劉彩梅

（麗江師范高等?？茖W(xué)校，云南 麗江 674199）

MAX+PlusⅡ平臺下計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐方案研究

劉彩梅

（麗江師范高等?？茖W(xué)校，云南 麗江 674199）

計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐教學(xué)改革勢在必行。本文對如何在MAX+PlusⅡ平臺下優(yōu)化計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐方案展開研究，期望產(chǎn)生一定的積極效用。

MAX+PlusⅡ平臺；計算機系統(tǒng)；課程設(shè)計；虛擬實踐

1 引言

在新一輪教育改革浪潮的沖擊下，高校計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐教學(xué)改革提上日程，逐漸引起社會各界的關(guān)注和認可。在實踐教學(xué)過程中，應(yīng)側(cè)重鍛煉學(xué)生的思考能力、操作能力以及創(chuàng)新能力，在優(yōu)質(zhì)的虛擬實踐教學(xué)方案的指導(dǎo)下，節(jié)省實驗資源，全面調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，從而全面提升教學(xué)質(zhì)量，培育出適應(yīng)社會發(fā)展的高素質(zhì)復(fù)合型、創(chuàng)新型人才。在此基礎(chǔ)上，本文研究MAX+PlusⅡ平臺下計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐方案，旨在為高校計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐教學(xué)改革提供一定的參考與指導(dǎo)。

2 分析計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐教學(xué)現(xiàn)狀

計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐教學(xué)是一項復(fù)雜的教學(xué)任務(wù)，實踐教學(xué)能夠加深學(xué)生對計算機組成、計算機工作原理、整機概念等的認知與掌握。在學(xué)習(xí)過程中，需要學(xué)生利用中大規(guī)模集成電路深入剖析計算機系統(tǒng)的組成、設(shè)計、測試與驗證。目前，中大規(guī)模集成電路器件的設(shè)計與驗證往往建立在MAX+PlusⅡ平臺基礎(chǔ)上，由于實驗經(jīng)費有限，且計算機系統(tǒng)硬件數(shù)量具有一定的限制性條件，在實驗的過程中，學(xué)生一般只能進行驗證性的實驗，因此，學(xué)生的實踐學(xué)習(xí)興趣往往受到打擊，甚至部分學(xué)生的實踐學(xué)習(xí)興趣喪失，而且學(xué)生往往采取抄寫實驗報告來匯報實驗結(jié)果，難以提升實踐教學(xué)質(zhì)量，不利于學(xué)生身心健康發(fā)展。

另外，高校所提供的計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐內(nèi)容存在嚴重的同質(zhì)化現(xiàn)象，在內(nèi)容設(shè)計上大同小異，一般都包含有：控制器試驗、運算器實驗、存貯系統(tǒng)實驗等，這些實驗均為單項實驗，難以綜合提升學(xué)生的思考能力、操作能力以及創(chuàng)新能力。而研究型大學(xué)在實踐教學(xué)中，則要求學(xué)生分組完成實驗，且一般為兩個綜合性的實驗項目，如：計算機系統(tǒng)的整機設(shè)計。目前，高校計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐教學(xué)課程設(shè)置主要包括以下五大類：

2.1 匯編

該實驗主要是通過編寫相應(yīng)的匯編語言程序來實現(xiàn)，在一定程度上，能夠加深學(xué)生對系統(tǒng)組成的理解和掌握，但是由于該實驗簡單易行，無法幫助學(xué)生了解和掌握到詳細的硬件設(shè)計。

2.2 仿真系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)實驗也是一種硬件實驗，國外許多大學(xué)采用仿真系統(tǒng)實驗教學(xué)模式，如：winDLX，主要使用DLX仿真器實現(xiàn)對程序的進行性分析，并且分析、總結(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)、相關(guān)控制、相關(guān)結(jié)構(gòu)、相關(guān)專用通路等。

2.3 高級語言

該實踐教學(xué)模式要求學(xué)生利用C/C++、JAVA、Power-Builder、DELPHI、Vb、VC等編程語言自主地編寫類似于winDLX的仿真環(huán)境。

2.4 EDA平臺

該實踐教學(xué)模式主要利用EDA平臺，通過計算機系硬件編程語言進行程序編寫——VHDL，并且在編譯后，將其下載到可編程芯片上（SoC），這種實驗主要利用軟件的方式進行硬件設(shè)計，而且具有修改方便的特性，但是，學(xué)生在掌握VHDL語言上需要較長的研究時間，另外，該實驗對硬件配置要求比較高，需要利用相應(yīng)的EDA工具。

2.5 計算機系統(tǒng)

針對計算機系統(tǒng)實驗，在國外比較常見，而國內(nèi)研究比較少，以清華大學(xué)為例，清華大學(xué)目前設(shè)計研制了開放式教學(xué)CPU設(shè)計測試系統(tǒng)，學(xué)生不僅僅能夠?qū)W習(xí)到CPU設(shè)計、驗證以及相應(yīng)的測試方法，而且能夠加深對計算機原理、組成以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的認知和掌握，與此同時，學(xué)校要求學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)的EDA工具軟件使用方法，帶動了我國高校計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐教學(xué)水平的提高。

3 MAX+PlusⅡ平臺下計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐方案的優(yōu)化

MAX+PlusⅡ平臺下計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐方案的優(yōu)化包括兩大點，即：虛擬實踐平臺的科學(xué)選擇和實踐方案的優(yōu)化與升級。下面詳細的對這兩點展開闡述：

