高小鵬-20131130-計算機人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學實踐-V2

1、高小鵬高小鵬北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院20201313年年1212月月1 1日日1第2屆高等學校計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)高峰論壇浙江，杭州計算機人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學實踐北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 基本思路 課程群體系 系統(tǒng)能力分級 工程化方法匯報提綱2北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院系統(tǒng)能力培養(yǎng)的基本思路20062007200820092010201120122013系統(tǒng)能力 2006：首次工程教育認證后，引發(fā)了對畢業(yè)生核心能力的思考 結論：系統(tǒng)能力 系統(tǒng)能力培養(yǎng)的特點：綜合性與形成性q綜合性：綜合運用多種知識解決系統(tǒng)級問題q

2、形成性：能力不是一蹴而就，需逐步形成 基本思路q開發(fā)“CPU、OS、編譯器”計算機系統(tǒng)q多門課程聯(lián)動，逐步達成CPU編譯器編譯器OS北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 計算機系統(tǒng)的3個基石：CPU、OS、編譯器qCPU：指令集、流水線、調(diào)度、存儲層次、總線。qOS：中斷、任務切換、存儲管理、I/O。q編譯器：循環(huán)優(yōu)化、指令調(diào)度。q三者密切配合、相互影響、互相滲透 本科生開發(fā)一個功能型計算機系統(tǒng)qL1：理解硬件系統(tǒng)的運行原理qL2：掌握硬件系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件構造方法qL3：領悟軟/硬件相互作用關系為什么選計算機系統(tǒng)作為目標？4CPU編譯器編譯器OS北京航空航天大學計算機學院北京航空

3、航天大學計算機學院 現(xiàn)象：2006，能力較弱 原因：教學以讓學生了解知識為目標，不是以學生設計系統(tǒng)為目標q過于強調(diào)知識的全面性，課時總容量不足，學生難以深入學習q雖也重視了課程體系建設，但課程銜接不足當時存在問題分析5對象對象開發(fā)能力開發(fā)能力CPU自定義指令集；指令規(guī)模10+條OS分析代碼；系統(tǒng)調(diào)用級編程編譯器自定義文法；生成虛擬機指令；優(yōu)化弱北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院精簡課程群6 2006：計算機系統(tǒng)相關課程(5門)q模擬電路、數(shù)字邏輯、計算機組成原理、操作系統(tǒng)、編譯技術q均為必修課：課程總周期過長q課程體系銜接：有脫節(jié)、有重疊 建設：計算機系統(tǒng)課程群(4門)q數(shù)字

4、邏輯、計算機組成原理、操作系統(tǒng)、編譯技術q數(shù)字邏輯：作為起步課程；從數(shù)字電路層面切入q模擬電路：選修課(體系結構方向必修課)北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院課程群改革規(guī)劃(2006) 教學目標：CPU，OS，編譯器 技術路線q課程體系整合重構q實驗體系物理綜合北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 基本思路 課程群體系 系統(tǒng)能力分級 工程化方法匯報提綱8北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 數(shù)字邏輯q結合數(shù)理邏輯知識，講授組合邏輯與時序邏輯原理q基于MIPS指令集，設計寄存器、加法器、移位器、控制器、多路選擇器、計數(shù)器、比較器q引入HDL語言、

5、EDA工具 計算機組成q講授計算機硬件工作原理q在部件設計基礎上，實現(xiàn)MIPS指令集的功能型計算機系統(tǒng)q深化HDL語言、EDA工具應用 操作系統(tǒng)q講授OS的各組成及其機理q實現(xiàn)MIPS的功能型OS 編譯技術q講授編譯器的構造技術q實現(xiàn)MIPS的C編譯器計算機系統(tǒng)課程群體系9北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院計算機組成數(shù)字邏輯課程體系 數(shù)字邏輯q講授組合邏輯與時序邏輯原理q設計寄存器、加法器、移位器、控制器、多路選擇器等基礎部件 計算機組成q講授計算機硬件工作原理q在基礎部件之上開發(fā)計算機硬件系統(tǒng)q實現(xiàn)MIPS ISA、中斷、存儲器、I/O等硬件抽象基礎部件硬件抽象MIPS指令

