MIPS匯編指令線上教學(xué)實驗的系統(tǒng)設(shè)計與實踐研究

左冬紅 楊宇寬

關(guān)鍵詞：匯編指令；線上實驗；自動校驗

線上教學(xué)作為互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，應(yīng)用于理論課程非常普遍，在一定程度上緩解了教育發(fā)展的地域不平衡問題。實驗教學(xué)不同于理論教學(xué)，需提供針對實驗課程個性化的實驗環(huán)境以及實驗過程中所遇個性化問題的解決方案，因此線上實驗教學(xué)發(fā)展速度較慢。但線上實驗具有以下優(yōu)點：1） 不受時空限制；2） 不受實驗環(huán)境困擾；3） 可利用計算機輔助實驗結(jié)果檢驗、實驗數(shù)據(jù)記錄、統(tǒng)計、分析，有效減輕實驗教學(xué)人員工作量[1]。因此，業(yè)界仍致力于線上實驗教學(xué)系統(tǒng)的研究[2-5]。

國內(nèi)線上實驗實踐教學(xué)平臺EduCoder，作為支持計算機專業(yè)課程線上實驗實踐的教學(xué)平臺[6]，通過與計算機專業(yè)課程任課教師共同研發(fā)，構(gòu)建了大量線上實驗實踐教學(xué)課程[7-12]。但存在以下問題：1） 若需開設(shè)新的線上實驗課程，需要聯(lián)系平臺后臺研發(fā)人員構(gòu)建新的實驗環(huán)境；2） 平臺評判實踐結(jié)果輸出為純文字，用戶體驗不友好。因此，線上實驗教學(xué)目前流行做法仍然是一課一系統(tǒng)。如近年來教育部及各高校普遍重視虛擬仿真實驗建設(shè)，建設(shè)了一批國家級虛擬仿真實驗中心及虛擬仿真實驗教學(xué)項目，為實驗課在線授課儲備了硬件設(shè)施和教學(xué)資源[13]。

微機原理課程MIPS匯編指令教學(xué)目標(biāo)分為：1） 理解指令架構(gòu)與硬件電路之間的關(guān)系；2） 理解C高級語言結(jié)構(gòu)化語句與匯編指令之間的關(guān)系；3） 具備利用匯編指令解決實際問題的能力。鑒于此，設(shè)計并實現(xiàn)了MIPS匯編指令線上教學(xué)實驗系統(tǒng)，它支持兩大類線上實驗：1） 匯編指令程序設(shè)計線上實驗；2） 匯編指令執(zhí)行流程仿真線上實驗。

1 MIPS 匯編指令線上實驗系統(tǒng)整體架構(gòu)

通過線下線上相結(jié)合的方式實驗實踐，幫助學(xué)生達成匯編指令教學(xué)目標(biāo)，MIPS匯編指令線上實驗系統(tǒng)功能模塊構(gòu)成如圖1所示。該實驗系統(tǒng)根據(jù)實驗任務(wù)分為：匯編指令程序設(shè)計和匯編指令執(zhí)行流程兩大類實驗；根據(jù)用戶可見性分為：人機交互界面和后臺兩大類功能模塊；同時還支持用戶管理和實驗行為數(shù)據(jù)記錄等公共業(yè)務(wù)。

2 MIPS 匯編指令程序設(shè)計實驗設(shè)計

MIPS匯編指令程序設(shè)計實驗根據(jù)實驗任務(wù)的類型，實驗任務(wù)手動發(fā)布流程如圖2所示。

2.2 實驗代碼檢驗流程

實驗代碼檢驗流程為：1） 根據(jù)實驗任務(wù)類型，生成測試案例初始值對應(yīng)內(nèi)存單元、寄存器的初始化匯編指令代碼段；2） 在初始化代碼段后，插入學(xué)生提交的匯編語言代碼，生成一個完整的MIPS匯編語言程序；3） 調(diào)用MARS API編譯，運行該匯編語言程序，并獲取運行結(jié)果，同時將編譯、運行結(jié)果信息實時反饋給學(xué)生，如圖3所示。

實驗結(jié)果信息反饋分為三種：1） 編譯錯誤，顯示編譯錯誤的代碼行號和錯誤信息，并標(biāo)紅提醒；2） 編譯正確且代碼運行后指定寄存器或內(nèi)存單元的值與期望值一致，顯示回答正確；3） 編譯正確但代碼運行后指定寄存器或內(nèi)存單元的值與期望值不完全一致，顯示錯誤的寄存器名稱或內(nèi)存地址，并標(biāo)紅提醒。

3 MIPS 匯編指令執(zhí)行流程實驗

匯編指令運行流程實驗采用虛擬仿真方式展示MIPS簡單匯編指令集指令在簡單指令集MIPS微處理器結(jié)構(gòu)框圖中的運行流程，并考核學(xué)生的掌握情況，以幫助學(xué)生掌握匯編指令與硬件之間的關(guān)系。這部分實驗任務(wù)中的匯編指令代碼段以及考核檢驗都采用自動方式。

