董梁　翟社平　王曉婕　邢高峰

摘要：隨著對計(jì)算機(jī)硬件專業(yè)要求的不斷提高，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和開發(fā)已經(jīng)是發(fā)展的大勢所趨，因此要求計(jì)算機(jī)硬件教育從傳統(tǒng)的分離式、理論式，向系統(tǒng)性、實(shí)踐性的教學(xué)方向發(fā)展。文章分別從教學(xué)課程、綜合實(shí)驗(yàn)和教學(xué)方法方面提出硬件教學(xué)的改進(jìn)方案，以西安郵電大學(xué)為例，闡述根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展方向和對人才培養(yǎng)的要求，對于傳統(tǒng)的硬件實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行探索創(chuàng)新的過程。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)硬件、實(shí)踐教學(xué)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

1.背景

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)主要的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程是以intel8086為背景機(jī)，通過編寫匯編語言程序和在實(shí)驗(yàn)箱上連接硬件電路，來讓學(xué)生深刻理解計(jì)算機(jī)的工作方式?！坝?jì)算機(jī)組成原理”課程是從設(shè)計(jì)者角度出發(fā)，使學(xué)生掌握一般意義上的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)各功能部件的組成、工作原理和實(shí)現(xiàn)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(shí)，培養(yǎng)學(xué)生對硬件系統(tǒng)的分析、開發(fā)和使用能力?！坝?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程從軟硬件兩方面出發(fā)，講述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及其達(dá)到的功能性能指標(biāo)。

在實(shí)際教學(xué)過程中，隨著intel8086應(yīng)用的不斷減弱，計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)等況，導(dǎo)致課堂上老師越講越費(fèi)勁，學(xué)生越聽越?jīng)]興趣，考試內(nèi)容越來越簡單。針對這種情況，采取了一系列針對性的改進(jìn)措施。

2.硬件教學(xué)的改進(jìn)方案

計(jì)算機(jī)硬件與計(jì)算機(jī)學(xué)科其他部分是一個(gè)有機(jī)整體，為了方便教學(xué)需要?jiǎng)澰O(shè)各門課程，例如匯編語言、硬件電路設(shè)計(jì)、c語言、編譯原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等課程。在實(shí)踐教學(xué)中，通過課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生完成本課程知識(shí)的理解和消化；通過一些專項(xiàng)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生完成對專業(yè)知識(shí)的掌握和提高；通過一些綜合設(shè)計(jì)，學(xué)生完成對整個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)技能的掌握和提高。因此，計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)主要通過對教學(xué)課程、綜合實(shí)驗(yàn)、教學(xué)方法3個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

首先，在教學(xué)課程上進(jìn)行改進(jìn)。將“微型計(jì)算機(jī)原理”“匯編語言程序設(shè)計(jì)”“微機(jī)接口技術(shù)”等相關(guān)課程整合為一門“微機(jī)原理與接口技術(shù)”，統(tǒng)一教學(xué)大綱和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)要求。另外，將基于ARM的嵌入式開發(fā)和基于單片機(jī)的開發(fā)設(shè)為選修課。原有的“計(jì)算機(jī)組成原理”實(shí)驗(yàn)主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)的部分很有限。而“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)更是以軟件仿真為主，學(xué)生缺乏感性認(rèn)識(shí)。為此，專門開設(shè)了“Verilog HDL語言程序設(shè)計(jì)班和“基于FPGA的開發(fā)設(shè)計(jì)”課程。通過硬件描述語言Verilog HDL程序設(shè)計(jì)，可以由硬件邏輯電路設(shè)計(jì)逐步達(dá)到向芯片設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。通過引入FPGA開發(fā)板，來實(shí)現(xiàn)硬件電路設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。

其次，在綜合實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行改進(jìn)。在“硬件課程設(shè)計(jì)”中，將原來的硬件布線在實(shí)驗(yàn)箱上接線完成，改為由學(xué)生自行設(shè)計(jì)接口電路板，并完成程序運(yùn)行。另外，專門設(shè)立了“基本模型機(jī)課程設(shè)計(jì)”，讓學(xué)生自行用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)CPU及其相關(guān)部件，完成基本匯編/機(jī)器指令運(yùn)行。

