結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)競(jìng)賽推動(dòng)系統(tǒng)類課程群建設(shè)

李東勤，徐勇，常郝，陳曉玲

（安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，蚌埠 233030）

0 引言

人類已經(jīng)進(jìn)入了以移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)為代表的第三代信息化浪潮時(shí)代。隨著這些新技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用呈現(xiàn)出新的特征，形成了嵌入式計(jì)算系統(tǒng)、移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)、并行計(jì)算系統(tǒng)和基于服務(wù)的計(jì)算系統(tǒng)等四種新型的計(jì)算系統(tǒng)。新形勢(shì)下對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的人才培養(yǎng)也提出了更高的要求，需要計(jì)算機(jī)專業(yè)人才更加深入掌握計(jì)算機(jī)內(nèi)部的設(shè)計(jì)原理和工作機(jī)制，具備更深、更廣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用能力，即具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。如何培養(yǎng)具備系統(tǒng)能力的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才，如何能讓我們的學(xué)生在掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)思想和工作原理的基礎(chǔ)上，具備設(shè)計(jì)、開發(fā)和調(diào)試以計(jì)算技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)能力[1-3]。在2010年教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)成立“計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究組”，2015至2016年、2017年、2018年教指委分別批準(zhǔn)成立第一、二、三批高等院校系統(tǒng)能力培養(yǎng)示范院校和試點(diǎn)院校，安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)于2018年入選第三批試點(diǎn)校。

為落實(shí)教指委的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)計(jì)劃，安徽省系統(tǒng)能力培養(yǎng)工作組在2017年4月23日舉辦的“安徽省高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)專題研討會(huì)”上確定“以比賽作為推手，來(lái)推進(jìn)FPGA在高校系統(tǒng)類課程的逐步應(yīng)用”，并于同年11月在合肥工業(yè)大學(xué)舉辦安徽省第一屆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)競(jìng)賽。到目前為止，該比賽已經(jīng)連續(xù)舉辦兩屆，大賽以學(xué)科競(jìng)賽推動(dòng)專業(yè)建設(shè)、培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)，選拔未來(lái)我國(guó)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化與應(yīng)用人才，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。通過(guò)比賽來(lái)進(jìn)一步推動(dòng)高校計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)教學(xué)改革，為高質(zhì)量專業(yè)人才搭建交流、展示、合作的平臺(tái)，助力產(chǎn)學(xué)研，對(duì)大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)產(chǎn)生積極的影響。

筆者通過(guò)組織和指導(dǎo)學(xué)生參加兩屆安徽省計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)競(jìng)賽，認(rèn)真反思了我校計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件類課程教學(xué)，結(jié)合我校計(jì)算機(jī)專業(yè)的實(shí)際情況以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的需求，提出了建設(shè)相關(guān)課程群的改革思路。

1 目前我校計(jì)算機(jī)專業(yè)課程教學(xué)存在的問(wèn)題

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)競(jìng)賽更加注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，是對(duì)學(xué)生知識(shí)的綜合考核。這就要求我們的課程教學(xué)要結(jié)合時(shí)代的需求，體現(xiàn)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)性和完整性。但我校計(jì)算機(jī)專業(yè)在相關(guān)課程教學(xué)和實(shí)踐操作中還存在諸多問(wèn)題。

1.1 課程教學(xué)缺乏足夠的系統(tǒng)性

我校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類相關(guān)課程主要包括：數(shù)字電子技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理、編譯原理、操作系統(tǒng)等，期望通過(guò)開設(shè)這些課程幫助我們的學(xué)生建立起完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)和框架。然而學(xué)完這些課程，學(xué)生對(duì)各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系和彼此作用還是了解不夠深刻，也搞不清楚各子系統(tǒng)之間的銜接機(jī)制，缺乏完整性和系統(tǒng)性。