6、集 中斷控制器 存儲器I/O北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院編譯技術操作系統(tǒng)課程體系中斷 切換 虛實進程管理內(nèi)存管理設備管理文件系統(tǒng)硬件抽象MIPS指令集中斷控制器存儲器I/O詞法分析語法分析中間代碼代碼生成代碼優(yōu)化 操作系統(tǒng)q理解中斷、現(xiàn)場切換等核心機制及軟硬件依賴關系q實現(xiàn)基于MIPS程序的進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設備管理等 編譯技術qC0生成MIPS匯編q強化代碼優(yōu)化11北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院基礎部件電路原理實驗體系數(shù)字邏輯 目標：掌握數(shù)字電路設計方法，開發(fā)MIPS處理器的基礎部件 實驗體系q第1層次：電路原理u組合邏輯、時序邏輯u

7、觸發(fā)器/寄存器、電路特性q第2層次：計算與控制u加/減、乘/除、有限狀態(tài)機q第3層次：基礎部件u譯碼器、ALU、數(shù)據(jù)選擇器、計數(shù)器、乘法單元、存儲器計算&控制12北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院實驗體系計算機組成 目標：實現(xiàn)MIPS計算機 實驗體系qMIPS各型指令數(shù)據(jù)通路實驗qMIPS多周期數(shù)據(jù)通路實驗qMIPS多周期控制單元實驗13北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院實驗體系操作系統(tǒng) 目標：實現(xiàn)小型MIPS操作系統(tǒng) 實驗體系q圍繞MIPS，采用層次化設計原則q6個綜合型實驗，構造一個相對完整的操作系統(tǒng)u內(nèi)核制作與bootu存儲管理u進程與中斷u系統(tǒng)調(diào)用u

8、文件系統(tǒng)ushell14北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院綜合實驗體系編譯技術 目標：為MIPS開發(fā)C編譯器 實驗體系q面向MIPS，生成中間代碼 q實現(xiàn)基本代碼優(yōu)化q完成具有現(xiàn)代編譯器主要特征的小型編譯器 q提供不同難度的選擇u從PL/0生成P-CODEu從C0生成P-CODEu從C0生成MIPS匯編15北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院統(tǒng)一的硬件實驗平臺MIPS CPU存儲器存儲器 數(shù)字邏輯、計算機組成、操作系統(tǒng)、編譯技術16北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院6年改革歷程組建課程群團隊頂層設計分布實施先遣小隊首次完成MIPS處理器開發(fā)數(shù)

9、字邏輯首輪實驗編譯技術首先調(diào)整數(shù)字邏輯全面調(diào)整編譯技術全面調(diào)整自主開發(fā)統(tǒng)一硬件實驗平臺數(shù)字邏輯全面實施編譯技術全面實施全面重構硬件代碼(特別是MIPS代碼)OS調(diào)整模擬器OS全面實施模擬器/硬件計組引入HDL計組全面實施20062007200820092010201120122013系統(tǒng)能力 2006：啟動；2007：規(guī)劃、小組實施 5個輪次迭代；2012年市教學成果一等獎17北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院CPU設計能力83%42%21%17%58%56%23%0%20%40%60%80%100%2009年2010年2011年示意型一般型完整型比較比較內(nèi)容內(nèi)容北航北航(教

10、改前教改前)北航北航(教改后教改后)BerkeleyMIT指令集自定義MIPS自定義自定義指令規(guī)模10+502232處理能力8位32位16位32完整CPUOS支持 工業(yè)標準的處理器q工業(yè)標準指令集uMIPS應用廣泛q較完整的CPU設計u幾乎覆蓋定點指令u中斷/異常u支持簡單OS運行u有力支持后續(xù)課程北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院OS設計能力 相對完整的OSq學生已可以完成較完整的操作系統(tǒng)設計與開發(fā)q操作系統(tǒng)與MIPS計算機硬件完整集成q與前序課程有序銜接，掌握完整軟硬件開發(fā)比較比較內(nèi)容內(nèi)容北航北航(教改前教改前)北航北航(教改后教改后)Berkeley Harvard M

11、ITOS選型Linux/WindowsLinux/小OSNACHOS NACHOS 小OS能力層次分析/系統(tǒng)編程分析/設計分析/設計分析/設計分析/設計硬件PCMIPS模擬器/MIPS硬件MIPS模擬器MIPS模擬器PC小OS31430Linux745047Windows2336232010201120120%20%40%60%80%100%北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院編譯器設計能力 突出編譯優(yōu)化q參照國際一流大學課程建設趨勢，加大優(yōu)化部分比重q連續(xù)5年實施新實驗體系q選擇高難度實驗的學生比例穩(wěn)定在50%以上u其中90%以上學生可以完成高難度實驗選擇低難度實驗11165

