案例教學(xué)法在計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程中的應(yīng)用

陳 田，丁賢慶，路 強(qiáng)，安 鑫，李建華

（合肥工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程是計算機(jī)專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，知識點(diǎn)較多——有指令集結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)、指令靜態(tài)調(diào)度、指令動態(tài)調(diào)度、cache存儲、多核并行編程等主要知識點(diǎn)。在參考文獻(xiàn)[1-2]中，強(qiáng)調(diào)了動畫教學(xué)和模擬器教學(xué)；動畫教學(xué)需要教師課前制作好相關(guān)的動畫，課程講解中教師將PPT和演示動畫相結(jié)合教學(xué)；模擬器教學(xué)需要教師編寫對應(yīng)的模擬器軟件，利用該軟件，動態(tài)模擬和顯示指令的執(zhí)行過程。比較有名的模擬器軟件有winDLX和DLXView。在參考文獻(xiàn)[3]中，強(qiáng)調(diào)了并行算法編程的重要性，要求在學(xué)習(xí)計算機(jī)結(jié)構(gòu)概念的同時，增強(qiáng)MPI并行編程能力的訓(xùn)練。

通過近幾年計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)該課程存在以下問題：①課程概念較多，學(xué)生覺得內(nèi)容抽象、枯燥難學(xué)；②課程學(xué)時少、教學(xué)知識點(diǎn)多，特別是與計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)的新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)更新很快，這些新知識也要添加到課程中；③綜合性實(shí)驗(yàn)難度較大，難以在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)；④verilog硬件描述語言沒有前序課程涉及，學(xué)生完全自學(xué)感覺費(fèi)力，課設(shè)中要用到該部分知識。針對問題，吸收國內(nèi)外計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的先進(jìn)教學(xué)理念，可以將先進(jìn)教學(xué)方法和創(chuàng)新思想引入課堂。改變以往的灌輸式、照本宣科式的教學(xué)模式，采用案例式教學(xué)為主，并和啟發(fā)式教學(xué)、引導(dǎo)式教學(xué)和討論式教學(xué)相結(jié)合，通過促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高教學(xué)效果。此外，緊跟國際計算機(jī)技術(shù)發(fā)展潮流，不斷更新計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容，在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)協(xié)調(diào)好經(jīng)典知識和先進(jìn)技術(shù)的講授關(guān)系，通過引入科技發(fā)展的新成果和前言知識，拓寬學(xué)生的視野。

1 案例教學(xué)法的具體實(shí)現(xiàn)

為了更好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，為了將抽象的理論和實(shí)踐結(jié)合，可以在課程教學(xué)中，結(jié)合CPU設(shè)計這個具體案例來講解重要知識點(diǎn)。CPU設(shè)計案例教學(xué)法分為3步：第1步，圍繞著CPU設(shè)計這個案例，通過提出問題來激發(fā)學(xué)生主動思考、自主學(xué)習(xí)；第2步，通過理論知識點(diǎn)的引導(dǎo)式學(xué)習(xí)，給后續(xù)的CPU具體設(shè)計打好鋪墊；第3步，課堂上給出CPU設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計作業(yè)讓學(xué)生課后完成具體設(shè)計，以此來鍛煉學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力。

1.1 CPU設(shè)計問題的提出

在課程教學(xué)中可以先用2個學(xué)時補(bǔ)充verilog相關(guān)知識，然后給出任務(wù)：設(shè)計一個具有6條指令的CPU。這6條指令分別是Load指令、Store指令、Mov指令、Add指令、Xor指令和Bnz指令，這6條指令涵蓋了訪存指令、傳送指令、算術(shù)與邏輯指令和分支指令，具有一定的代表性。假設(shè)這6條指令的機(jī)器碼已經(jīng)給出（如圖1所示）。

圖1 6條指令的機(jī)器碼

1.2 結(jié)合案例設(shè)計過程學(xué)習(xí)主要知識點(diǎn)

課程案例設(shè)計教學(xué)中將該任務(wù)分解成多個子任務(wù)。實(shí)現(xiàn)每個子任務(wù)前，先講解理論知識點(diǎn)，然后用verilog實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)。圍繞著每個子過程的設(shè)計，學(xué)生可以先提出問題，進(jìn)行知識點(diǎn)學(xué)習(xí)。理論講解以引導(dǎo)為主、自學(xué)為輔。教學(xué)中強(qiáng)調(diào)夯實(shí)基礎(chǔ)，注重綜合應(yīng)用，減少重復(fù)。將學(xué)生由“被動實(shí)踐”變?yōu)椤爸鲃訉?shí)踐”，學(xué)生的質(zhì)疑力、觀察力和協(xié)同力得到了培養(yǎng)和提高。

