第 17 期袁春风, 等 : 计算机组成原理课程实践教学探索 111 续表 MIT UC-Berkeley Stanford University CMU 教材 ** 未指定 ( 讲义 ) C"K&R"+ COD "P&H" + WSC B&H APP"B&O"+ C"K&R" APP"B&O"+

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堕周
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1 110 计算机教育第 17 期 2011 年 9 月 10 日 Computer Education No.17 Sep.10,2011 文章编号 : (2011) 中图分类号 :G642 文献标识码 :A 计算机组成原理课程实践教学探索袁春风, 张泽生, 蔡晓燕, 杨若瑜, 王帅 ( 南京大学计算机科学与技术系, 江苏南京 ) 摘要 : 文章首先介绍国外相关课程的实践教学情况 ; 在分析对比国内计算机组成原理课程实践教学情况的基础上, 提出相应的实践教学改革思路, 规划出一整套实践教学方案南京大学在相关课程的实践教学方面对这些改革方案进行了探索, 实践结果表明, 这种改革方案是有效的关键词 : 计算机组成原理 ; 实践教学 ; 教学改革 ; 课程实验 1 计算机组成原理是计算机专业最重要的核心基础课之一, 在整个计算机专业教学中起着重要的承上启下的作用该课程对于学生完整地理解计算机系统的层次结构, 系统地建立计算机整机概念, 培养学生对计算机系统的分析应用设计及开发能力, 都具有非常重要的作用从国内高校计算机组成原理课程的教学情况来看, 大部分高校都把它当成一门纯硬件课程进行介绍, 最多加入一些汇编程序设计方面的内容对于课程的实验内容, 大多数高校还是停留在验证性实验阶段, 这样的教学理念和实验内容, 没有让学生参与和经历从高级语言程序到机器代码从机器代码到机器结构的转换过程, 也没有让学生针对一个给定的指令系统, 分析设计出实现该指令系统的计算机基本部件和完整框架结构, 因而, 很难使学生能够真正了解计算机系统的工作原理和硬件系统结构, 实验手段和教学内容与现代计算机技术的发展水平和实际情况脱节, 与国外一流大学相比有很大差距, 因此, 迫切需要进行教学内容和教学模式的改革探索, 特别是实践环节的教学改革 2 表 1 美国部分大学计算机专业相关课程实验教学基本情况为了更好地规划相关课程的课程体系和教学内容, 改革现有的实践教学模式和教学内容, 我们对美国几所一流大学计算机专业相关课程的实验情况进行了跟踪调查表 1 给出了对 MIT UC-Berkeley Stanford 大学 CMU 这四所大学相关课程的实验情况总结这些信息源自这些大学相关课程的最新课程网站 [1-7] MIT UC-Berkeley Stanford University CMU Great Ideas in Computer Computer Organization and Introduction to Computer 课程名称 Computation Structures Architecture (Machine Structures) Systems(COS) System(ICS) 开设专业 * EE CS CS CS CS 课程描述门电路功能部件单周期和流水线 CPU; C 语言汇编指令过程进程 ; 并行性能评价 C 语言汇编指令 ; 应用级并行数据级并行线程级并行指令级并行寄存器传送级硬件描述 C 语言汇编指令微体系结构 ; 编译链接装入执行 ; 程序性能优化存储器结构与管理并发和多线程网络编程 C 语言汇编指令微体系结构 ; 编译链接装入执行 ; 程序性能优化存储器结构与管理并发和多线程网络编程作者简介 : 袁春风, 女, 教授, 研究方向为 Web 信息检索与本文挖掘多媒体文档处理计算机体系结构 ; 张泽生, 男, 高工, 研究方向为计算机体系结构嵌入式系统 ; 蔡晓燕, 女, 工程师, 研究方向为微电子技术嵌入式系统 ; 杨若瑜, 女, 副教授, 研究方向为图形图像处理 ; 王帅, 男, 讲师, 研究方向为计算机体系结构嵌入式系统

