新工科背景下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)實(shí)踐探索

鮑培明，吉根林

（南京師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，江蘇南京 210046）

0 引言

基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展要求，企業(yè)對(duì)處理器、系統(tǒng)軟件、大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)等方面核心技術(shù)人才需求日益迫切。為推動(dòng)新工科建設(shè)，教育部計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)專門開展了“新工科計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革與實(shí)踐”研究項(xiàng)目，指導(dǎo)國(guó)內(nèi)高校加強(qiáng)新工科計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，提高學(xué)生適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的整體素質(zhì)和能力。委員會(huì)將清華大學(xué)、南京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校列為系統(tǒng)能力培養(yǎng)的示范單位，同時(shí)建立了系統(tǒng)能力培養(yǎng)試點(diǎn)單位，推動(dòng)各高校新工科計(jì)算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)方式、培養(yǎng)方案、新知識(shí)框架及內(nèi)容研究發(fā)展，提高計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量和學(xué)科建設(shè)水平［1-4］。

眾多高校計(jì)算機(jī)院校已開展系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程，在計(jì)算機(jī)組成等硬件課程教學(xué)改革中注重更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。如文獻(xiàn)［5］通過虛擬仿真技術(shù)將計(jì)算機(jī)硬件課程群（數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、微機(jī)接口）實(shí)驗(yàn)貫通銜接，提出一種“軟硬一體化”的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)［6］圍繞龍芯開源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹CPU 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探討新一代實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)中的利弊及改進(jìn)方向；文獻(xiàn)［7］介紹了流水線CPU 功能設(shè)計(jì)，并展示了功能仿真界面。上述現(xiàn)有研究側(cè)重于敘述CPU 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而如何引導(dǎo)學(xué)生從簡(jiǎn)到難逐步獲得復(fù)雜的CPU 結(jié)構(gòu)認(rèn)知成為研究重點(diǎn)。

南京師范大學(xué)在系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)改革過程中，新規(guī)劃了理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐課程體系，提出了“知行合一、知識(shí)落地”的教學(xué)理念，將教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)統(tǒng)一。首先，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了一些高級(jí)語言程序，讓學(xué)生在機(jī)器級(jí)代碼的調(diào)試執(zhí)行中關(guān)聯(lián)高級(jí)語言程序內(nèi)涵和計(jì)算機(jī)底層工作原理，實(shí)現(xiàn)軟硬知識(shí)貫通；其次，基于教材CPU 設(shè)計(jì)內(nèi)容，分析CPU 設(shè)計(jì)難點(diǎn)，圍繞時(shí)空維度，創(chuàng)新性提出單周期CPU 與流水線CPU 實(shí)現(xiàn)步驟，引導(dǎo)學(xué)生由簡(jiǎn)到難逐層、逐模塊地實(shí)現(xiàn)CPU?！爸泻弦弧⒅R(shí)落地”的教學(xué)理念注重知識(shí)系統(tǒng)化、理論和實(shí)踐相互影響、解決復(fù)雜問題的能力培養(yǎng)，以進(jìn)一步提升學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。

1 系統(tǒng)能力培養(yǎng)內(nèi)涵

系統(tǒng)能力包含系統(tǒng)知識(shí)和工程實(shí)踐能力［1］，核心是在掌握計(jì)算系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)構(gòu)建以計(jì)算技術(shù)為核心的各類系統(tǒng)。這需要學(xué)生深刻理解計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部各軟件/硬件部分的關(guān)聯(lián)關(guān)系與邏輯層次，了解計(jì)算系統(tǒng)呈現(xiàn)的外部特性以及與人和物理世界的交互模式。系統(tǒng)能力培養(yǎng)體現(xiàn)出典型的工程教育特征，系統(tǒng)能力培養(yǎng)貫穿于復(fù)雜工程問題解決過程之中。

為培養(yǎng)具備綜合素質(zhì)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型人才，新工科建設(shè)聚焦于學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。在新工科背景下，計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)觀，該專業(yè)人員應(yīng)能在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層面進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、調(diào)優(yōu)與檢錯(cuò)，站在系統(tǒng)高度解決應(yīng)用問題。系統(tǒng)能力培養(yǎng)體現(xiàn)3 個(gè)方面的特性：①程序的執(zhí)行結(jié)果不僅取決于算法、編程、編程語言，還取決于語言處理系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、指令集體系結(jié)構(gòu)及微體系結(jié)構(gòu)，從原先的“程序性開發(fā)能力”轉(zhuǎn)向?yàn)椤跋到y(tǒng)性設(shè)計(jì)能力”；②強(qiáng)化計(jì)算機(jī)整機(jī)概念，全面理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的貫通能力；③通過軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)開發(fā)方案最優(yōu)化，以強(qiáng)大的底層技術(shù)保證工程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)能力。