3.1 匯編指令代碼段自動生成流程

MIPS簡單指令集僅包含9條指令，涵蓋MIPS匯編指令三種指令編碼格式以及三大類不同功能指令。該實驗僅關(guān)注指令的執(zhí)行流程，而非代碼段的功能，因此不驗證生成的代碼段功能正確與否。匯編指令代碼段自動生成流程如圖4所示。

3.2 指令執(zhí)行過程演示流程

MIPS匯編指令在微處理器結(jié)構(gòu)框圖中的執(zhí)行過程分為五步，演示流程如圖5所示。每一步都由用戶點擊相應(yīng)按鍵交互式動態(tài)演示執(zhí)行過程，既支持前進，也支持回退。

3.3 指令執(zhí)行過程考核流程

指令執(zhí)行過程考核是檢驗學(xué)生對MIPS匯編指令在MIPS微處理器結(jié)構(gòu)框圖中執(zhí)行過程的掌握程度。考核任務(wù)由系統(tǒng)自動智能生成，學(xué)生初次參與考核時，所有指令所涉步驟難度系數(shù)相同，再次考核時系統(tǒng)根據(jù)已完成考核指令回答的正確性，修改對應(yīng)指令的難度系數(shù)，并提高高難度系數(shù)指令的考核強度，考核流程如圖6所示。

4 實驗數(shù)據(jù)和行為記錄

實驗數(shù)據(jù)和行為記錄模塊記錄學(xué)生使用本系統(tǒng)時進行的各類操作和實驗情況，包括學(xué)生登錄系統(tǒng)、查看實驗任務(wù)、編寫并提交實驗代碼、觀看指令執(zhí)行流程演示、參與指令執(zhí)行流程考核的時間、時長等實驗行為以及實驗任務(wù)完成與否、得分情況等實驗數(shù)據(jù)。

實驗行為通過埋點記錄學(xué)生實驗操作的HTTP請求以及操作產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)，如時間信息、點擊次數(shù)、代碼信息、報錯信息等。將這些數(shù)據(jù)持久化存入數(shù)據(jù)庫，既作為系統(tǒng)運行時反饋給用戶的數(shù)據(jù)，也作為實驗教學(xué)過程性考核依據(jù)，還為今后的實驗教學(xué)提供參考依據(jù)。

5 線上實驗系統(tǒng)應(yīng)用

華中科技大學(xué)電信學(xué)院2019級、2020級本科生分別在2021年、2022年4—6月份進行的計算機組成原理與接口技術(shù)實驗課中采用該系統(tǒng)進行了線上匯編指令實驗，其中MIPS匯編指令程序設(shè)計實驗連續(xù)試運行兩年，MIPS匯編指令執(zhí)行流程實驗運行一年。系統(tǒng)在運行期間基本穩(wěn)定工作，總宕機時長少于24小時，最大限度地減少了線上實驗系統(tǒng)對學(xué)生在線學(xué)習(xí)行為的影響，保證了數(shù)據(jù)的可靠性，能滿足學(xué)生利用課余時間進行實驗學(xué)習(xí)的需求。

學(xué)生參與線上實驗情況數(shù)據(jù)如圖7所示，2021、2022年分別有187、354名學(xué)生參與線上實驗。MIPS 匯編指令程序設(shè)計實驗任務(wù)參與人次明顯高于MIPS 匯編指令執(zhí)行流程實驗任務(wù)，這是由于教學(xué)要求中將MIPS 匯編指令程序設(shè)計實驗任務(wù)作為必做實驗，MIPS匯編指令執(zhí)行流程實驗作為選做實驗。

MIPS匯編指令程序設(shè)計實驗共發(fā)布31個實驗任務(wù)，各個實驗任務(wù)在兩次實驗系統(tǒng)運行期間學(xué)生的嘗試次數(shù)分布如圖8所示。從圖中可以看出，不同實驗任務(wù)在系統(tǒng)兩輪運行期間，學(xué)生得到正確實驗結(jié)果所需嘗試的實驗次數(shù)分布基本一致：嘗試次數(shù)越多的實驗任務(wù)對學(xué)生而言相關(guān)知識難度越高，教師可據(jù)此調(diào)整教學(xué)重點。

6 結(jié)束語

本文針對MIPS匯編指令教學(xué)目標(biāo)設(shè)計并實現(xiàn)了一個MIPS匯編指令線上實驗系統(tǒng)。學(xué)生可在線實踐MIPS匯編指令程序設(shè)計，也可在線學(xué)習(xí)MIPS匯編指令在單周期MIPS微處理器中的執(zhí)行過程，并自行考核學(xué)習(xí)效果。教師可根據(jù)教學(xué)需求在線隨時更新匯編指令程序設(shè)計實驗任務(wù)，并收集學(xué)生實驗過程中的行為數(shù)據(jù)，及時了解學(xué)生實驗情況。線上實驗系統(tǒng)所具備的自動檢驗以及自動根據(jù)學(xué)生考核狀況動態(tài)調(diào)整匯編指令執(zhí)行流程的考核內(nèi)容等功能，極大地減輕了教師實驗教學(xué)的負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)記錄的實驗行為以及實驗過程數(shù)據(jù)可幫助教師定位教學(xué)難點、改進教學(xué)方法、提高教學(xué)質(zhì)量。