12、958990未完成高難度實驗30101067完成高難度實驗61110859578200720082009201020110%20%40%60%80%100%北航北航(教改前教改前)北航北航(教改后教改后)BerkeleyCMUPrinston優(yōu)化實驗比重5%35%39%61%58%優(yōu)化算法重點講述469109北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 基本思路 課程群體系 系統(tǒng)能力分級 工程化方法匯報提綱21北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院如何評價系統(tǒng)能力培養(yǎng)的達成度？22北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 DO-178B：5級安全q機載軟件安全

13、等級 CMM：5級成熟度q軟件開發(fā)能力 分級：標準和尺子q有利于量化評估q不斷提升要求 各課獨立設置借鑒軟件開發(fā)23CMM：軟件能力成熟度模型系統(tǒng)開發(fā)安全等級嚴重性說明接受頻率(發(fā)生的風險)Level A災難Extremely improbable( X 10-9)Level B危險Extremely remote(10-9 X 10-7)Level C重要remote(10-7 X 10-5)Level E無AllDO-178B：機載軟件安全級模型北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院CPU開發(fā)能力計算機組成原理24CPU開發(fā)能力等級指令集規(guī)模CPU特點155較完整定點類指令；

14、支持GCC；支持中斷/異常/系統(tǒng)調(diào)用24550較完整定點類指令；支持GCC33040+常用的運算/存儲/分支/置位/函數(shù)調(diào)用指令；手工匯編；可運行小型程序41020+基本的運算/存儲/分支/函數(shù)調(diào)用指令；手工匯編；可運行簡單程序5010簡單的運算/存儲/分支指令；手工匯編；示意型設計北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 基本思路 課程群體系 系統(tǒng)能力分級 工程化方法匯報提綱25北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 課程群關鍵節(jié)點：傳統(tǒng)的重課/難課q承上啟下，直接決定整體目標能否高質(zhì)量達成qCPU實驗體系具有較大規(guī)模和難度 實驗教學目標：功能型CPU的設計q指令集

15、規(guī)模：50+條指令q可以運行由GCC編譯產(chǎn)生的定點類程序q支持中斷/異常計算機組成原理實驗概述26北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 目的：讓多數(shù)普通學生達成目標！ 規(guī)模達到一定程度(如30+)，須強調(diào)方法，否則：q少數(shù)優(yōu)秀學生：靠天份能悟出來q多數(shù)普通學生：盲動失敗挫折感 工程方法：可能不是最優(yōu)的，但應該是簡單與有效q具有普適性 簡單有效：按照方法可以一步步的開發(fā)出復雜系統(tǒng)q要讓學生擁有巔峰體驗：原來我也能達到這個目標！為什么強調(diào)工程方法？27北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院過去的教學方法：圖解式案例教學 講解典型指令的數(shù)據(jù)通路的構造過程 建立對指令在數(shù)

16、據(jù)通路中流動的直觀認識 建立對數(shù)據(jù)通路基本組成的基本認識指令存儲器AddrDataPC寄存器堆Read Reg1Read Reg2WriteRegWriteDataRead Data1Read Data2ADDUSUBUORILWSWBEQJALUZeroOvALU結果16擴展3201數(shù)據(jù)存儲器AddrReadDataWriteDataPC計算PCIMMNPCPC+401226IM25:21IM20:161F012M1IM15:0M228北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 效率低下：新增指令導致對圖的大量修改 復雜度高：指令集規(guī)模，圖的復雜度q圖的布局對于開發(fā)影響極大 錯誤傳

17、遞：一條指令的錯誤會長期存在并產(chǎn)生影響q修改錯誤，往往會導致對圖的大量變更 難以追朔：大量設計過程難以復現(xiàn)q50+指令：會保留50+圖嗎？ 跨度過大：從圖到HDL，跨度大，缺乏中間層次圖解式案例教學方法的不足29北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 效率低下：新增指令導致對圖的大量修改 復雜度高：指令集規(guī)模，圖的復雜度q圖的布局對于開發(fā)影響極大 錯誤傳遞：一條指令的錯誤會長期存在并產(chǎn)生影響q修改錯誤，往往會導致對圖的大量變更 難以追朔：大量設計過程難以復現(xiàn)q50+指令：會保留50+圖嗎？ 跨度過大：從圖到HDL，跨度大，缺乏中間層次圖解式案例教學方法的不足30成效：學生可以理解