究其原因，目前我們的教學(xué)仍然以讓學(xué)生了解知識(shí)為目標(biāo)，而非以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)。雖然我們也重視了課程體系建設(shè)，但各課程之間的銜接和關(guān)聯(lián)考慮不夠。教學(xué)內(nèi)容上，各門課程都是獨(dú)立規(guī)劃、獨(dú)立教學(xué)的，極易造成同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)在相關(guān)課程中的重復(fù)講解。同時(shí)，各課程之間的知識(shí)點(diǎn)缺乏前后銜接和有效整合，造成課程之間銜接關(guān)系的脫節(jié)，更是難以形成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系。另外，在教學(xué)方法上，各課程多以分析式教學(xué)方法偏多，更加注重基本原理的講解，缺乏對(duì)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)較為全面的闡述，其結(jié)果是學(xué)生掌握了基本概念和原理，卻難以轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本能力。

1.2 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在的不足

目前安徽省計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)競(jìng)賽題目涉及的課程主要包括數(shù)字邏輯和計(jì)算機(jī)組成原理，其題目?jī)?nèi)容主要是組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路以及CPU的設(shè)計(jì)，就是實(shí)現(xiàn)從邏輯門到CPU的過(guò)程。通過(guò)組織和指導(dǎo)學(xué)生參加比賽，我們發(fā)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)成為目前國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)教育的新動(dòng)向的大背景下，我校計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)仍然存在諸多不足，無(wú)法適應(yīng)時(shí)代的需求。

首先，我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是以課程為單位的，就是每門課程設(shè)置了各自的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也是以完成該課程的教學(xué)目標(biāo)為目的，缺乏系統(tǒng)級(jí)的統(tǒng)一規(guī)劃，這樣就使得學(xué)生很難建立系統(tǒng)觀。各門實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)成果也是獨(dú)立，沒(méi)有考慮過(guò)將這些實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行有效的集成，形成規(guī)模更大的系統(tǒng)。因此，學(xué)生很難真正從完整系統(tǒng)的角度去理解計(jì)算機(jī)，在他們眼里是只見樹木，不見森林。在對(duì)參賽學(xué)生的指導(dǎo)過(guò)程中，我們還發(fā)現(xiàn)，在建立各個(gè)功能部件連接過(guò)程中，就是自己畫數(shù)據(jù)通路圖時(shí)，學(xué)生感覺(jué)難度很大。究其原因，我們平時(shí)的實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)各個(gè)功能部件的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生理解系統(tǒng)運(yùn)行的基本原理和工作機(jī)制，但缺乏對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生無(wú)法面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)中存在的較為深刻的問(wèn)題以及各個(gè)子系統(tǒng)之間的銜接機(jī)制。同時(shí)，我們學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件類實(shí)驗(yàn)課程，像數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口技術(shù)等，都是使用各自的實(shí)驗(yàn)箱，獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)法建立課程間的任何聯(lián)系和融合。

2 以競(jìng)賽為抓手推動(dòng)系統(tǒng)類課程群建設(shè)

為了彌補(bǔ)我校計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)類課程在實(shí)際教學(xué)中存在的不足，提升我校計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力，結(jié)合教指委對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的相關(guān)要求，對(duì)我校計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系進(jìn)行改革，以設(shè)計(jì)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為總體目標(biāo)，逐步建立推進(jìn)式、循序漸進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類課程群。依據(jù)改革目標(biāo)和我校計(jì)算機(jī)專業(yè)的實(shí)際情況，首先選擇數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口技術(shù)、操作系統(tǒng)、編譯原理等五門核心課程，組建為我校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類課程群，具體課程群組成及其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類課程群組成及其關(guān)系

2.1 實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的統(tǒng)一規(guī)劃

根據(jù)教指委提出的以系統(tǒng)發(fā)展觀為主線的改革思想，認(rèn)真研究我校上述五門核心課程的教學(xué)內(nèi)容，查找各課程知識(shí)點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容的不足，注重各課程知識(shí)點(diǎn)之間的有效銜接，同時(shí)避免知識(shí)點(diǎn)的重復(fù)講述，強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)涵，強(qiáng)化各課程的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐基礎(chǔ)，確保各課程教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐項(xiàng)目真正服務(wù)于頂層總目標(biāo)，強(qiáng)化核心功能模塊設(shè)計(jì)。

