計算機硬件實踐教學改進探索

董梁　翟社平　王曉婕　邢高峰

摘要：隨著對計算機硬件專業要求的不斷提高，軟硬件協同設計和開發已經是發展的大勢所趨，因此要求計算機硬件教育從傳統的分離式、理論式，向系統性、實踐性的教學方向發展。文章分別從教學課程、綜合實驗和教學方法方面提出硬件教學的改進方案，以西安郵電大學為例，闡述根據計算機硬件發展方向和對人才培養的要求，對于傳統的硬件實踐教學進行探索創新的過程。

關鍵詞：計算機硬件、實踐教學、軟硬件協同設計

1.背景

傳統的計算機硬件教學主要的體系結構如圖1所示。其中，“微機原理與接口技術”課程是以intel8086為背景機，通過編寫匯編語言程序和在實驗箱上連接硬件電路，來讓學生深刻理解計算機的工作方式?！坝嬎銠C組成原理”課程是從設計者角度出發，使學生掌握一般意義上的計算機硬件系統各功能部件的組成、工作原理和實現方法，尤其是涉及微處理器的組成及工作原理、總線連接等硬件知識，培養學生對硬件系統的分析、開發和使用能力?！坝嬎銠C系統結構”課程從軟硬件兩方面出發，講述計算機系統的設計方法及其達到的功能性能指標。

在實際教學過程中，隨著intel8086應用的不斷減弱，計算機硬件教學與實際應用脫節等況，導致課堂上老師越講越費勁，學生越聽越沒興趣，考試內容越來越簡單。針對這種情況，采取了一系列針對性的改進措施。

2.硬件教學的改進方案

計算機硬件與計算機學科其他部分是一個有機整體，為了方便教學需要劃設各門課程，例如匯編語言、硬件電路設計、c語言、編譯原理、數據結構、操作系統、計算機網絡等課程。在實踐教學中，通過課內實驗，學生完成本課程知識的理解和消化；通過一些專項課程設計，學生完成對專業知識的掌握和提高；通過一些綜合設計，學生完成對整個計算機專業系統技能的掌握和提高。因此，計算機硬件教學主要通過對教學課程、綜合實驗、教學方法3個方面進行改進。

首先，在教學課程上進行改進。將“微型計算機原理”“匯編語言程序設計”“微機接口技術”等相關課程整合為一門“微機原理與接口技術”，統一教學大綱和課內實驗要求。另外，將基于ARM的嵌入式開發和基于單片機的開發設為選修課。原有的“計算機組成原理”實驗主要以驗證性實驗為主，學生可以自主設計的部分很有限。而“計算機系統結構”實驗更是以軟件仿真為主，學生缺乏感性認識。為此，專門開設了“Verilog HDL語言程序設計班和“基于FPGA的開發設計”課程。通過硬件描述語言Verilog HDL程序設計，可以由硬件邏輯電路設計逐步達到向芯片設計的轉變。通過引入FPGA開發板，來實現硬件電路設計到實際應用的轉變。

其次，在綜合實驗上進行改進。在“硬件課程設計”中，將原來的硬件布線在實驗箱上接線完成，改為由學生自行設計接口電路板，并完成程序運行。另外，專門設立了“基本模型機課程設計”，讓學生自行用Verilog HDL語言設計CPU及其相關部件，完成基本匯編/機器指令運行。

最后，在教學方法上進行改進。通過組織競賽調動學生學習的積極性，包括已經舉辦了6屆的“西安郵電大學匯編語言程序設計競賽”。通過組織“計算機硬件協會”，讓一部分學生進入到科研項目中來，通過教師的管理和引導，來完成一些綜合性的實驗課題。

3.硬件教學改進的實現

3.1在教學課程上的改進

規范全校的“微機原理與接口技術”課程教學大綱，該課程以intel 8086為背景機，編寫匯編語言程序，設計接口電路，完成基本的微型計算機開發。相關的選修課程有“嵌入式系統與開發”和“單片機技術”?！扒度胧较到y與開發”課程主要以ARM為背景機，編寫c語言程序，在已有的開發板上進行嵌入式系統開發。

“計算機組成原理”是計算機學科各專業的專業基礎課，是培養計算機相關專業學生實踐動手能力和創新開發能力的核心課程。通過計算機組成原理課程的學習，使學生掌握一般意義上計算機硬件系統各功能部件的工作原理和設計方法，尤其是涉及微處理器的組成及工作原理、總線連接等硬件知識。已有教學方式注重計算機科學理論，強調計算機體系設計思想和各部件的功能用途。這種教學模式的好處在于突出主干，使得學生可以把握整體，易于掌握計算機設計的核心思想。有別于傳統教學側重理論，實驗也主要是在實驗箱上的驗證性實驗，傳統教學方法對于考研學生很有幫助，但對于更多畢業找工作的學生就很難引起興趣。

