“计算机组成与体系结构”课程群建设实践.doc

“计算机组成与体系结构”课程群建设实践 　　摘要:本文分析了目前计算机相关课程教学面临的挑战和机遇;在对国内外教学情况进行分析比较的基础上,提出了“计算机组成与体系结构”课程群建设目标和思路;详细介绍了南京大学的改革实践情况和取得的成效;最后给出了课程群建设的工作设想。 　　关键词:计算机组成;计算机系统结构;课程群建设;教学改革 　　 　　随着多核/众核处理器以及可重构计算技术的出现,计算机体系结构技术面临重大改变,给相关课程的教学提出了新的问题和新的挑战。如何在教学内容中体现技术的发展?如何利用FPGA技术提升实验水平?如何统一规划相关课程的教学?特别是在不久的将来,计算机体系结构可能发生重大变革的情况下,如何为那些将要在新型体系架构下从事计算机科学和技术研究和开发的学生打下良好的专业基础?这些都是我们近年来一直考虑的问题。带着这些问题,我们跟踪了美国几个一流大学近几年来相关课程的教学内容及实验方法。对照国际一流大学的先进做法,结合我校计算机人才的培养目标,我们提出了“计算机组成与体系结构”课程群建设思路,并根据实际情况对相关课程进行了教学改革实践。 　　1国外一流大学相关课程教学情况 　　通过对UC Berkeley、Stanford和MIT等多个美国一流大学在相关课程方面教学情况[1-5]的跟踪,我们发现,这些大学对相关课程教学都进行了调整,通过开设新课程或调整相关课程教学内容加入了多核/多线程处理器的相关内容,特别强调学生对HDL、FPGA、SOC、并行体系结构、并行程序设计等技术的掌握。这些大学在相关课程教学内容和实验内容方面基本相同,都是以典型的四段或五段流水线CPU设计技术和存储器层次化结构为核心内容,教学理念和教学思路也非常相似,都是站在计算机系统的高度阐述计算机硬件系统的结构和设计思想,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、机器指令代码和硬件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。 　　图1给出了美国UC Berkeley大学2009年相关课程的设置概况,图中箭头反映课程开设先后关系。 　　 　　图1UC Berkeley大学相关课程设置[2] 　　CS61C(Machine Structure)主要包括C语言程序设计、指令流水线和存储器层次结构等方面的基础内容,以“C语言→MIPS汇编→MIPS目标代码→MIPS处理器设计”为主线组织内容,以“高级语言程序设计”实验和“模拟器”实验为手段,使学生建立单处理器计算机系统的整机概念。 　　CS 150(Components and Design Techniques for Digital System)主要介绍数字逻辑电路基础知识和EDA设计技术,2009年以前的实验主要是在FPGA开发板上进行视频解码及播放电路设计开发,从2009年开始改为“流水线CPU设计”,要求学生采用流水线方式设计实现16条MIPS指令,以串行接口方式从PC上装入程序到FPGA开发板,并通过PC调试程序,最终通过VGA接口,将FPGA板连接到一个显示器上,在该显示器上显示由所设计的CPU执行的一个游戏程序的执行结果,如图2所示。 　　 　　图2UC Berkeley大学CS150课程综合实验内容[3] 　　CS 152(Computer Architecture Engineering)着重介绍多处理器并行计算机体系结构,包括多核/众核处理器、多处理器计算机系统以及各类并行处理机制等。 　　CS194为新开设的本科生课程,是一门基于FPGA的以计算机系统结构实验为主的课程。在开设新课程的同时,该校还对相关课程内容进行了调整,从2009年开始,将CS152中基于FPGA的流水线CPU设计实验移到了CS150课程中,把原来研究生课程CS252中的很多内容移到了CS152。 　　由此可见,在这类课程的教学中,UC Berkeley近两年有一个明显变化,就是在保留传统课程内容的同时加强了基于FPGA的硬件设计能力的培养。此外,在本科教学中加深了并行体系结构方面的教学内容,而且教学内容的调整是在对相关几门课的统筹规划下进行的。 　　2课程群建设思想 　　随着多核/众核处理器技术的出现,我们意识到,必须对计算机组成与体系结构方面的教学内容进行调整。我们首先对本系开设的所有课程的教学内容进行了梳理。结果发现,由于课程间缺乏统一规划和协调,教学存在内容大量重复或缺失、课堂教学和实验内容不匹配、课程之间内容脱节等问题。有必要将相关课程组成一个课程群,以便在一个完整的框架体系下统一规划、相互协调,构建科学合理的计算机组织与体系结构相关课程教学体系。为此,从2007年开始,我们提出并实施了“计算机组成与体系结构”课