首先，在數(shù)字邏輯課程中，重點(diǎn)講解組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路以及狀態(tài)機(jī)的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)。在后續(xù)的計(jì)算機(jī)組成原理中，重點(diǎn)講解MIPS指令系統(tǒng)；基于簡(jiǎn)單MIPS指令集單周期微處理器的具體實(shí)現(xiàn)方法，講解單周期和流水方式的硬布線控制器和微程序控制器；講解中斷機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)中斷請(qǐng)求、中斷響應(yīng)和中斷服務(wù)及中斷返回等功能；講解存儲(chǔ)器原理和Cache機(jī)制，實(shí)現(xiàn)虛存管理機(jī)制。在微機(jī)原理與接口技術(shù)課程中，重點(diǎn)講解接口和匯編程序、標(biāo)準(zhǔn)總線、接口低層驅(qū)動(dòng)程序，提供各類外部設(shè)備接口、中斷接口、存儲(chǔ)器接口。在操作系統(tǒng)課程中，以MIPS32指令集作為操作系統(tǒng)的目標(biāo)平臺(tái)；強(qiáng)調(diào)操作系統(tǒng)原理、操作系統(tǒng)的核心算法。在編譯原理中以MIPS32指令集作為編譯器的目標(biāo)平臺(tái)，強(qiáng)調(diào)編譯技術(shù)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整機(jī)的關(guān)聯(lián)。

在基本理順各課程教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)的基礎(chǔ)上，在具體教學(xué)過(guò)程中要不斷改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段。注重基本原理講解的同時(shí)，要逐步強(qiáng)化工程化實(shí)現(xiàn)方法的訓(xùn)練，為復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)，力求學(xué)生在系統(tǒng)原理和工程實(shí)現(xiàn)方法兩方面均有收獲。工程方法可能不是最優(yōu)的，但應(yīng)該是簡(jiǎn)單且有效的，可以讓學(xué)生一步步達(dá)到實(shí)踐目標(biāo)。

2.2 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)類課程群實(shí)踐教學(xué)一體化設(shè)計(jì)

實(shí)踐可以說(shuō)是內(nèi)容最豐厚的教科書，也是能力培養(yǎng)最好的課堂。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)中，實(shí)踐起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)中更加強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)，就是強(qiáng)調(diào)實(shí)踐應(yīng)具有一定的規(guī)模性和復(fù)雜度[4-9]。我校目前的硬件類課程實(shí)踐體系中實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等均是以課程為獨(dú)立單位設(shè)計(jì)的，缺乏一體化設(shè)計(jì)，加之原有課程結(jié)構(gòu)不夠完整，因此多門課程的實(shí)驗(yàn)成果也不能融合成為完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)而無(wú)法幫助學(xué)生建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念。