最后，在教學(xué)方法上進(jìn)行改進(jìn)。通過組織競賽調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，包括已經(jīng)舉辦了6屆的“西安郵電大學(xué)匯編語言程序設(shè)計(jì)競賽”。通過組織“計(jì)算機(jī)硬件協(xié)會(huì)”，讓一部分學(xué)生進(jìn)入到科研項(xiàng)目中來，通過教師的管理和引導(dǎo)，來完成一些綜合性的實(shí)驗(yàn)課題。

3.硬件教學(xué)改進(jìn)的實(shí)現(xiàn)

3.1在教學(xué)課程上的改進(jìn)

規(guī)范全校的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程教學(xué)大綱，該課程以intel 8086為背景機(jī)，編寫匯編語言程序，設(shè)計(jì)接口電路，完成基本的微型計(jì)算機(jī)開發(fā)。相關(guān)的選修課程有“嵌入式系統(tǒng)與開發(fā)”和“單片機(jī)技術(shù)”?！扒度胧较到y(tǒng)與開發(fā)”課程主要以ARM為背景機(jī)，編寫c語言程序，在已有的開發(fā)板上進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

“計(jì)算機(jī)組成原理”是計(jì)算機(jī)學(xué)科各專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新開發(fā)能力的核心課程。通過計(jì)算機(jī)組成原理課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握一般意義上計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)各功能部件的工作原理和設(shè)計(jì)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(shí)。已有教學(xué)方式注重計(jì)算機(jī)科學(xué)理論，強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)體系設(shè)計(jì)思想和各部件的功能用途。這種教學(xué)模式的好處在于突出主干，使得學(xué)生可以把握整體，易于掌握計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的核心思想。有別于傳統(tǒng)教學(xué)側(cè)重理論，實(shí)驗(yàn)也主要是在實(shí)驗(yàn)箱上的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)教學(xué)方法對于考研學(xué)生很有幫助，但對于更多畢業(yè)找工作的學(xué)生就很難引起興趣。

首先，在確保理論課不放松、不降低教學(xué)質(zhì)量要求的前提下，與后續(xù)的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程進(jìn)行很好的銜接。選用了白中英教授編著的國家級(jí)精品教材《計(jì)算機(jī)組成原理））o同時(shí)根據(jù)全國計(jì)算機(jī)專業(yè)考研統(tǒng)考大綱，將蔣本珊教授編著的《計(jì)算機(jī)組成原理》、唐朔飛教授編著的《計(jì)算機(jī)組成原理》、王閔教授編著的《計(jì)算機(jī)組成原理》和王愛英教授編著的《計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》作為參考教材。

其次，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，與現(xiàn)在主流的Verilog HDL硬件描述語言、FPGA開發(fā)板對接，將數(shù)字邏輯電路、硬件描述語言和可編程邏輯器件進(jìn)行有機(jī)整合，從而讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中真正成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者。

這里需要團(tuán)隊(duì)進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，包括：選派教師參加南京大學(xué)的XILINX技術(shù)培訓(xùn)課程、選派教師參加北京航空航天大學(xué)的CPU工程化設(shè)計(jì)、選派教師參加計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)課程的全國研討會(huì)、承辦“全國計(jì)算機(jī)核心課程教學(xué)改革研討會(huì)”、聯(lián)合北京至芯科技公司舉辦了FPGA硬件開發(fā)技術(shù)培訓(xùn)等工作。

在與全國各高校教師和公司工程師的討論學(xué)習(xí)中，尤其是與浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院、北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的專家學(xué)者進(jìn)行深入的交流后認(rèn)為，經(jīng)過數(shù)十年的建設(shè)，我國高校計(jì)算機(jī)專業(yè)已形成了一套相對穩(wěn)定人才培養(yǎng)模式。目前，面對可編程硬件時(shí)代機(jī)遇和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)改革的需求，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)已是當(dāng)務(wù)之急。以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為手段，通過加強(qiáng)數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)外設(shè)、操作系統(tǒng)、匯編語言、編譯原理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)日n程的有機(jī)銜接，促進(jìn)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力得到提升。

錄制了計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)微視頻，編寫了相應(yīng)的Verilog HDL指導(dǎo)書，改造并新建了計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)室。改造的實(shí)驗(yàn)室能很好地完成傳統(tǒng)的理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，滿足非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。新建的實(shí)驗(yàn)室引入了最新的XilinxK7系列FPGA開發(fā)版，以及Vivado綜合開發(fā)工具，開發(fā)出存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)、運(yùn)算器設(shè)計(jì)、基本模型機(jī)設(shè)計(jì)、總線設(shè)計(jì)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過可編程方式來設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)電路，開展可重構(gòu)原理的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，使學(xué)生具有用硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì)的能力，完成從驗(yàn)證知識(shí)到設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?，F(xiàn)在除了使得計(jì)算機(jī)專業(yè)教師學(xué)生能完成基本的理論課程要求實(shí)驗(yàn)外，還可以開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)參加競賽，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)室的利用率。

