計(jì)算機(jī)人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐(-)課件

高小鵬gxp@北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2013年12月1日第2屆高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)高峰論壇浙江，杭州計(jì)算機(jī)人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐1高小鵬第2屆高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)高峰論壇計(jì)算機(jī)人才系基本思路課程群體系系統(tǒng)能力分級(jí)工程化方法匯報(bào)提綱2基本思路匯報(bào)提綱2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(rèn)證后，引發(fā)了對(duì)畢業(yè)生核心能力的思考結(jié)論：系統(tǒng)能力系統(tǒng)能力培養(yǎng)的特點(diǎn)：綜合性與形成性綜合性：綜合運(yùn)用多種知識(shí)解決系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題形成性：能力不是一蹴而就，需逐步形成基本思路開(kāi)發(fā)“CPU、OS、編譯器”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多門(mén)課程聯(lián)動(dòng)，逐步達(dá)成CPU編譯器OS系統(tǒng)能力培養(yǎng)的基本思路20062007200820092013計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的3個(gè)基石：CPU、OS、編譯器CPU：指令集、流水線(xiàn)、調(diào)度、存儲(chǔ)層次、總線(xiàn)。。。OS：中斷、任務(wù)切換、存儲(chǔ)管理、I/O。。。編譯器：循環(huán)優(yōu)化、指令調(diào)度。。。三者密切配合、相互影響、互相滲透本科生開(kāi)發(fā)一個(gè)功能型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)L1：理解硬件系統(tǒng)的運(yùn)行原理L2：掌握硬件系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件構(gòu)造方法L3：領(lǐng)悟軟/硬件相互作用關(guān)系為什么選計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為目標(biāo)？CPU編譯器OS4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的3個(gè)基石：CPU、OS、編譯器為什么選計(jì)算機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)象：～2006，能力較弱原因：教學(xué)以讓學(xué)生了解知識(shí)為目標(biāo)，不是以學(xué)生設(shè)計(jì)系統(tǒng)為目標(biāo)過(guò)于強(qiáng)調(diào)知識(shí)的全面性，課時(shí)總?cè)萘坎蛔?，學(xué)生難以深入學(xué)習(xí)雖也重視了課程體系建設(shè)，但課程銜接不足當(dāng)時(shí)存在問(wèn)題分析對(duì)象開(kāi)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(jí)編程編譯器自定義文法；生成虛擬機(jī)指令；優(yōu)化弱5現(xiàn)象：～2006，能力較弱當(dāng)時(shí)存在問(wèn)題分析對(duì)象開(kāi)發(fā)能力CPU精簡(jiǎn)課程群2006：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程(5門(mén))模擬電路、數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)均為必修課：課程總周期過(guò)長(zhǎng)課程體系銜接：有脫節(jié)、有重疊建設(shè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程群(4門(mén))數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)數(shù)字邏輯：作為起步課程；從數(shù)字電路層面切入模擬電路：選修課(體系結(jié)構(gòu)方向必修課)6精簡(jiǎn)課程群2006：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程(5門(mén))6課程群改革規(guī)劃(2006)教學(xué)目標(biāo)：CPU，OS，編譯器技術(shù)路線(xiàn)課程體系整合重構(gòu)實(shí)驗(yàn)體系物理綜合課程群改革規(guī)劃(2006)教學(xué)目標(biāo)：CPU，OS，編譯器7基本思路課程群體系系統(tǒng)能力分級(jí)工程化方法匯報(bào)提綱8基本思路匯報(bào)提綱8數(shù)字邏輯結(jié)合數(shù)理邏輯知識(shí)，講授組合邏輯與時(shí)序邏輯原理基于MIPS指令集，設(shè)計(jì)寄存器、加法器、移位器、控制器、多路選擇器、計(jì)數(shù)器、比較器引入HDL語(yǔ)言、EDA工具計(jì)算機(jī)組成講授計(jì)算機(jī)硬件工作原理在部件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)MIPS指令集的功能型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)深化HDL語(yǔ)言、EDA工具應(yīng)用操作系統(tǒng)講授OS的各組成及其機(jī)理實(shí)現(xiàn)MIPS的功能型OS編譯技術(shù)講授編譯器的構(gòu)造技術(shù)實(shí)現(xiàn)MIPS的C編譯器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程群體系9數(shù)字邏輯計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程群體系9計(jì)算機(jī)組成數(shù)字邏輯課程體系數(shù)字邏輯講授組合邏輯與時(shí)序邏輯原理設(shè)計(jì)寄存器、加法器、移位器、控制器、多路選擇器等基礎(chǔ)部件計(jì)算機(jī)組成講授計(jì)算機(jī)硬件工作原理在基礎(chǔ)部件之上開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MIPSISA、中斷、存儲(chǔ)器、I/O等硬件抽象基礎(chǔ)部件硬件抽象MIPS指令集中斷控制器存儲(chǔ)器I/O計(jì)算機(jī)組成數(shù)字邏輯課程體系數(shù)字邏輯基礎(chǔ)硬件MIPS指令集中斷10編譯技術(shù)操作系統(tǒng)課程體系中斷切換虛實(shí)進(jìn)程管理內(nèi)存管理設(shè)備管理文件系統(tǒng)硬件抽象MIPS指令集中斷控制器存儲(chǔ)器I/O詞法分析語(yǔ)法分析中間代碼代碼生成代碼優(yōu)化操作系統(tǒng)理解中斷、現(xiàn)場(chǎng)切換等核心機(jī)制及軟硬件依賴(lài)關(guān)系實(shí)現(xiàn)基于MIPS程序的進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理等編譯技術(shù)C0生成MIPS匯編強(qiáng)化代碼優(yōu)化11編譯技術(shù)操作系統(tǒng)課程體系中斷切換虛實(shí)進(jìn)程內(nèi)存設(shè)備文件硬件MI基礎(chǔ)部件電路原理實(shí)驗(yàn)體系—數(shù)字邏輯目標(biāo)：掌握數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)MIPS處理器的基礎(chǔ)部件實(shí)驗(yàn)體系第1層次：電路原理組合邏輯、時(shí)序邏輯觸發(fā)器/寄存器、電路特性第2層次：計(jì)算與控制加/減、乘/除、有限狀態(tài)機(jī)第3層次：基礎(chǔ)部件譯碼器、ALU、數(shù)據(jù)選擇器、計(jì)數(shù)器、乘法單元、存儲(chǔ)器計(jì)算&控制12基礎(chǔ)部件電路原理實(shí)驗(yàn)體系—數(shù)字邏輯目標(biāo)：掌握數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)體系—計(jì)算機(jī)組成目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)MIPS計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)體系MIPS各型指令數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)MIPS多周期數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)MIPS多周期控制單元實(shí)驗(yàn)13實(shí)驗(yàn)體系—計(jì)算機(jī)組成目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)MIPS計(jì)算機(jī)13實(shí)驗(yàn)體系—操作系統(tǒng)目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)小型MIPS操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系圍繞MIPS