18、小規(guī)模指令集CPU的設計方法困難：學生尚難以將其推廣至一般，難以開發(fā)更大規(guī)模指令集的CPU北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 目標：普通學生也能開發(fā)50+規(guī)模CPU 工程化方法：3類方法q單周期CPU設計工程方法(完成)q多周期CPU設計工程方法(完成)q流水線CPU設計工程方法(進行中)2012年秋季新探索：工程化方法31北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院回顧：單周期數(shù)據(jù)通路PC、NPC計算單元指令存儲器、數(shù)據(jù)存儲器寄存器文件運算單元、擴展單元MUX指令存儲器AddrDataPC寄存器堆Read Reg1Read Reg2WriteRegWriteData

19、Read Data1Read Data2ADDUSUBUORILWSWBEQJALALUZeroOvALU結果16擴展3201數(shù)據(jù)存儲器AddrReadDataWriteDataPC計算PCIMMNPCPC+401226IM25:21IM20:161F012M1IM15:0M232北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院通過案例教學，教師總結出幾個必備部件 數(shù)據(jù)通路表格：建立部件間的連接關系q記錄了部件輸入端的輸入來源q忽略控制類信號q只保留數(shù)據(jù)類信號指令NPCPCIMRFALUDMWDataRDAB33北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院單指令數(shù)據(jù)通路構造的一般性

20、方法 S1：閱讀每條指令改寫RTLq發(fā)現(xiàn)所有的新增需求 S2：對每個新增需求（2種處理方法）q合并至已有部件u修改已有部件設計描述：F，I，Oq需要新增部件u建立新增部件設計描述： F，I，O S3：對每個部件設置輸入來源原則：u來源相同/相近u目的相同/相近34北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院示例：ADDU指令NPCPCIMRFALUDMWDataRDABADDURTLRrdRrs+Rrt PCPC+4S1：閱讀指令，翻譯成RTL表述S2：根據(jù)RTL，確定部件間連接關系NPCPCALUIM15:11 RF.RD1 RF.RD235北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學

21、計算機學院36增加指令：ADDIU指令NPCPCIMRFS_EXTALUDMWDataRDABADDUNPCPCALUIM15:11RF.RD1 RF.RD2ADDIURTLRrtRrs+sign_ext(imm16) PCPC+4北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院37增加指令：ADDIU指令NPCPCIMRFS_EXTALUDMWDataRDABADDUNPCPCALUIM15:11RF.RD1 RF.RD2ADDIUNPCPCALUIM20:16 IM15:0 RF.RD1S_EXTRTLRrtRrs+sign_ext(imm16); PCPC+4北京航空航天大學計算機學

22、院北京航空航天大學計算機學院多指令數(shù)據(jù)通路合并指令NPCPCIMRFS_EXTALUDMWDataRDABADDUNPC.NPCPCALUIM15:11RF.RD1 RF.RD2ADDIUNPC.NPCPCALUIM20:16 IM15:0 RF.RD1S_EXTLWNPC.NPCPCDMIM20:16 IM15:0 RF.RD1S_EXTSWNPC.NPCPCIM15:0 RF.RD1S_EXTRF.RD2。合并IM25:0 NPC.NPCPCALU|DM |NPC.PC4IM15:11|IM20:16|0 x1FIM15:0 RF.RD1RF.RD2|S_EXTRF.RD2 合并：垂直方向

23、歸并，去除相同項 MUX自動綜合：輸入源多余1個的需設置MUXqMUX控制信號由控制器產(chǎn)生38北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院數(shù)據(jù)通路設計的工程化方法for each 指令for each 新增需求case 可以合并至已有部件：修改部件設計描述、HDL建模：F，I，Ocase 需要新增部件：建立新部件設計描述、HDL建模：F，I，O增加新部件for each 部件設置輸入來源按垂直方向合并數(shù)據(jù)通路，并去除相同項for each 輸入來源多余1個的輸入端部署1個MUX(MUX的輸入規(guī)模為輸入來源數(shù))MUX設計定義、HDL建模單指令數(shù)據(jù)通路構造HDL建模：連接所有的部件及所有的

24、MUX多數(shù)據(jù)通路綜合系統(tǒng)實現(xiàn)北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院數(shù)據(jù)通路設計的工程化方法for each 指令for each 新增需求case 可以合并至已有部件：修改部件設計描述、HDL建模：F，I，Ocase 需要新增部件：建立新部件設計描述、HDL建模：F，I，O增加新部件for each 部件設置輸入來源按垂直方向合并數(shù)據(jù)通路，并去除相同項for each 輸入來源多余1個的輸入端部署1個MUX(MUX的輸入規(guī)模為輸入來源數(shù))MUX設計定義、HDL建模固定復雜度(單指令，對每條指令理解正確)HDL建模：連接所有的部件及所有的MUX極低復雜度較低復雜度北京航空航天大學計