首先，在確保理論課不放松、不降低教學質量要求的前提下，與后續的“計算機系統結構”課程進行很好的銜接。選用了白中英教授編著的國家級精品教材《計算機組成原理））o同時根據全國計算機專業考研統考大綱，將蔣本珊教授編著的《計算機組成原理》、唐朔飛教授編著的《計算機組成原理》、王閔教授編著的《計算機組成原理》和王愛英教授編著的《計算機組成與結構》作為參考教材。

其次，加強實驗環節，與現在主流的Verilog HDL硬件描述語言、FPGA開發板對接，將數字邏輯電路、硬件描述語言和可編程邏輯器件進行有機整合，從而讓學生在實驗中真正成為計算機系統的設計者。

這里需要團隊進行大量的準備工作，包括：選派教師參加南京大學的XILINX技術培訓課程、選派教師參加北京航空航天大學的CPU工程化設計、選派教師參加計算機組成實驗課程的全國研討會、承辦“全國計算機核心課程教學改革研討會”、聯合北京至芯科技公司舉辦了FPGA硬件開發技術培訓等工作。

在與全國各高校教師和公司工程師的討論學習中，尤其是與浙江大學計算機學院、北京航空航天大學計算機學院的專家學者進行深入的交流后認為，經過數十年的建設，我國高校計算機專業已形成了一套相對穩定人才培養模式。目前，面對可編程硬件時代機遇和計算機系統課程教學與實驗改革的需求，加強計算機類專業學生的系統能力培養已是當務之急。以計算機系統設計實現為手段，通過加強數字邏輯、計算機組成原理、計算機外設、操作系統、匯編語言、編譯原理和網絡傳輸等課程的有機銜接，促進計算機專業學生在系統設計與實現方面的工程實踐與創新能力得到提升。

錄制了計算機組成原理課程的教學微視頻，編寫了相應的Verilog HDL指導書，改造并新建了計算機組成原理實驗室。改造的實驗室能很好地完成傳統的理論驗證性實驗，滿足非計算機專業學生的學習要求。新建的實驗室引入了最新的XilinxK7系列FPGA開發版，以及Vivado綜合開發工具，開發出存儲器設計、運算器設計、基本模型機設計、總線設計等多個實驗項目。通過可編程方式來設計并實現電路，開展可重構原理的計算機設計，使學生具有用硬件描述語言進行設計的能力，完成從驗證知識到設計、創新能力的培養?，F在除了使得計算機專業教師學生能完成基本的理論課程要求實驗外，還可以開展設計性實驗參加競賽，進一步提高了實驗室的利用率。

3.2在綜合實驗上的改進

自2008年起，完成了硬件課程設計的校級課程建設。編寫了相應的《微機原理與接口技術實驗指導書》《計算機組成原理實驗指導書》《硬件課程設計指導書》及其配套的網絡資源，使得學生實驗前有準備、實驗中有指導、實驗后有對比，大大增強了學生對實驗課的重視程度。

“微機原理與接口技術”課程的硬件連線之前都是在實驗箱上完成，所以學生的連線固定，而且學生也不容易掌握硬件電路的具體細節。在相應“硬件課程設計”實踐教學中進行了改革，讓學生自己設計接口電路板，包括使用接口芯片的類型，芯片引腳的排布，電源線地線的布置，LED燈、數碼管、按鍵開關、電阻的個數及排布都由學生自行設計，最后在面包板上焊接完成，使用原有的接口實驗箱來提供系統總線接口和匯編程序運行下載環境。通過這樣的改革，既有效地杜絕了抄襲現象，又使得學生對軟硬件設計加深了理解。

進一步引導學生學習和使用Proteus仿真軟件，通過對硬件電路布線和匯編程序的運行環境的仿真，學生可以實現軟件和硬件協同設計，并行展開工作，同時對整個微型計算機系統有了進一步加深理解。

對于硬件課程設計的實踐教學改革自2010年起，已經在計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程3個專業，6個年級得到了推廣和應用，實際效果顯著。將過去以驗證性為主的實驗逐步過渡到以設計性為主的實驗，提高學生的動手實踐和創新能力。學生的參與熱情和動手能力得到了提高，教師的教學管理能力也得到了很大的提升。

3.3在教學方法上的改進

在保證傳統教學內容不放松的情況下，為增強學生的學習主動性，進行了全校性的匯編語言程序設計競賽。通過三人一組的競賽小組，既增加了學生學習的主動性，又增加了學生的團結協作能力。事實證明，只要組織方法得當，學生的熱情和能力往往會得到充分發揮。