，采用層次化設(shè)計(jì)原則6個(gè)綜合型實(shí)驗(yàn)，構(gòu)造一個(gè)相對(duì)完整的操作系統(tǒng)內(nèi)核制作與boot存儲(chǔ)管理進(jìn)程與中斷系統(tǒng)調(diào)用文件系統(tǒng)shell14實(shí)驗(yàn)體系—操作系統(tǒng)目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)小型MIPS操作系統(tǒng)14綜合實(shí)驗(yàn)體系—編譯技術(shù)目標(biāo)：為MIPS開(kāi)發(fā)C編譯器實(shí)驗(yàn)體系面向MIPS，生成中間代碼實(shí)現(xiàn)基本代碼優(yōu)化完成具有現(xiàn)代編譯器主要特征的小型編譯器提供不同難度的選擇從PL/0生成P-CODE從C0生成P-CODE從C0生成MIPS匯編15綜合實(shí)驗(yàn)體系—編譯技術(shù)目標(biāo)：為MIPS開(kāi)發(fā)C編譯器15統(tǒng)一的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MIPSCPU存儲(chǔ)器I/O數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)16統(tǒng)一的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MIPSCPU存儲(chǔ)器I/O數(shù)字邏輯、計(jì)算6年改革歷程組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)分布實(shí)施先遣小隊(duì)首次完成MIPS處理器開(kāi)發(fā)數(shù)字邏輯首輪實(shí)驗(yàn)編譯技術(shù)首先調(diào)整數(shù)字邏輯全面調(diào)整編譯技術(shù)全面調(diào)整自主開(kāi)發(fā)統(tǒng)一硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)字邏輯全面實(shí)施編譯技術(shù)全面實(shí)施全面重構(gòu)硬件代碼(特別是MIPS代碼)OS調(diào)整模擬器OS全面實(shí)施模擬器/硬件計(jì)組引入HDL計(jì)組全面實(shí)施20062007200820092010201120122013系統(tǒng)能力2006：?jiǎn)?dòng)；2007：規(guī)劃、小組實(shí)施5個(gè)輪次迭代；2012年市教學(xué)成果一等獎(jiǎng)176年改革歷程組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)先遣小隊(duì)首次完成MIPS處CPU設(shè)計(jì)能力比較內(nèi)容北航(教改前)北航(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(biāo)準(zhǔn)的處理器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指令集MIPS應(yīng)用廣泛較完整的CPU設(shè)計(jì)幾乎覆蓋定點(diǎn)指令中斷/異常支持簡(jiǎn)單OS運(yùn)行有力支持后續(xù)課程CPU設(shè)計(jì)能力比較北航北航BerkeleyMIT指令集自定義18OS設(shè)計(jì)能力相對(duì)完整的OS學(xué)生已可以完成較完整的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)與MIPS計(jì)算機(jī)硬件完整集成與前序課程有序銜接，掌握完整軟硬件開(kāi)發(fā)比較內(nèi)容北航(教改前)北航(教改后)BerkeleyHarvardMITOS選型Linux/WindowsLinux/小OSNACHOSNACHOS小OS能力層次分析/系統(tǒng)編程分析/設(shè)計(jì)分析/設(shè)計(jì)分析/設(shè)計(jì)分析/設(shè)計(jì)硬件PCMIPS模擬器/MIPS硬件MIPS模擬器MIPS模擬器PCOS設(shè)計(jì)能力相對(duì)完整的OS比較北航北航BerkeleyHar19編譯器設(shè)計(jì)能力突出編譯優(yōu)化參照國(guó)際一流大學(xué)課程建設(shè)趨勢(shì)，加大優(yōu)化部分比重連續(xù)5年實(shí)施新實(shí)驗(yàn)體系選擇高難度實(shí)驗(yàn)的學(xué)生比例穩(wěn)定在50%以上其中90%以上學(xué)生可以完成高難度實(shí)驗(yàn)北航(教改前)北航(教改后)BerkeleyCMUPrinston優(yōu)化實(shí)驗(yàn)比重5%35%39%61%58%優(yōu)化算法重點(diǎn)講述469109編譯器設(shè)計(jì)能力突出編譯優(yōu)化北航北航BerkeleyCMUPr20基本思路課程群體系系統(tǒng)能力分級(jí)工程化方法匯報(bào)提綱21基本思路匯報(bào)提綱21如何評(píng)價(jià)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的達(dá)成度？