2 教學(xué)實(shí)踐現(xiàn)存問題

從計(jì)算機(jī)教學(xué)的角度，可將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為3 個(gè)層次［1］：①運(yùn)用數(shù)學(xué)和物理原理，設(shè)計(jì)和開發(fā)計(jì)算機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、操作系統(tǒng)及編譯系統(tǒng)，這些是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)；②運(yùn)用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)和開發(fā)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)ｉT系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，稱為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域系統(tǒng)；③運(yùn)用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和開發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)，例如電子商務(wù)系統(tǒng)、APP 應(yīng)用開發(fā)等，稱為計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)專業(yè)課程設(shè)置完全覆蓋這3 個(gè)層次。但20 世紀(jì)80 年代初，在PC 時(shí)代背景下我國(guó)放棄了處理器、操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)自主研發(fā)［2］，計(jì)算機(jī)專業(yè)主要以培養(yǎng)各類應(yīng)用軟件開發(fā)人才為目標(biāo)，這直接影響教學(xué)導(dǎo)向。目前教學(xué)存在的問題體現(xiàn)在多個(gè)方面。

（1）以CPU 設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)開發(fā)為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)課程設(shè)置存在內(nèi)容弱化、概述性內(nèi)容多、實(shí)踐環(huán)節(jié)不足等問題。

（2）計(jì)算機(jī)專業(yè)課程內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)缺乏從計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)到計(jì)算機(jī)領(lǐng)域系統(tǒng)、最后到應(yīng)用系統(tǒng)的貫通。雖然每門課程內(nèi)容詳實(shí)，但課程知識(shí)之間缺乏連接，教學(xué)中知識(shí)點(diǎn)彼此孤立，缺少系統(tǒng)觀，缺乏綜合能力。

（3）硬件類課程教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際運(yùn)用場(chǎng)合和環(huán)境存在脫節(jié)。學(xué)生不了解原理的實(shí)際運(yùn)用，尤其缺少感性認(rèn)識(shí)，面臨大量機(jī)械記憶負(fù)擔(dān)，喪失了學(xué)習(xí)的興趣。

（4）以上問題在在教材和青年教師教學(xué)中繼續(xù)延伸，積累的效應(yīng)是學(xué)生不喜歡計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)課程，僅熱衷于學(xué)習(xí)軟硬件系統(tǒng)平臺(tái)之上的程序開發(fā)。

這些教學(xué)問題導(dǎo)致我國(guó)IT 人才結(jié)構(gòu)失衡，例如，國(guó)內(nèi)JAVA 程序員眾多，但鮮有具備JAVA 虛擬機(jī)研發(fā)技能的專業(yè)人才；網(wǎng)站開發(fā)人員雖多，但大多不熟悉瀏覽器底層引擎的研發(fā)技能。人才結(jié)構(gòu)失衡制約著我國(guó)計(jì)算機(jī)核心技術(shù)的發(fā)展，致使我國(guó)在處理器、操作系統(tǒng)等最核心的技術(shù)方面長(zhǎng)期依賴國(guó)外。

3 知行合一，知識(shí)落地

教育部計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)推動(dòng)的國(guó)內(nèi)高校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革有效改變了教學(xué)現(xiàn)狀，建立了系統(tǒng)能力培養(yǎng)的課程體系，加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)組成原理等計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐內(nèi)容，提出了軟硬件課程之間知識(shí)貫通的教學(xué)方案。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)是一個(gè)包含“聞-見-知-行”的過程，“知之”是課堂教學(xué)，“行之”是實(shí)踐教學(xué)，知行合一，知識(shí)付諸實(shí)踐所學(xué)才能轉(zhuǎn)換為能力。

3.1 課程教學(xué)概述

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖1 所示［8］，計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容位于軟件和硬件結(jié)合處，以指令集體系結(jié)構(gòu)為界面，向上涉及程序設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)、編譯程序、匯編程序，向下涉及計(jì)算機(jī)硬件，如處理器、存儲(chǔ)器、I/O 訪問等。所以本門課程應(yīng)從程序設(shè)計(jì)的視角出發(fā)，闡述指令執(zhí)行過程，指令執(zhí)行中的數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲(chǔ)訪問、I/O 訪問、數(shù)據(jù)通路、控制信號(hào)、異常和中斷，以CPU 設(shè)計(jì)為核心培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