2 第 17 期袁春风, 等 : 计算机组成原理课程实践教学探索 111 续表 MIT UC-Berkeley Stanford University CMU 教材 ** 未指定 ( 讲义 ) C"K&R"+ COD "P&H" + WSC B&H APP"B&O"+ C"K&R" APP"B&O"+ C"K&R", 模型机自定义 (RISC) MIPS(RISC) IA32 IA32 助教人数未列出先行课程或要求了解程序设计语言, 具备电子技了解和掌握 C 语言程序设计技了解和掌握 C 语言程序设计技了解和掌握 C 语言程序设计技术术基础知识术术实验内容共 12 个实验和 4 个大作业, 涉及共 8 个实验和 7 个大作业, 涉及共 7 个实验, 涉及数据的表示共 8 个实验, 涉及门电路特性到 Debug EC2 MapReduce, 数据的表示堆区分配过程 Cache 缓冲区溢出过程调用 ALU 图灵机汇编处理器设 MIPS 汇编数据级并行线程调用和栈的构成及使用溢出及栈的构成与使用堆的分配计鼠标中断方式 I/O 等级并行 Cache 虚拟存储管理编译工具和编译优化等, 大作代理设置等, 实验成绩占 50% 等, 大作业和实验成绩占 60% 业和实验成绩占 60% 实验手段各类模拟器编程云计算平台模拟器编程编程 CS 学生可选 ECE 开设的课程数字系统设计和计算机体后继课程为 Digital Systems Introduction to Computer 数字系统设计和计算机体系结构及工程等, 涉及 CPU 设 Ⅱ, 教材为 COD"P&H", 主要相关后继课程及其实 Architecture, 教材为系结构及系统等, 涉及 CPU 设计计实验和体系结构方面的模拟是流水线 CPU 和存储系统设验教学内容 COD"P&H", 主要是流水线实验和体系结构方面的模拟实验实验, 前者是同时为 CS 和 EE 的计, 实验为用 DHL 设计 CPU(CS CPU 和存储系统设计, 实验为学生开设的课程学生不需要 ) 用 Verilog 语言设计 CPU 注 *:EE 指电子工程 (Electrical Engineering);CS 指计算机科学 (Computer Science);ECE 指电子及计算机工程 (Electrical and Computer Engineering) 注 **: 教材 C "K&R" 指 The C Programming Language, 2nd edition by Brian W. Kernighan and Dennis M. Ritchie; 教材 COD "P&H" 指 Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, 4th Edition by Patterson and Hennessy; 教材 APP"B&O" 指 A Programmer's Perspective, 2nd edition by Randal E. Bryant and David R. O'Hallaron; 教材 WSC B&H 指 The Datacenter as a Computer: An Introduction to the Design of Warehouse-Scale Machines by Luiz Andre Barroso and Urs Holzle 从表 1 可以看出, 这些学校开设的相关课程都只要求选课学生具有 C 语言或同类编程语言的程序设计基础, 能熟练使用计算机即可 MIT 的相关课程更偏重于硬件底层,UC-Berkeley 的次之, 而 Stanford 和 CMU 的类似, 主要从程序员角度介绍计算机系统, 更偏向于系统软件层面 MIT 的相关课程 Computation Structures 同时面向 EE 和 CS 两个专业开设 ; 其实验教学模式是通过各类模拟器实现从门电路特性汇编处理器到 I/O 等偏硬件层面上的分析和设计实验 UC-Berkeley 的相关课程从 2011 年开始有比较大的改变, 原先的课程名称为 Machine Structure, 现在改为 Great Ideas in Computer Architecture ; 所用教材除了原先使用的一本关于 C 语言和一本关于计算机组成与设计方面的以外, 还将一本关于数据中心计算机系统的教材增加为课后阅读材料 ; 涉及的实验项目也有非常大的改变, 原先的 14 个实验主要分五类 :C 语言编程实验汇编程序设计实验流水线 CPU 等硬件逻辑电路设计实验 Cache 和虚存的模拟实验多核多线程编程实验, 改进后的课程实验增加了云计算平台上的数据级并行编程 (MapReduce) 和多线程编程 (OpenMP) 实验等, 让学生通过实验体验不同粒度下的并行处理技术 Stanford 大学和 CMU 的相关课程所用教材一样, 实验内容也差不多, 通过一组精心设计的 