3.2在綜合實(shí)驗(yàn)上的改進(jìn)

自2008年起，完成了硬件課程設(shè)計(jì)的校級(jí)課程建設(shè)。編寫了相應(yīng)的《微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》《計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》《硬件課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》及其配套的網(wǎng)絡(luò)資源，使得學(xué)生實(shí)驗(yàn)前有準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)中有指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)后有對比，大大增強(qiáng)了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的重視程度。

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的硬件連線之前都是在實(shí)驗(yàn)箱上完成，所以學(xué)生的連線固定，而且學(xué)生也不容易掌握硬件電路的具體細(xì)節(jié)。在相應(yīng)“硬件課程設(shè)計(jì)”實(shí)踐教學(xué)中進(jìn)行了改革，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)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(shù)碼管、按鍵開關(guān)、電阻的個(gè)數(shù)及排布都由學(xué)生自行設(shè)計(jì)，最后在面包板上焊接完成，使用原有的接口實(shí)驗(yàn)箱來提供系統(tǒng)總線接口和匯編程序運(yùn)行下載環(huán)境。通過這樣的改革，既有效地杜絕了抄襲現(xiàn)象，又使得學(xué)生對軟硬件設(shè)計(jì)加深了理解。

進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和使用Proteus仿真軟件，通過對硬件電路布線和匯編程序的運(yùn)行環(huán)境的仿真，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)軟件和硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，并行展開工作，同時(shí)對整個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有了進(jìn)一步加深理解。

對于硬件課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)改革自2010年起，已經(jīng)在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程3個(gè)專業(yè)，6個(gè)年級(jí)得到了推廣和應(yīng)用，實(shí)際效果顯著。將過去以驗(yàn)證性為主的實(shí)驗(yàn)逐步過渡到以設(shè)計(jì)性為主的實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力。學(xué)生的參與熱情和動(dòng)手能力得到了提高，教師的教學(xué)管理能力也得到了很大的提升。

3.3在教學(xué)方法上的改進(jìn)

在保證傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容不放松的情況下，為增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，進(jìn)行了全校性的匯編語言程序設(shè)計(jì)競賽。通過三人一組的競賽小組，既增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，又增加了學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。事實(shí)證明，只要組織方法得當(dāng)，學(xué)生的熱情和能力往往會(huì)得到充分發(fā)揮。

圖2是第5屆匯編語言程序設(shè)計(jì)競賽的4組獲獎(jiǎng)同學(xué)的作品。其中，圖2（a）的匯編程序?qū)崿F(xiàn)了將DOS窗口劃分為4塊，.能同時(shí)動(dòng)態(tài)繪制不同顏色的圖形；圖2（b）的匯編程序?qū)崿F(xiàn)了一個(gè)四則運(yùn)算式計(jì)算器，能自動(dòng)識(shí)別用戶輸入的帶括號(hào)的四則運(yùn)算式的值，還成功實(shí)現(xiàn)了小數(shù)運(yùn)算；圖2（c）的匯編程序?qū)崿F(xiàn)了在4個(gè)窗口中分別動(dòng)態(tài)輸出文本、計(jì)數(shù)與繪圖；圖2（d）的匯編程序?qū)崿F(xiàn)了4個(gè)窗口的展開和疊放。每組同學(xué)的作品都有自己的創(chuàng)意和特色，利用匯編語言編寫程序可執(zhí)行代碼小巧，任務(wù)切換速度快，執(zhí)行效率高，體現(xiàn)了匯編語言獨(dú)特的魅力。

全校性的匯編語言程序設(shè)計(jì)大賽自2010年起，每年舉辦一屆，已經(jīng)連續(xù)舉辦了6屆。學(xué)生們充分發(fā)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(dòng)畫到游戲設(shè)計(jì)，從簡單的命令行程序到自行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫程序，從單一的窗口到多窗口設(shè)計(jì)，從單一任務(wù)到多任務(wù)并發(fā)，從簡單的匯編工具到實(shí)現(xiàn)c語言再到匯編語言的編譯系統(tǒng)設(shè)計(jì)。伴隨著學(xué)生們的積極熱情參與，教師團(tuán)隊(duì)也受益頗多。