圖2是第5屆匯編語言程序設計競賽的4組獲獎同學的作品。其中，圖2（a）的匯編程序實現了將DOS窗口劃分為4塊，.能同時動態繪制不同顏色的圖形；圖2（b）的匯編程序實現了一個四則運算式計算器，能自動識別用戶輸入的帶括號的四則運算式的值，還成功實現了小數運算；圖2（c）的匯編程序實現了在4個窗口中分別動態輸出文本、計數與繪圖；圖2（d）的匯編程序實現了4個窗口的展開和疊放。每組同學的作品都有自己的創意和特色，利用匯編語言編寫程序可執行代碼小巧，任務切換速度快，執行效率高，體現了匯編語言獨特的魅力。

全校性的匯編語言程序設計大賽自2010年起，每年舉辦一屆，已經連續舉辦了6屆。學生們充分發揮了8086匯編語言的特長，從簡單的文本字符輸入輸出，到畫直線、畫三角形、畫圓，從簡單的動畫到游戲設計，從簡單的命令行程序到自行設計數據庫程序，從單一的窗口到多窗口設計，從單一任務到多任務并發，從簡單的匯編工具到實現c語言再到匯編語言的編譯系統設計。伴隨著學生們的積極熱情參與，教師團隊也受益頗多。

把重在能力培養的創新、實踐、個性發展的理念貫穿到整個教學活動中，強調探究式、研討式的學習方法。為了加強學生實踐動手能力的培養，提高學生學習興趣和積極性，我們教學團隊成立了“計算機硬件協會”。該協會是以學生自愿為前提，采取以學生為主體、教師加以啟發指導的實踐教學模式，通過以項目設計為導向，以興趣小組為單位，對學生的一種管理和組織方式。

以項目導向的開放實驗是近年來為實施素質教育、培養學生創新精神與實踐能力為目的而探索的一種實驗教學模式。該模式是在實驗室完成計劃內教學、科研任務的前提下，利用現有儀器、設備、場地、設施等資源，面向學生開放。開放實驗的內容主要以各種項目設計為基礎、掌握高新技術為特點、培養學生綜合運用所學知識為目的。

基于興趣小組學習法是學生自行組織、教師加以必要管理的實踐教學模式，是以項目設計為導向，綜合掌握各種知識、加強學生動手能力為目的一種學習方法。該方法能充分發揮學生的主觀能動性，培養學生分析問題解決問題的能力，激發學生的創新能力以及成就感。

“計算機硬件協會”現在已實現高年級學生帶低年級學生，興趣小組內學生相互學習自行分配任務，教師引導解決實際問題的可喜局面?，F有的興趣小組完成作品：如圖3（a）所示，應用ARM SMT32開發板設計尋跡小車，包括電機、輪子、各種傳感器的選材和安裝都由學生自行完成；如圖3（b）所示，四旋翼飛行器的組裝和GPS定位開發；如圖3（c）所示，利用Protel軟件，應用STC89LE52單片機設計兩層PCB板，實現按鍵顯示、語音識別等，包括布線、選器件、編寫和下載程序部件實現自行設計和選擇；如圖3（d）所示，應用Xilinx Base3開發板，用Verilog HDL語言編寫小型游戲，完成了驅動顯示器、按鍵等功能的自行開發。還有嵌入式Linux系統上的語音識別和開發；嵌入式Linux系統上攝像頭采集，通過WiFi網絡傳輸，手機端圖像的接收等。

4.結語

計算機科學與技術的不斷發展，要求采用更為貼近實際的教學方法，計算機專業畢業生已經從過去的應用開發者，向計算機的分析設計者轉變，軟硬件的協同設計是必然的發展趨勢。通過探索計算機硬件教學改進的方法，為后續工作打下了堅實的基礎。今后工作的重點將圍繞著系統性和實踐性教學，主要包括以下幾個方面：

（1）嵌入式處理器及其外圍電路：借鑒現有的80x86、ARM、MIPS架構展開設計，包括指令集、單周期、多周期、流水線、中斷、雙發射等技術，進一步設計相應的外圍互聯互通電路，能夠實現輸入輸出的設計驗證。

（2）嵌入式的操作系統及其工具軟件：參考已有UCOS、Linux嵌入式操作系統，并在此基礎上設計匯編工具和c語言的編譯工具。

（3）嵌入式系統開發板：能夠實現處理器芯片、總線、接口電路、外設的集成。

（4）基本應用開發：包括WiFi網絡通信、圖像采集傳輸、圖形游戲設計和機電控制等應用。

通過計算機硬件的教學課程，綜合實驗和教學方法的不斷改進創新，使學生增加了學習興趣，提高了分析設計的能力，同時也鍛煉出一支理性務實、團結創新的教學科研團隊，實現了真正意義上的教學相長。