22如何評(píng)價(jià)系統(tǒng)能力22DO-178B：5級(jí)安全機(jī)載軟件安全等級(jí)CMM：5級(jí)成熟度軟件開(kāi)發(fā)能力分級(jí)：標(biāo)準(zhǔn)和尺子有利于量化評(píng)估不斷提升要求各課獨(dú)立設(shè)置借鑒軟件開(kāi)發(fā)CMM：軟件能力成熟度模型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)安全等級(jí)嚴(yán)重性說(shuō)明接受頻率(發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn))LevelA災(zāi)難Extremelyimprobable(X<10-9)LevelB危險(xiǎn)Extremelyremote(10-9<X<10-7)LevelC重要remote(10-7<X<10-5)LevelD次要Probable(X>10-5)LevelE無(wú)AllDO-178B：機(jī)載軟件安全級(jí)模型23DO-178B：5級(jí)安全借鑒軟件開(kāi)發(fā)CMM：軟件能力成熟度模CPU開(kāi)發(fā)能力@計(jì)算機(jī)組成原理CPU開(kāi)發(fā)能力等級(jí)指令集規(guī)模CPU特點(diǎn)155較完整定點(diǎn)類(lèi)指令；支持GCC；支持中斷/異常/系統(tǒng)調(diào)用245～50較完整定點(diǎn)類(lèi)指令；支持GCC330～40+常用的運(yùn)算/存儲(chǔ)/分支/置位/函數(shù)調(diào)用指令；手工匯編；可運(yùn)行小型程序410～20+基本的運(yùn)算/存儲(chǔ)/分支/函數(shù)調(diào)用指令；手工匯編；可運(yùn)行簡(jiǎn)單程序50～10簡(jiǎn)單的運(yùn)算/存儲(chǔ)/分支指令；手工匯編；示意型設(shè)計(jì)24CPU開(kāi)發(fā)能力@計(jì)算機(jī)組成原理CPU開(kāi)發(fā)能力等級(jí)指令集CPU基本思路課程群體系系統(tǒng)能力分級(jí)工程化方法匯報(bào)提綱25基本思路匯報(bào)提綱25課程群關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：傳統(tǒng)的重課/難課承上啟下，直接決定整體目標(biāo)能否高質(zhì)量達(dá)成CPU實(shí)驗(yàn)體系具有較大規(guī)模和難度實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)：功能型CPU的設(shè)計(jì)指令集規(guī)模：50+條指令可以運(yùn)行由GCC編譯產(chǎn)生的定點(diǎn)類(lèi)程序支持中斷/異常計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)概述26課程群關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：傳統(tǒng)的重課/難課計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)概述26目的：讓多數(shù)普通學(xué)生達(dá)成目標(biāo)！規(guī)模達(dá)到一定程度(如30+)，須強(qiáng)調(diào)方法，否則：少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生：靠天份能悟出來(lái)多數(shù)普通學(xué)生：盲動(dòng)失敗挫折感工程方法：可能不是最優(yōu)的，但應(yīng)該是簡(jiǎn)單與有效具有普適性簡(jiǎn)單有效：按照方法可以一步步的開(kāi)發(fā)出復(fù)雜系統(tǒng)要讓學(xué)生擁有巔峰體驗(yàn)：原來(lái)我也能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)！為什么強(qiáng)調(diào)工程方法？27目的：讓多數(shù)普通學(xué)生達(dá)成目標(biāo)！為什么強(qiáng)調(diào)工程方法？