按照教學(xué)大綱內(nèi)容要求，構(gòu)建課程知識(shí)框架體系，并闡述相關(guān)概念之間的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課堂教學(xué)的補(bǔ)充和拓展，承擔(dān)著課堂教學(xué)知識(shí)落地的任務(wù)。

計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程同時(shí)采用驗(yàn)證型與設(shè)計(jì)型兩種實(shí)驗(yàn)方式。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)借助Linux+GCC+C 或Windows+VC+C 平臺(tái)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部軟件/硬件部分關(guān)聯(lián)關(guān)系與邏輯層次；設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)借助Verilog+Quartus 或Verilog+Vivado 平臺(tái)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)課堂講述的CPU 模型機(jī)包括單周期CPU 和流水線CPU，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)貫穿于復(fù)雜工程問題的解決過程。課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合，可減輕學(xué)生機(jī)械記憶負(fù)擔(dān)，促使知識(shí)向能力更快轉(zhuǎn)換。

3.2 驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)

在“運(yùn)算方法和運(yùn)算部件”章節(jié)，基本內(nèi)容是兩個(gè)補(bǔ)碼表示的n 位定點(diǎn)整數(shù)的運(yùn)算公式與補(bǔ)碼加減運(yùn)算部件，如圖2 所示［9］。常規(guī)教學(xué)以定點(diǎn)整數(shù)加減法運(yùn)算為例進(jìn)行說明。

結(jié)合程序說明驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，如圖3（a）所示。圖3（a）程序反匯編代碼如圖3（b）所示，從反匯編代碼可以看出，“x＜y”的比較是通過“x-y”實(shí)現(xiàn)，圖2 是“x-y”的實(shí)現(xiàn)電路，電路輸出的ZF、SF 和OF 值作為“x＜y”的判斷依據(jù)。圖3（c）顯示了圖3（b）指令的單步跟蹤數(shù)據(jù)，可以看到程序執(zhí)行過程中x、y、z 的補(bǔ)碼表示，以及圖2 電路運(yùn)算“x-y”后設(shè)置的ZF、SF和OF 值。教學(xué)基于“高級(jí)語言程序—匯編語言程序—機(jī)器指令序列—運(yùn)算方法—部件”路線，讓學(xué)生真正動(dòng)手從編程設(shè)計(jì)、編譯、反匯編、單步跟蹤執(zhí)行指令，觀察寄存器和存儲(chǔ)器內(nèi)容的變化，看到數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示、存儲(chǔ)和運(yùn)算結(jié)果，有助于理解運(yùn)算部件生成狀態(tài)位的作用，實(shí)現(xiàn)軟/硬件知識(shí)貫通理解。

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)讓書本知識(shí)轉(zhuǎn)換為可“觸摸”的、落地的知識(shí)，使學(xué)生不僅理解知識(shí)點(diǎn)，也增強(qiáng)了運(yùn)用知識(shí)的能力。

3.3 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程的重要內(nèi)容之一是CPU 設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)是基于MIPS（Microprocessor without Interlocked Piped Stages）指令集實(shí)現(xiàn)單周期CPU 和流水線CPU。單周期CPU 實(shí)現(xiàn)的是指令串行執(zhí)行，流水線CPU 實(shí)現(xiàn)的是多條指令的并行執(zhí)行。

課堂講述了單周期CPU 模型，如圖4 所示，單周期CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采用圖4 模型［9］。組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路是數(shù)字電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，基本部件設(shè)計(jì)與單條指令執(zhí)行流程是單周期CPU 設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

把單周期CPU 實(shí)驗(yàn)分為6 步實(shí)現(xiàn)，如表1 所示。前5 步基于“機(jī)器指令—電路—現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）”的路線，從組合邏輯電路到時(shí)序邏輯電路，從簡(jiǎn)單的小部件逐步過渡到復(fù)雜部件，最后組裝成一個(gè)完整的單周期CPU。測(cè)試單條指令是否正確執(zhí)行，掌握單條指令執(zhí)行流程。