1.2.1 結(jié)合機(jī)器碼的分段，學(xué)習(xí)I、R、J類型指令格式

在講解指令系統(tǒng)之前，首先拋出3個問題讓同學(xué)們思考。問題1：圖1中的指令怎樣分段。從而看出操作碼和地址碼部分？問題2：怎樣看出圖1地址碼部分對應(yīng)的操作數(shù)代表的是整數(shù)還是浮點(diǎn)數(shù)？問題3：怎樣知道地址碼中對應(yīng)的是內(nèi)存地址還是寄存器編號？然后帶著這3個問題開始指令系統(tǒng)部分理論學(xué)習(xí)[4-5]。最后給出上述3個問題的答案。問題1：在MIPS指令集中，將機(jī)器碼分為I、R、J三種類型，在I類型指令中將機(jī)器碼分為4段。在R類型指令中將機(jī)器碼分為6段。在J類型指令中將機(jī)器碼分為2段。問題2：數(shù)據(jù)表示常見的有兩種。其一是帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示，通過操作數(shù)的前幾位指明數(shù)據(jù)是整數(shù)還是浮點(diǎn)數(shù)。另一種是通過不同的操作碼來指明后面的操作數(shù)是整數(shù)還是浮點(diǎn)數(shù)。問題3：通過操作碼來指明地址碼中對應(yīng)的是內(nèi)存地址還是寄存器編號。回答完問題后，再結(jié)合圖1中的機(jī)器碼來介紹MIPS、arm和X86不同指令集的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.2.2 結(jié)合操作碼的設(shè)計，學(xué)習(xí)流水線和流水線中狀態(tài)機(jī)的設(shè)計（譯碼）

講解指令流水線之前，首先提出2個問題。問題1：圖1中6條指令怎樣實(shí)現(xiàn)能使總執(zhí)行時間最短？問題2：如果這些指令的操作碼已經(jīng)知道，怎樣設(shè)計指令譯碼器部分？帶著這兩個問題，開始流水線章節(jié)的理論學(xué)習(xí)，最后給出上述2個問題的答案。問題1：采用流水線技術(shù)能夠加快多條指令的執(zhí)行速度[6]。問題2：由于不同操作碼對應(yīng)的控制信號不同，可以用時序電路設(shè)計中常用到的狀態(tài)機(jī)設(shè)計技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

1.2.3 結(jié)合操作碼的設(shè)計，學(xué)習(xí)相關(guān)的檢測機(jī)理

在介紹流水線中“相關(guān)”理論知識點(diǎn)之前，首先提出一個問題，圖1中6條指令中，如果出現(xiàn)后面指令需要用到前面指令的結(jié)果，怎樣檢測和處理？帶著該問題學(xué)習(xí)指令相關(guān)的理論知識點(diǎn)，然后給出問題答案：在流水線的譯碼階段，檢測前后兩條指令的地址碼是否相同，如果相同就認(rèn)為出現(xiàn)了數(shù)據(jù)相關(guān)。處理數(shù)據(jù)相關(guān)的辦法很多，其中常用解決方法是：由“相關(guān)”檢測電路發(fā)控制信號給多路開關(guān)從而使數(shù)據(jù)定向通路打開，或者使后一條指令暫停，或者通過編譯器進(jìn)行指令靜態(tài)調(diào)度來消除數(shù)據(jù)相關(guān)。

1.2.4 結(jié)合地址碼的設(shè)計，講述訪存階段

講述流水線中訪存階段時，首先提出2個問題。問題1：如何在指令中指明尋址方式？問題2：由于存儲器地址的特殊性，如何在間接尋址中，計算出正確的絕對地址？介紹完寄存器尋址、立即數(shù)尋址、間接尋址等10種尋址方式后，給出答案。問題1：在指令系統(tǒng)中尋址方式可以通過操作碼來指明，一般系統(tǒng)中只保留常用的幾種尋址方式，從而使譯碼系統(tǒng)簡化，提高性價比。問題2：可以在流水線的執(zhí)行階段來實(shí)現(xiàn)絕對地址的計算，這樣就可以不必額外添加進(jìn)行絕對地址計算的運(yùn)算器，但是需要增加多路開關(guān)來實(shí)現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)的分時選擇和計算。