3.1 虛擬實踐平臺的科學(xué)選擇

據(jù)相關(guān)調(diào)查（國內(nèi)外各種文獻資料、相關(guān)報道等），我們發(fā)現(xiàn)：計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計可以利用復(fù)雜的可編程邏輯設(shè)計器件實現(xiàn)自動化實驗平臺的設(shè)計，并且可以用來模擬真實的硬件平臺，以便為虛擬化計算機系統(tǒng)硬件實驗提供基礎(chǔ)。舉個例子，如Altera公司利用MAX+PlusⅡ平臺全面實現(xiàn)了虛擬化計算機硬件實驗的集成化，并且為其實驗創(chuàng)造了易學(xué)易用的可編程邏輯設(shè)計環(huán)境，在現(xiàn)實生活中，我們發(fā)現(xiàn)MAX+PlusⅡ平臺往往應(yīng)用于中大規(guī)模的FPGA/CPLD以及新器件的設(shè)計。另外，MAX+PlusⅡ平臺具有硬件描述語言、時序圖、電路原理圖等多種多樣的輸入功能，而且可以利用MAX+PlusⅡ平臺提供標準門電路以及芯片等邏輯性器件，高效地完成數(shù)字電路的一系列過程（包括設(shè)計、輸入、編輯、編譯、仿真、封裝、下載）。除此之外，MAX+PlusⅡ平臺可以有效地保證所設(shè)計的數(shù)字電路系統(tǒng)安全可靠、具備高度的靈敏性，且可以充分利用MAX+PlusⅡ平臺強大的圖形界面以及完整的文檔功能，幫助學(xué)生快速輕松了解和掌握EDA平臺，然后根據(jù)邏輯電路以及相應(yīng)的計算機硬件系統(tǒng)完成一系列的設(shè)計。

近年來，MAX+PlusⅡ平臺發(fā)展迅速，已經(jīng)成為高校計算機系統(tǒng)硬件設(shè)計的主要應(yīng)用平臺，且由于MAX+PlusⅡ平臺具有強大的靈活性以及可保存性，能夠有效地打破傳統(tǒng)設(shè)計教學(xué)對不同實驗的束縛，方便學(xué)生進行科學(xué)的實驗驗證。另外，在教學(xué)過程中，教師要根據(jù)課時安排，以及學(xué)生的內(nèi)在發(fā)展需求，及時調(diào)整教學(xué)方案，并且學(xué)生可以根據(jù)自己的時間安排，進行自主實驗，將學(xué)生的潛在能力充分地挖掘出來，并且在學(xué)生實驗的過程中，教師尊重學(xué)生的意愿，加以指導(dǎo)與輔助。

據(jù)相關(guān)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高校逐漸對MAX+PlusⅡ平臺下計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐方案的優(yōu)化工作重視起來，將原有的分散性教學(xué)內(nèi)容組織起來，形成完整的實踐教學(xué)模式，而且通過全面的計算機系統(tǒng)硬件設(shè)計，幫助學(xué)生樹立計算機工程觀念，并且?guī)椭鷮W(xué)生掌握EDA軟件工具與相關(guān)技術(shù)的操作方法，形成一個完善的MAX+PlusⅡ平臺下計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐教學(xué)體系，全面提升高校教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的思考能力、操作能力以及創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的綜合技能和綜合素質(zhì)，促進學(xué)生身心健康發(fā)展。

3.2 實踐方案的優(yōu)化與升級

在實踐教學(xué)方案的優(yōu)化與升級中，往往需要優(yōu)化課程安排、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段等。在優(yōu)化課程安排上，適當減少理論課，增加計算機系統(tǒng)硬件設(shè)計課程，增加實踐教學(xué)課程的時間，并且鼓勵支持學(xué)生利用課余時間，進行自主實驗學(xué)習(xí)，學(xué)校隨時對自主實踐學(xué)生開放實驗室，保證學(xué)生能夠在合理的時間內(nèi)，完成實踐鍛煉；在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容上，要涵蓋計算機系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)概念、CPU設(shè)計、存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、流水線技術(shù)、向量標量處理機、輸入輸出系統(tǒng)等，并且在必修和選修課的設(shè)計上要充分彰顯出科學(xué)合理性；在豐富教學(xué)手段上，除了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)以及實驗室驗證外，還要定期安排學(xué)生到大型企業(yè)進行學(xué)習(xí)，并且積極開展校園外活動，組織學(xué)生開展計算機競賽，全面提升學(xué)生的綜合技能和綜合素質(zhì)，帶動教學(xué)質(zhì)量的提升。

4 結(jié)語

總而言之，計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐方案有利于全面提升高校計算機教學(xué)水平，它是計算機教學(xué)改革的重點及難點，需要在剖析高校計算機系統(tǒng)硬件課程設(shè)計的虛擬實踐教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，科學(xué)選擇虛擬實踐平臺，不斷優(yōu)化、升級實踐教學(xué)方案，才能全面提升教學(xué)水平，提高學(xué)生的綜合技能和綜合素質(zhì)，培育出適應(yīng)社會發(fā)展的高素質(zhì)的復(fù)合型、創(chuàng)新型計算機人才。

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Research on the Virtual Practice of Computer System Hardware Curriculum Design Based on MAX+Plus II

Liu Caimei
(Lijiang Teachers College,Lijiang 674199,Yunnan)

It is imperative to reform the virtual practice teaching reform in the course of computer system hardware design.This paper studies on the optimization of virtual practice of computer system hardware design in the MAX+Plus II platform,expecting to have some positive effect.

MAX+Plus II platform;computer system;curriculum design;virtual practice

TP3-4

A

1008-6609(2016)05-0091-03

劉彩梅，女，云南麗江人，工程碩士，工程師，研究方向：計算機硬件。