最后一步基于“程序—匯編指令—機(jī)器指令—電路—FPGA”的路線，在單周期CPU 上測(cè)試程序執(zhí)行正確性。為培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀，要求學(xué)生將高級(jí)語言程序轉(zhuǎn)換為匯編指令的表示，再翻譯轉(zhuǎn)換為機(jī)器指令序列，裝入CPU 中執(zhí)行。從高級(jí)語言語句到機(jī)器級(jí)指令，掌握程序執(zhí)行流程。

圖4 單周期CPU 模型

表1 教材章節(jié)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

每階段實(shí)驗(yàn)均與教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，要求課堂中知識(shí)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，知行合一，知識(shí)落地。單周期CPU 實(shí)驗(yàn)基本貫穿于本課程在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中的教學(xué)，也有助于理解指令集體系結(jié)構(gòu)在硬件和軟件之間的作用。

課程結(jié)束后有1 周的課程設(shè)計(jì)時(shí)間，用于實(shí)現(xiàn)帶轉(zhuǎn)發(fā)功能的流水線CPU。流水線CPU 采用5 段流水線框圖結(jié)構(gòu)，如圖5 所示［9］。

流水線CPU 中的部件與單周期CPU 部件基本一樣，所以流水線CPU 部件設(shè)計(jì)難度不大，而時(shí)空結(jié)構(gòu)是學(xué)生理解和設(shè)計(jì)流水線CPU 的難點(diǎn)。為了引導(dǎo)學(xué)生建立時(shí)空觀，流水線CPU 設(shè)計(jì)采用分層次設(shè)計(jì)方法，如表2 所示。

圖5 流水線CPU 模型

層次劃分提供了流水線CPU 設(shè)計(jì)步驟，層次1-3 引導(dǎo)學(xué)生從1 條指令開始，建立時(shí)間維度；逐步增加指令，建立空間維度。在理想狀態(tài)下，每條指令獨(dú)立執(zhí)行，并行執(zhí)行的指令之間不考慮數(shù)據(jù)信號(hào)或控制信號(hào)傳遞；層次4-5 是從理想狀態(tài)到非理想狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并行執(zhí)行的指令之間可能有數(shù)據(jù)信號(hào)或控制信號(hào)傳遞，時(shí)空結(jié)構(gòu)復(fù)雜。層次設(shè)計(jì)方法引導(dǎo)學(xué)生逐步建立時(shí)空結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)流水線CPU。

層次劃分的另一個(gè)好處是考慮學(xué)生能力差異，由淺入深的教學(xué)內(nèi)容安排可減輕部分學(xué)生心理負(fù)擔(dān)。對(duì)學(xué)生的成績(jī)?cè)u(píng)定不是按其完成的指令數(shù)，而是按完成到達(dá)的層次實(shí)現(xiàn)。層次劃分和成績(jī)?cè)u(píng)定如表2 所示。

表2 層次劃分和成績(jī)?cè)u(píng)定

CPU 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程貫穿于解決復(fù)雜工程問題的全過程，注重理論和實(shí)踐之間的相互影響，以期培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。

4 教學(xué)實(shí)踐效果

“知行合一，知識(shí)落地”的教學(xué)理念具有普適性，特別適用于難度較大的專業(yè)課程，通過精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)使教學(xué)知識(shí)在實(shí)踐中得以應(yīng)用，提高了學(xué)生知識(shí)理解和知識(shí)運(yùn)用能力。本文提出的CPU 實(shí)現(xiàn)方案具有通用性，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不作要求。分層劃分的流水線CPU 實(shí)現(xiàn)方案適用于不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生，由淺入深地指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)1 個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。CPU 實(shí)現(xiàn)方案具有易操作性，流水線CPU 課程設(shè)計(jì)中15%的同學(xué)成績(jī)優(yōu)秀，層次劃分步驟易于引導(dǎo)學(xué)生逐步達(dá)成預(yù)定目標(biāo)。

實(shí)踐教學(xué)證明，教學(xué)改革后教師教學(xué)理念發(fā)生了改變，教學(xué)內(nèi)容安排更清晰合理，教學(xué)質(zhì)量逐漸提升。在探索教學(xué)和實(shí)驗(yàn)方案的過程中，老師自身知識(shí)結(jié)構(gòu)也得以完善。改革前學(xué)生平均評(píng)教分?jǐn)?shù)為85 分左右。教學(xué)改革后，學(xué)生平均評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)提升至94 分左右，2019 年秋季流水線CPU 課程設(shè)計(jì)平均評(píng)教分達(dá)到96 分以上。