1.2.5 結(jié)合運(yùn)算器設(shè)計，講述定向通路，并行操作（多操作部件的設(shè)計），超長指令字技術(shù)

在講述運(yùn)算器的設(shè)計時，首先提出3個問題。問題1：圖1中6條指令對應(yīng)的運(yùn)算器怎樣實(shí)現(xiàn)性價比高？問題2：如果有減法指令，怎樣在加法器上設(shè)計？問題3：如果要實(shí)現(xiàn)多條指令完全并行執(zhí)行，運(yùn)算器怎樣設(shè)計？講述完運(yùn)算器的主要功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等主要知識點(diǎn)后，給出上述問題的答案。問題1：圖1中6條指令對應(yīng)的運(yùn)算器應(yīng)該采用復(fù)用技術(shù)，共用同一個運(yùn)算器，通過多路開關(guān)控制運(yùn)算器的輸入，并且構(gòu)成指令流水線，性價比更好。問題2：對于減法指令，可以通過補(bǔ)碼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為加法，從而減少硬件成本。問題3：如果要實(shí)現(xiàn)多條指令完全并行執(zhí)行，運(yùn)算器就需要設(shè)置多個，例如設(shè)置整數(shù)運(yùn)算器、浮點(diǎn)運(yùn)算器、地址運(yùn)算器等，利用硬件成本代價的增加來提高并行速度。

1.2.6 結(jié)合流水線指令階段和寫回階段，講述Tomasulo算法和指令動態(tài)執(zhí)行技術(shù)

在講述指令動態(tài)執(zhí)行技術(shù)時，首先提出2個問題。問題1：圖1中6條指令能否順序流出，亂序執(zhí)行？怎樣實(shí)現(xiàn)？問題2：能否設(shè)計一個能實(shí)現(xiàn)100條指令亂序的執(zhí)行系統(tǒng)？如果能需要考慮哪些問題？講述完Tomasulo算法和指令保留站知識點(diǎn)后，給出問題的答案。問題1：圖1中6條指令能順序流出，亂序執(zhí)行，關(guān)鍵是要有多個保留站和多個執(zhí)行部件，通過保留站消除指令之間的相關(guān)，通過多個執(zhí)行部件的并行工作，實(shí)現(xiàn)了亂序執(zhí)行。問題2：要實(shí)現(xiàn)100條指令的亂序執(zhí)行，系統(tǒng)設(shè)計中就要求至少有100個保留站，執(zhí)行部件數(shù)量如果比較少，很難有好的并行性，并且100條指令之間相關(guān)檢測硬件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，總之，100條指令的亂序執(zhí)行理論上能實(shí)現(xiàn)，但是硬件成本高，系統(tǒng)性價比低。

圍繞著CPU設(shè)計提出對應(yīng)的問題，只是為了激發(fā)學(xué)生們主動學(xué)習(xí)積極性，通過verilog硬件描述語言來動手設(shè)計CPU，就可以將理論知識和實(shí)踐結(jié)合，加深對相關(guān)知識點(diǎn)的理解和掌握，同時通過設(shè)計的完成，鍛煉了學(xué)生們的動手能力和創(chuàng)新能力。設(shè)計過程以課堂引導(dǎo)為主，學(xué)生自主設(shè)計為輔。這樣就與課內(nèi)學(xué)時比較少的實(shí)際情況相吻合，同時給學(xué)生們課后作業(yè)留下了任務(wù)，達(dá)到了課內(nèi)教學(xué)和課外訓(xùn)練的齊頭并進(jìn)。

1.3 案例教學(xué)中采用的軟硬件環(huán)境和系統(tǒng)框架圖

案例教學(xué)中采用的硬件是Xilinx virtex5開發(fā)板，軟件環(huán)境是ISE10.4。課程教學(xué)時將該設(shè)計任務(wù)分解成多個子任務(wù)，包括取指令部件的設(shè)計、譯碼部件的設(shè)計、運(yùn)算器部件的設(shè)計、存儲器部件的設(shè)計、寫回部件的設(shè)計等，實(shí)現(xiàn)每個子任務(wù)前，先講解理論知識點(diǎn)，然后用verilog實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)。這樣就將理論知識點(diǎn)和動手設(shè)計結(jié)合起來，一邊講，一邊練，一邊討論，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。在設(shè)計環(huán)節(jié)主要是通過verilog硬件描述語言設(shè)計出對應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)[7,2]。對于五段指令流水線，可以先畫出系統(tǒng)框圖（如圖2所示），根據(jù)系統(tǒng)框圖給出每個verilog代碼模塊的輸入與輸出引腳。