C 语言编程实验, 使学生能够更好地了解高级语言程序转换为机器代码的过程, 深刻理解底层机器的系统结构 ( 包括指令格式数据表示寄存器组织 Cache 结构虚存空间的映射等 ), 提高编制高效程序和调试程序的能力, 并为后续的体系结构编译技术操作系统等课程打下良好的基础通过对 MIT UC-Berkeley Stanford 大学和 CMU 等多个美国一流大学在相关课程方面教学情况的跟踪, 我们发现, 除 MIT 由于 CS 和 EE 一起开课而使课程内容较偏底层硬件外, 其他三所学校相关课程的教学内容和实验内容基本类似, 其教学理念和教学思路也非常相似, 基本上都是按照 C 语言程序汇编语言程序机器目标代码处理器结构为主线组织内容, 都是站在计算机系统的高度来阐述计算机硬件系统的结构和设计思想, 以程序员的角度来认识计算

3 计算机教育 112 Computer Education 2011 机系统, 强调软件与硬件的关联, 使学生能很好地在高级语言程序汇编语言程序机器指令代码和机器结构之间建立相互的对应转换关系, 以建立对计算机系统的整体认识特别是这些大学相关课程的实验内容都和课堂教学内容完全一致, 课堂所学内容就是学生需要动手实践的内容, 在考核中实验和大作业占有 50%~60% 的分值, 由此可见, 国外一流大学对本课程的实践教学环节是非常重视的通过对上述几个大学相关课程的跟踪调查, 我们还发现, 虽然它们的相应后继课程名称不同, 但课程的实验内容类似, 都要求用硬件描述语言在 FPGA 上进行流水线处理器设计等实验, 而且基本上以 RISC 处理器的典型四段或五段流水线 CPU 设计为目标这方面的实验, 对 EE 和 CE 的学生是必须做的, 而对于 CS 的学生, 有些学校则没有要求必须做 3 目前, 国内已经有一些高校的计算机组成原理或同类课程通过借鉴国外一流大学的先进做法, 在教学内容和教学模式等方面正在进行改革, 取得了较好的教学效果但是, 绝大多数高校基本上还是沿用传统的教学理念, 教学内容还停留在对计算机硬件系统的基本构成和基本设计原理性介绍方面, 既不像国外 EE 或 CE 专业开设的类似数字系统设计那样的硬件设计课程, 能够让学生真正了解如何用硬件描述语言通过 FPGA 来设计现代计算机硬件系统 ; 也不像 UC-Berkeley 的 CS 专业开设的 Machine Structure 那样介于软硬件之间的课程, 能够让学生深刻理解程序如何转换为机器代码并在硬件上执行的过程 ; 更不像 Stanford 大学和 CMU 的 CS 专业开设的 COS 和 ICS 两门课程那样, 能够让学生从程序员角度理解计算机系统底层的关于硬件结构和系统软件的重要概念及其相互关联因此, 目前大多数高校的计算机组成原理课程的教学, 既没能达到培养学生利用现代化工具进行实际硬件设计的能力, 也没有让学生学会运用机器底层硬件和系统结构知识来开发高效软件和调试程序, 更没有通过该课程让学生建立起计算机软硬件系统的整体概念特别在实践教学方面, 与国外同类课程相比更是相差甚远与国外一流大学相比, 国内高校的计算机组成原理实践教学普遍存在以下几个方面的问题 1) 各专业的实验要求没有区分国内绝大多数高校都会把计算机组成原理课程作为计算机所有相关专业的必修课, 但实际上对于不同专业, 其教学目标和实验要求是不同的国内本科计算机相关专业设置名目繁多, 不同的学校相差很大, 有的学校只有计算机科学与技术一个专业, 有的学校还有软件工程计算机工程专业, 还有一些学校甚至还有信息安全信息工程计算机应用物联网等专业很明显, 不同专业的培养目标是不同的, 因而, 对于计算机组成原理的实验要求也是不同的目前, 国内该课程的实验大部分是功能部件的验证性实验和微程序设计实验, 有些学校会有汇编程序设计实验, 也有学校不做实验, 还有少数学校采用 EDA 方式进行 CPU 设计等实验但是, 绝大多数学校选择实验内容和实验方式时, 并没有考虑到不同专业的不同要求 2) 和课堂教学内容不能很好配合由于传统的计算机组成原理实验系统和实验设备是由公司或其他单位开发的, 无法自主确定实验模式和实验内容, 因而, 很容易造成实验内容和课堂教学内容不能很好配合的问题, 造成实验效率低下, 并且不能很好地起到巩固课堂教学的目的 3) 实验内容缺乏系统性和先进性传统的验证性实验通常是在部件级进行验证实验, 通过插拔连线拨动开关编制微程序等方式与实验系统进行交互, 因而无法构建一个完整的计算机硬件系统的综合设计实验此外, 绝大多数高校在该课程教学中没有软件编程实验和 Cache 虚存等相关模拟实验 4) 实验平台和实验手段落后没有采用现代化的 EDA 工具软件和 CPLD/ FPGA 实验平台, 更没有像国外大学那样, 利用各种模拟器云计算平台仿真系统, 以及各种编程开发工具来进行实验, 导致学生缺乏利用先进工具和平台进行学术研究和项目开发的能力 5) 实验过程管理和考核机制不完善国内实验系列教师普遍缺乏, 而助教制度又极其不完善, 不像美国大学那样, 每门课可以配备 7 8 个, 甚至十几个领助研费的助教, 因而在实验过程管

