認(rèn)識(shí)和切身的設(shè)計(jì)體會(huì)。

“流水線CPU”實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)了完全由邏輯門(mén)構(gòu)建的具有中斷功能的流水線CPU，這在現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外公開(kāi)文獻(xiàn)里尚未有報(bào)道。如圖3所示，該CPU采用“取指（F）→譯碼（D）→執(zhí)行（E）→寫(xiě)回（W）”四級(jí)流水線架構(gòu)，其中譯碼、執(zhí)行和寫(xiě)回階段有各自獨(dú)立的指令寄存器D_IR、E_IR和W_IR。流水線CPU的數(shù)據(jù)通路嚴(yán)格按照國(guó)外經(jīng)典教材[15]講授的寄存器傳輸級(jí)（RTL）描述方式構(gòu)建，分為譯碼、執(zhí)行和寫(xiě)回的三級(jí)結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)通路的每一級(jí)都有獨(dú)立的硬布線控制器，由該級(jí)指令寄存器譯碼生成微操作信號(hào)，級(jí)間設(shè)有寄存器組，用以保存指令相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)該級(jí)硬布線邏輯執(zhí)行后的中間結(jié)果。當(dāng)某條指令在流水線CPU的指令寄存器流水線“D_IR→E_IR→W_IR”上推進(jìn)時(shí)，指令相關(guān)數(shù)據(jù)亦在CPU數(shù)據(jù)通路的各級(jí)同步推進(jìn)。

表3 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

圖3 流水線CPU電路圖

3.4 微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)系列

CPU設(shè)計(jì)完成后，學(xué)生還需要把CPU與不同的外設(shè)接口進(jìn)行組合，才能構(gòu)成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)提供了CPU常見(jiàn)的8種外設(shè)：①并行IO端口芯片8255；②定時(shí)器/計(jì)數(shù)器芯片8253；③串口通信芯片8251；④模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809；⑤數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832；⑥液晶屏模塊LCD1602；⑦中斷控制器8259；⑧DMA實(shí)驗(yàn)8237。8種外設(shè)形成8個(gè)實(shí)驗(yàn)，均能使用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)定義的指令集中的38條機(jī)器指令，在微程序CPU上編寫(xiě)機(jī)器語(yǔ)言程序驅(qū)動(dòng)外設(shè)，能完全重現(xiàn)傳統(tǒng)微機(jī)原理課程實(shí)驗(yàn)中8086CPU驅(qū)動(dòng)外設(shè)所實(shí)現(xiàn)的功能。

4 “軟硬一體化”的實(shí)驗(yàn)箱創(chuàng)新

學(xué)生除了在proteus虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之外，還可以通過(guò)“軟硬一體化”的實(shí)驗(yàn)箱模式在實(shí)際環(huán)境中動(dòng)手驗(yàn)證，如圖4所示。硬件實(shí)驗(yàn)箱采用模塊化設(shè)計(jì)，眾多外設(shè)模塊都掛在由核心模塊——通用仿真器延伸出來(lái)的16位地址和數(shù)據(jù)總線上，除了包括上述微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)系列中涉及的8種外設(shè)，即8255、8253、8251、ADC0809、DAC0832、液晶屏、8259和8237之外，還有串口轉(zhuǎn)USB模塊（連接PC）、矩陣鍵盤(pán)、數(shù)碼管、流水燈、撥碼開(kāi)關(guān)、交通燈模型等。

圖4 “軟硬一體化”實(shí)驗(yàn)箱

核心模塊——通用仿真器，是一個(gè)帶USB接口的ARM單片機(jī)，其主要功能是以高頻率定期掃描上述外設(shè)所掛的數(shù)據(jù)和地址總線上的高低電平，然后打包成USB協(xié)議的數(shù)據(jù)塊，通過(guò)USB線傳送到PC機(jī)的proteus虛擬仿真軟件中，在虛擬仿真環(huán)境總線模型延伸出來(lái)的虛擬總線上形成相對(duì)應(yīng)的高低電平；同樣，總線模型也解析虛擬總線上的高低電平信號(hào)，通過(guò)USB總線傳送到通用仿真器上，并在實(shí)驗(yàn)箱的物理總線上模擬出相對(duì)應(yīng)的高低電平。因此，PC虛擬仿真環(huán)境的虛擬總線和實(shí)驗(yàn)箱上的物理總線互相映射，可以看成是一條“總線”。

如圖4所示，在PC機(jī)的虛擬仿真環(huán)境中，學(xué)生可以開(kāi)放式自定義CPU及其指令集，也可以選擇8086、8051、ARM等CPU模型進(jìn)行編程，然后通過(guò)虛擬總線映射到實(shí)驗(yàn)箱的物理總線，控制實(shí)驗(yàn)箱面板上的真實(shí)外設(shè)。這樣，借助虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生不需要繁瑣的接插線，就能快速設(shè)計(jì)和搭建CPU，大大提高實(shí)驗(yàn)速度和可靠性；同時(shí)，學(xué)生可以觀察實(shí)驗(yàn)箱面板上的物理外設(shè)并動(dòng)手實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)“軟硬一體化”的實(shí)驗(yàn)效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生已經(jīng)從過(guò)去的應(yīng)用開(kāi)發(fā)者，向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)者轉(zhuǎn)變。工程師要了解軟件，程序員也要熟悉硬件，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)成為必然發(fā)展趨勢(shì)。虛擬仿真教學(xué)路線就是讓計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生“零基礎(chǔ)”進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)，不追求“高大上”的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，只追求“直觀、便捷、高效”的實(shí)驗(yàn)效果，降低學(xué)習(xí)門(mén)檻，提高學(xué)習(xí)興趣，貼近實(shí)際為基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。我們采用的所有實(shí)驗(yàn)都是“拋磚引玉”的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)，僅僅為師生提供啟發(fā)和參考，教師和學(xué)生可以自由探索，設(shè)計(jì)定制自己的CPU，或者把CPU與多個(gè)外設(shè)組成更加復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。未來(lái)的工作重點(diǎn)是嘗試通過(guò)虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)更復(fù)雜的32位CPU，如MIPS架構(gòu)、RISC-V架構(gòu)等；同時(shí)，在機(jī)器語(yǔ)言編程的基礎(chǔ)上，結(jié)合編譯原理課程，鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)編譯器和匯編器，甚至在自己設(shè)計(jì)的CPU上移植嵌入式操作系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)核心類課程，如計(jì)算機(jī)組成原理、編譯原理和操作系統(tǒng)的大綜合。

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