改革之初，我們?cè)诘谒膶W(xué)期數(shù)字邏輯實(shí)踐課程中，首先拋棄原先的以插線為主的實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)模式，選擇Logisim。Logisim作為一款用于設(shè)計(jì)和仿真數(shù)字邏輯電路的教學(xué)仿真工具，其界面簡(jiǎn)單、電路仿真直觀，同時(shí)可以克服原先實(shí)驗(yàn)箱龐大、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所和時(shí)間固定的缺陷。Logisim虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最大的特點(diǎn)就是可以使學(xué)生重在設(shè)計(jì)，調(diào)試相對(duì)容易，教師指導(dǎo)起來(lái)也方便容易，對(duì)于學(xué)生的設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)收也比較容易，不需要任何其他成本，實(shí)驗(yàn)不受場(chǎng)地和時(shí)間的限制，學(xué)生隨時(shí)可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)學(xué)生之間也很難互相抄襲。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)課時(shí)有限，因此我們要求學(xué)生通過(guò)自學(xué)熟悉Logisim環(huán)境，然后在實(shí)驗(yàn)課堂上利用Logisim實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯電路，包括編碼器、譯碼器、多路選擇器、加法器、比較器等組合邏輯電路以及寄存器、計(jì)數(shù)器和狀態(tài)機(jī)。通過(guò)設(shè)計(jì)和仿真，讓學(xué)生對(duì)數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)思想有很清晰的認(rèn)識(shí)。接下來(lái)要求學(xué)生在暑假期間，自學(xué)Verilog語(yǔ)言。Verilog語(yǔ)言創(chuàng)始于1984年，由Gateway設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司開發(fā)（被Cadence收購(gòu)），于1995年被IEEE確定為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言（IEEE 1364-1995/Ver?ilog-95），它與C語(yǔ)言編程風(fēng)格相似，最大的特點(diǎn)就是學(xué)習(xí)難度相對(duì)較低，易于上手。該語(yǔ)言對(duì)門級(jí)開關(guān)電路描述強(qiáng)，同時(shí)System Verilog的發(fā)布增強(qiáng)了系統(tǒng)級(jí)描述的能力。Verilog語(yǔ)言既是一種行為描述的語(yǔ)言，也是一種結(jié)構(gòu)描述的語(yǔ)言；它既可以用電路的功能描述也可以用元器件和它們之間的連接來(lái)建立所設(shè)計(jì)電路的Verilog HDL模型。Verilog模型可以是實(shí)際電路的不同級(jí)別的抽象。同時(shí)，要求學(xué)生自行熟悉Vivado環(huán)境，將所有數(shù)字邏輯電路通過(guò)Verilog語(yǔ)言進(jìn)行描述，通過(guò)Vivado環(huán)境，在FPGA開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的融合。有了邏輯門和語(yǔ)言環(huán)境基礎(chǔ)后，在接下來(lái)的第五學(xué)期，我們開設(shè)計(jì)算機(jī)組成原理課程，擬安排漢字編碼實(shí)驗(yàn)、CRC校驗(yàn)碼設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、可控加減法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、ALU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、Cache硬件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、MIPS單周期處理器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（8條指令）、MIPS多周期處理器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（硬布線控制器設(shè)計(jì)、微程序控制器設(shè)計(jì)）。要求學(xué)生首先在Logisim上實(shí)現(xiàn)，這個(gè)相對(duì)比較容易。當(dāng)學(xué)生理解其基本原理和思想后，通過(guò)Verilog語(yǔ)言進(jìn)行描述，在Vivado環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)FPGA開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。在接下來(lái)的寒假時(shí)間中，我們計(jì)劃安排綜合課程設(shè)計(jì)，用兩周的時(shí)間要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)流水CPU，將前面的單周期修改為五段流水，包括取指令、譯碼、執(zhí)行、訪存和寫回，考慮分支相關(guān)和數(shù)據(jù)相關(guān)。通過(guò)兩個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)以及綜合的課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠真正掌握和理解計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想和工作原理，實(shí)現(xiàn)從邏輯門到CPU。同時(shí)將實(shí)驗(yàn)成果延伸到后續(xù)課程操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和編譯原理實(shí)驗(yàn)中，最終實(shí)現(xiàn)我校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類課程群的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)即設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)CPU、一個(gè)操作系統(tǒng)、一個(gè)編譯器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)參加安徽省計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)競(jìng)賽，看到了我校計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系在教學(xué)和實(shí)踐方面存在的不足，并提出了整改措施，真正做到了以賽促學(xué)，以賽促教的目的。在推進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類課程群的建設(shè)過(guò)程中，我們注重圍繞頂層總體目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，重構(gòu)各課程的知識(shí)體系，重實(shí)踐強(qiáng)系統(tǒng)，構(gòu)造逐步推進(jìn)式實(shí)驗(yàn)體系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力的逐步培養(yǎng)。我校目前存在教師系統(tǒng)能力不足、學(xué)生缺乏系統(tǒng)級(jí)工程訓(xùn)練、軟硬件失衡等諸多客觀問(wèn)題，因此計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，不可能一蹴而就的，還有很漫長(zhǎng)的路要走。我們需要通過(guò)FPGA、EDA專題培訓(xùn)，提升硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐能力；利用工程觀、系統(tǒng)觀豐富教學(xué)設(shè)計(jì)，充實(shí)教學(xué)內(nèi)容；建立課程群建設(shè)小組，統(tǒng)一教學(xué)與實(shí)踐指導(dǎo)。