25、算機學院北京航空航天大學計算機學院組建課程群團隊頂層設計分布實施先遣小隊首次完成MIPS處理器開發(fā)數(shù)字邏輯首輪實驗編譯技術首先調(diào)整數(shù)字邏輯全面調(diào)整編譯技術全面調(diào)整自主開發(fā)統(tǒng)一硬件實驗平臺數(shù)字邏輯全面實施編譯技術全面實施全面重構硬件代碼(特別是MIPS代碼)OS調(diào)整模擬器OS全面實施模擬器/硬件計組引入HDL計組全面實施新計組(數(shù)字邏輯工程方法)20062007200820092010201120122013系統(tǒng)能力新計組(2012秋季)：1個行政班試驗41北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院新計組(2012秋季)：工程化方法實踐效果 2012年秋季，1個行政班成建制完成CPU開

26、發(fā)q均完成50+指令的CPU設計q支持簡單OS運行q有力支持后續(xù)課程 學生有“巔峰體驗”，有成就感42北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院新計組(2013年秋季)：全大班試驗組建課程群團隊頂層設計分布實施先遣小隊首次完成MIPS處理器開發(fā)數(shù)字邏輯首輪實驗編譯技術首先調(diào)整數(shù)字邏輯全面調(diào)整編譯技術全面調(diào)整自主開發(fā)統(tǒng)一硬件實驗平臺數(shù)字邏輯全面實施編譯技術全面實施全面重構硬件代碼(特別是MIPS代碼)OS調(diào)整模擬器OS全面實施模擬器/硬件計組引入HDL計組全面實施新計組(數(shù)字邏輯工程方法)20062007200820092010201120122013新計組系統(tǒng)能力43北京航空航天大學

27、計算機學院北京航空航天大學計算機學院總結 系統(tǒng)能力培養(yǎng)：需通過系列課程連續(xù)實施q課程群知識體系、實驗體系應緊密銜接 系統(tǒng)能力分級：是標尺，有利于量化評估 工程化方法：是普通學生達成較高目標關鍵所在q讓學生有巔峰體驗，激發(fā)學習熱情44謝謝大家！敬請批評指正！北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院 2013秋季實驗體系(Project部分)注重形成性培養(yǎng)46序號描述檢查時間描述檢查方式1報紙售賣機9周閱讀和運行Verilog設計代碼和testbench。 現(xiàn)場問答2串行發(fā)送11周閱讀設計要求和Verilog代碼，補全代碼，完成報告。筆試3單周期設計logisim12周用logisim

28、完成單周期CPU設計。注：支持MIPS-Lite指令集1) 現(xiàn)場增加指令2) 通過測試用例4單周期設計Verilog13周用Verilog完成單周期CPU設計。注：支持MIPS-Lite指令集1) 現(xiàn)場增加指令2) 通過測試用例5多周期數(shù)據(jù)通路14周用Verilog完成多周期數(shù)據(jù)通路設計。注：支持MIPS-C指令集，中斷除外筆試6多周期CPU15周用Verilog完成多周期CPU設計。注：支持MIPS-C指令集，中斷除外1) 提供模板，補全設計2) 通過測試用例7設備集成16周開發(fā)定時器模塊，集成串口控制器模塊。注：支持MIPS-C指令集注：提供串行通信控制器模塊8系統(tǒng)驗證下學期第2周增加中斷

29、支持。在FPGA實驗系統(tǒng)上成果運行。注：支持MIPS-C指令集 不能只依賴一個大作業(yè)！ 2013秋季：每周1個projectq閱讀實驗指導書q完成project開發(fā)q撰寫實驗報告北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院2013秋季Project3測試成績 Project3：Logisim開發(fā)7條指令的單周期CPUqaddu，subu，ori，lw，sw，beq，lui北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院2013秋季Project3測試成績 Project3測試：實驗課加1條指令，記錄完成時間q標準測試匯編qMARS：運行標準測試匯編，觀察程序運行結果qLogisim：修改設計，增加新指令；并對比調(diào)試 要求必須個人獨立完成q采用監(jiān)考方式48北京航空航天大學計算機學院北京航空航天大學計算機學院492013秋季Project3測試成績 2個行政班，參加實驗測試為47人q50人：有3人因故未參加測試 89%(42人)：2.5小時內(nèi)完成新