4 第 17 期袁春风, 等 : 计算机组成原理课程实践教学探索 113 理上很不完善, 特别是实验的检查考核和反馈等很难做到像美国大学那样到位, 这也大大影响实验教学的效果 4 针对目前计算机组成原理实践教学存在的问题, 我们在对美国一流大学相关课程实验情况的考察研究基础上, 提出了相应的改革思路和实践教学方案, 并在近年来的教学过程中, 逐步进行了探索实践目前, 我系开设的相关课程是计算机组成与系统结构和专门的计算机组成实验课程, 与国内大多数高校开设的计算机组成原理相比, 我们强化了流水线 CPU 设计方面的内容其先行课程除了 C 和 C++ 程序设计课程以外, 还有数字逻辑电路及其专门的实验课程, 学生会在这两门课程中学会 EDA 设计的基本方法, 并具有简单数字系统设计的基本能力而计算机组成原理方面的实验实际上包含了国外类似于数字系统设计课程中的一些实验根据本课程内容抽象概念枯燥, 以及实践性强的特点, 我们采用了编程实验硬件设计实验和创新实验三阶段递进式的创新型实验教学方案为了保证对实验过程的严格管理和加强对学生的指导, 我系每年专门招收 7~10 名硕士研究生组成实验辅导小组, 在每年暑假由实验指导小组的老师先对他们进行培训, 然后他们再在实验过程中辅导学生, 并对实验结果进行检查编程实验是在进行理论课教学的同时要求学生完成的一组实验通过编程实验使学生能从程序员角度深刻理解教学内容中比较抽象的一些概念和知识, 例如, 机器代码的表示高级语言源程序与机器代码的对应关系数据的表示和运算访存异常 ( 存储保护错 ) 运算结果溢出大端/ 小端方式对齐存放 Cache 结构和程序访问局部性的关系虚存地址空间的构成静态数据区和堆区 / 栈区的区别系统性能评测方法等, 使得课程内容对学生来说不再是抽象枯燥的概念, 而是能够通过对程序的调试跟踪, 以及对程序运行结果的分析, 将这些抽象的概念变成容易理解的看得见的具体数据这样, 不仅有助于学生对教学内容的深刻理解, 而且培养了学生学习本课程的兴趣, 增强了学生的编程动手能力, 特别是将底层机器级概念运用到编程设计和调试中, 这对于提高学生编写正确高效的程序和增强程序调试能力, 是非常有帮助的同时, 也让他们了解到将来即使不从事计算机硬件设计工作, 本课程学到的知识和培养的专业意识在今后的软件开发或计算机科学研究工作中也是非常有用的硬件设计实验是在理论课程结束后的一个学期专门开设的计算机组成实验课要求学生用硬件描述语言在 FPGA 板上进行硬件设计, 并最终实现一个实际的流水线 CPU 由于在课堂教学内容中加大了对 CPU 设计特别是流水线 CPU 设计的力度, 使学生打下了很好的理论和技术基础将实验内容与课堂教学完全结合起来后, 改变了原先课堂教学和实验教学内容脱节的现象, 因此, 除了实验教材外, 课堂教学的教材本身也成为了实验教材的延伸为了加强对学生的计算机系统尤其是 CPU 设计能力的培养, 我们提出并进行了以流水线 CPU 设计为核心的高起点创新性实验教学改革, 采用基于硬件描述语言和 FPGA, 以功能部件设计为先导, 单周期 CPU 和多周期 CPU 设计为过渡, 最终实现流水线 CPU 的实验教学方法学生通过亲自体验从设计实现到验证的整个过程, 大大加深了他们对课程内容的理解, 不仅掌握了 CPU 设计的理论知识, 也深刻理解了整个计算机系统的设计思想和方法, 并使所学知识转化成了运用知识的能力, 同时还培养了部分学生对计算机硬件设计的兴趣和信心创新实验课是在相关课程结束后对少数对计算机底层软 / 硬件设计特别有兴趣的学生开设的开放性实践教学活动我们意识到, 国家迫切需要一批能掌握先进的 CPU 和系统软件等计算机核心技术的尖端人才, 这是高校计算机人才培养的重要任务之一基于本课程在计算机系统中的重要核心地位和在计算机人才培养中应起的作用, 我们提供了相关的创新实验室, 为这些学生提供全方位的实验支持学生可以自主选择创新项目, 实验室提供相应的实验平台和条件, 并配备指导教师或研究生助教进行全程指导目前已经有 4 5 个创新团队完成了相应的创新实验项目, 其中包含了江苏省级重点和