把重在能力培養(yǎng)的創(chuàng)新、實(shí)踐、個(gè)性發(fā)展的理念貫穿到整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，強(qiáng)調(diào)探究式、研討式的學(xué)習(xí)方法。為了加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)成立了“計(jì)算機(jī)硬件協(xié)會(huì)”。該協(xié)會(huì)是以學(xué)生自愿為前提，采取以學(xué)生為主體、教師加以啟發(fā)指導(dǎo)的實(shí)踐教學(xué)模式，通過以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，以興趣小組為單位，對學(xué)生的一種管理和組織方式。

以項(xiàng)目導(dǎo)向的開放實(shí)驗(yàn)是近年來為實(shí)施素質(zhì)教育、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力為目的而探索的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。該模式是在實(shí)驗(yàn)室完成計(jì)劃內(nèi)教學(xué)、科研任務(wù)的前提下，利用現(xiàn)有儀器、設(shè)備、場地、設(shè)施等資源，面向?qū)W生開放。開放實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容主要以各種項(xiàng)目設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)、掌握高新技術(shù)為特點(diǎn)、培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)為目的。

基于興趣小組學(xué)習(xí)法是學(xué)生自行組織、教師加以必要管理的實(shí)踐教學(xué)模式，是以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，綜合掌握各種知識(shí)、加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力為目的一種學(xué)習(xí)方法。該方法能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力以及成就感。

“計(jì)算機(jī)硬件協(xié)會(huì)”現(xiàn)在已實(shí)現(xiàn)高年級(jí)學(xué)生帶低年級(jí)學(xué)生，興趣小組內(nèi)學(xué)生相互學(xué)習(xí)自行分配任務(wù)，教師引導(dǎo)解決實(shí)際問題的可喜局面?，F(xiàn)有的興趣小組完成作品：如圖3（a）所示，應(yīng)用ARM SMT32開發(fā)板設(shè)計(jì)尋跡小車，包括電機(jī)、輪子、各種傳感器的選材和安裝都由學(xué)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(fā)；如圖3（c）所示，利用Protel軟件，應(yīng)用STC89LE52單片機(jī)設(shè)計(jì)兩層PCB板，實(shí)現(xiàn)按鍵顯示、語音識(shí)別等，包括布線、選器件、編寫和下載程序部件實(shí)現(xiàn)自行設(shè)計(jì)和選擇；如圖3（d）所示，應(yīng)用Xilinx Base3開發(fā)板，用Verilog HDL語言編寫小型游戲，完成了驅(qū)動(dòng)顯示器、按鍵等功能的自行開發(fā)。還有嵌入式Linux系統(tǒng)上的語音識(shí)別和開發(fā)；嵌入式Linux系統(tǒng)上攝像頭采集，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸，手機(jī)端圖像的接收等。

4.結(jié)語

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，要求采用更為貼近實(shí)際的教學(xué)方法，計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)生已經(jīng)從過去的應(yīng)用開發(fā)者，向計(jì)算機(jī)的分析設(shè)計(jì)者轉(zhuǎn)變，軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)是必然的發(fā)展趨勢。通過探索計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)改進(jìn)的方法，為后續(xù)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。今后工作的重點(diǎn)將圍繞著系統(tǒng)性和實(shí)踐性教學(xué)，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）嵌入式處理器及其外圍電路：借鑒現(xiàn)有的80x86、ARM、MIPS架構(gòu)展開設(shè)計(jì)，包括指令集、單周期、多周期、流水線、中斷、雙發(fā)射等技術(shù)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍互聯(lián)互通電路，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

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

（3）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板：能夠?qū)崿F(xiàn)處理器芯片、總線、接口電路、外設(shè)的集成。

（4）基本應(yīng)用開發(fā)：包括WiFi網(wǎng)絡(luò)通信、圖像采集傳輸、圖形游戲設(shè)計(jì)和機(jī)電控制等應(yīng)用。

通過計(jì)算機(jī)硬件的教學(xué)課程，綜合實(shí)驗(yàn)和教學(xué)方法的不斷改進(jìn)創(chuàng)新，使學(xué)生增加了學(xué)習(xí)興趣，提高了分析設(shè)計(jì)的能力，同時(shí)也鍛煉出一支理性務(wù)實(shí)、團(tuán)結(jié)創(chuàng)新的教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的教學(xué)相長。