圖2 流水線系統(tǒng)框圖

案例設(shè)計中，需要設(shè)計時鐘模塊。時鐘模塊可以提供對主時鐘信號的分頻、倍頻、移相等功能，給流水線電路提供對應(yīng)的時鐘信號（如圖3所示）。在時鐘模塊中，輸入信號有CLKIN_IN和復(fù)位信號RST_IN，輸出信號為CLK0_OUT、CLK180_OUT和鎖頻信號LOCKED_OUT。只有在輸出時鐘信號穩(wěn)定的情況下，鎖頻信號LOCKED_OUT才變?yōu)橛行У母唠娖?，否則為低電平。圖4是時鐘波形圖。從圖4中可以看出，在鎖頻信號LOCKED_OUT上升沿來臨前，時鐘信號CLK0_OUT、CLK180_OUT的信號是不穩(wěn)定的。在時鐘信號穩(wěn)定后， CLK0_OUT信號的相位與CLKIN_IN相位相同，CLK180_OUT信號的相位與CLKIN_IN相位相差180度。

圖3 時鐘模塊圖

圖4 時鐘波形圖

案例教學(xué)中，針對每個流水段先確定輸入和輸出引腳數(shù)目，然后設(shè)計輸出和輸入之間的邏輯結(jié)構(gòu)。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，上課時只給出系統(tǒng)框圖和關(guān)鍵模塊的設(shè)計，其它次要部分就作為設(shè)計作業(yè)，讓學(xué)生課后完成，完成的作業(yè)要提交給老師評分。通過這種動手設(shè)計，學(xué)生能主動思考問題，積極給出設(shè)計結(jié)果，同時還會為下次課的學(xué)習(xí)積極準(zhǔn)備，激發(fā)了學(xué)生求解未知知識的興趣。教師也能通過學(xué)生的設(shè)計，收獲頗多。

2 案例法教學(xué)效果

理論結(jié)合實(shí)踐，采用案例教學(xué)法具有理解快、記憶效果好的特點(diǎn)。從實(shí)施的效果來看，學(xué)生上課積極性得到提高，實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量穩(wěn)步上升，學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究的熱情高漲，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，達(dá)到了本課程要求的培養(yǎng)研究和應(yīng)用兼重的復(fù)合型人才的目標(biāo)。在學(xué)生教學(xué)評價中，學(xué)生反饋是“通過設(shè)計，全面認(rèn)識了計算機(jī)系統(tǒng)”“設(shè)計過程就是一個非常好的理解和掌握過程”“看著我的設(shè)計作品，我有種成就感”等。 通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，采用案例教學(xué)法后，期末考試平均成績得到了提升，成績?yōu)椤皟?yōu)秀”的人數(shù)也在上升。同樣，采用案例教學(xué)法后，課程設(shè)計完成難度和優(yōu)秀比例也得到了提升。

3 結(jié)語

計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，推動著課程建設(shè)的不斷改革和創(chuàng)新[8]。筆者下一步的改革思路是：以自主設(shè)計的CPU為核心，完善外設(shè)和操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)，從而形成一個完整的系統(tǒng)。方法是：采用FPGA設(shè)計基于arm指令集的CPU，在非易失性存儲器flash中裝載linux嵌入式操作系統(tǒng)。通過配置引導(dǎo)程序參數(shù)，使系統(tǒng)啟動時能直接運(yùn)行flash存儲器中存放的虛擬機(jī)和嵌入式應(yīng)用程序。通過開發(fā)嵌入式驅(qū)動程序，讓CPU可以接收輸入外設(shè)傳送過來的信號，也可以控制輸出外設(shè)進(jìn)行正確的工作。這種案例教學(xué)法對于學(xué)生全面理解課程知識點(diǎn)，加強(qiáng)動手能力和創(chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)有著積極的意義[9]。