5 计算机教育 114 Computer Education 2011 南京大学重点创新项目, 还有一个团队设计实现了一个与 MIPS 兼容的 82 条指令的五级流水线 CPU 参加创新实验项目的绝大多数成员都被保送进了中科院北大等国内一流大学和科研院所, 也有一些同学得到了美国著名大学的青睐, 选择出国继续深造 5 计算机组成原理课程的地位和特点决定了在该课程教学过程中加强实践环节的重要性国外一流大学都非常注重该课程的实验教学, 实验内容和手段不断更新, 而且特别注重对实验过程的管理和对实验成绩评定的公平性近年来, 国内一些大学也开始对该课程的实验手段和实验内容进行改革, 取得了一定的成效但是, 大部分高校还在采用传统的实验模式与国外一流大学相比差距较大我系在本课程的实践教学方面进行了一些有益的探索, 实践证明, 采用新的实验内容和实验手段, 对于学生全面掌握课程内容培养分析问题和解决问题的能力增强实践动手能力提高科技创新意识等各方面都是非常有用的由于我们实验改革时间不长, 只是处于探索阶段, 因此, 实验内容和实验模式还很不完善, 特别是编程实验内容, 还有很多典型问题可以设计让学生进行编程体验, 实验管理中也还存在很多问题需要解决, 包括如何合理评定实验成绩, 如何防止抄袭等此外, 如何规划衔接好上下游课程之间的实验内容也是今后需要重点考虑的问题参考文献 : [1] MIT. Computation Structures [EB/OL]. [Spring 2011]. [2] UC Berkeley. Machine Structures[EB/OL]. [Spring 2011]. [3] UC Berkeley. Components and Design Techniques for Digital System[EB/OL]. [Spring 2011]. edu/~cs150/sp11/. [4] Stanford University. Computer Organization and Systems[EB/OL]. [Spring 2011]. cs107/. [5] Stanford University. Digital Systems II[EB/OL]. [Winter 2010]. [6] CMU. Introduction to Computer Systems[EB/OL]. [Summer 2011]. [7] CMU. Introduction to Computer Architecture[EB/OL]. [Spring 2011]. Teaching Reform of the Principle of Computer Organization Lab Course YUAN Chunfeng, ZHANG Zesheng, CAI Xiaoyan, YANG Ruoyu, WANG Shuai (Department of Computer Science and Technology, Nanjing University, Nanjing , China) Abstract: This paper begins with the introduction to lab content of related courses offered by international famous university. Then, based on comparing with the situation of lab content of the Principle of Computer Organization offered by domestic university, it describes the teaching reform ideas, and introduces the teaching reform and practice methods on the lab course in Nanjing University. The practice result shows the reform is effective. Key words: the Principle of Computer Organization; practice teaching; teaching reform; lab course ( 编辑 : 姚彦如 )

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