27過(guò)去的教學(xué)方法：圖解式案例教學(xué)講解典型指令的數(shù)據(jù)通路的構(gòu)造過(guò)程建立對(duì)指令在數(shù)據(jù)通路中流動(dòng)的直觀認(rèn)識(shí)建立對(duì)數(shù)據(jù)通路基本組成的基本認(rèn)識(shí)指令存儲(chǔ)器AddrDataPC寄存器堆ReadReg1ReadReg2WriteRegWriteDataReadData1ReadData2ADDUSUBUORILWSWBEQJALUZeroOvALU結(jié)果16擴(kuò)展3201數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AddrReadDataWriteDataPC計(jì)算PCIMMNPCPC+401226IM[25:21]IM[20:16]1F012M1IM[15:0]M228過(guò)去的教學(xué)方法：圖解式案例教學(xué)講解典型指令的數(shù)據(jù)通路的構(gòu)造過(guò)效率低下：新增指令導(dǎo)致對(duì)圖的大量修改復(fù)雜度高：指令集規(guī)模，圖的復(fù)雜度圖的布局對(duì)于開(kāi)發(fā)影響極大錯(cuò)誤傳遞：一條指令的錯(cuò)誤會(huì)長(zhǎng)期存在并產(chǎn)生影響修改錯(cuò)誤，往往會(huì)導(dǎo)致對(duì)圖的大量變更難以追朔：大量設(shè)計(jì)過(guò)程難以復(fù)現(xiàn)50+指令：會(huì)保留50+圖嗎？跨度過(guò)大：從圖到HDL，跨度大，缺乏中間層次圖解式案例教學(xué)方法的不足29效率低下：新增指令導(dǎo)致對(duì)圖的大量修改圖解式案例教學(xué)方法的不足效率低下：新增指令導(dǎo)致對(duì)圖的大量修改復(fù)雜度高：指令集規(guī)模，圖的復(fù)雜度圖的布局對(duì)于開(kāi)發(fā)影響極大錯(cuò)誤傳遞：一條指令的錯(cuò)誤會(huì)長(zhǎng)期存在并產(chǎn)生影響修改錯(cuò)誤，往往會(huì)導(dǎo)致對(duì)圖的大量變更難以追朔：大量設(shè)計(jì)過(guò)程難以復(fù)現(xiàn)50+指令：會(huì)保留50+圖嗎？跨度過(guò)大：從圖到HDL，跨度大，缺乏中間層次圖解式案例教學(xué)方法的不足成效：學(xué)生可以理解小規(guī)模指令集CPU的設(shè)計(jì)方法困難：學(xué)生尚難以將其推廣至一般，難以開(kāi)發(fā)更大規(guī)模指令集的CPU30效率低下：新增指令導(dǎo)致對(duì)圖的大量修改圖解式案例教學(xué)方法的不足目標(biāo)：普通學(xué)生也能開(kāi)發(fā)50+規(guī)模CPU工程化方法：3類(lèi)方法單周期CPU設(shè)計(jì)工程方法(完成)多周期CPU設(shè)計(jì)工程方法(完成)流水線(xiàn)CPU設(shè)計(jì)工程方法(進(jìn)行中)2012年秋季新探索：工程化方法31目標(biāo)：普通學(xué)生也能開(kāi)發(fā)50+規(guī)模CPU2012年秋季新探索：回顧：?jiǎn)沃芷跀?shù)據(jù)通路PC、NPC計(jì)算單元指令存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寄存器文件運(yùn)算單元、擴(kuò)展單元MUX指令存儲(chǔ)器AddrDataPC寄存器堆ReadReg1ReadReg2WriteRegWriteDataReadData1ReadData2ADDUSUBUORILWSWBEQJALALUZeroOvALU結(jié)果16擴(kuò)展3201數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AddrReadDataWriteDataPC計(jì)算PCIMMNPCPC+401226IM[25:21]IM[20:16]1F012M1IM[15:0]M232回顧：?jiǎn)沃芷跀?shù)據(jù)通路PC、NPC計(jì)算單元AddrDataPC通過(guò)案例教學(xué)，教師總結(jié)出幾個(gè)必備部件數(shù)據(jù)通路表格：建立部件間的連接關(guān)系記錄了部件輸入端的輸入來(lái)源忽略控制類(lèi)信號(hào)只保留數(shù)據(jù)類(lèi)信號(hào)指令NPCPCIMRFALUDMWDataRDAB33通過(guò)案例教學(xué)，教師總結(jié)出幾個(gè)必備部件數(shù)據(jù)通路表格：建立部件間單指令數(shù)據(jù)通路構(gòu)造的一般性方法S1：閱讀每條指令改寫(xiě)RTL發(fā)現(xiàn)所有的新增需求S2：對(duì)每個(gè)新增需求（2種處理方法）合并至已有部件修改已有部件設(shè)計(jì)描述：{F’，I’，O’}需要新增部件建立新增部件設(shè)計(jì)描述：{F，I，O}S3：對(duì)每個(gè)部件設(shè)置輸入來(lái)源原則：來(lái)源相同/相近目的相同/相近34單指令數(shù)據(jù)通路構(gòu)造的一般性方法S1：閱讀每條指令改寫(xiě)RTL示例：ADDU指令NPCPCIMRFALUDMWDataRDABADDURTLR[rd]R[rs]+R[rt]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(guān)系NPCPCALUIM[15:11]RF.RD1RF.RD235示例：ADDU指令NPCPCIMRFALUDMWDataRD增加指令：ADDIU指令NPCPCIMRFS_EXTALUDMWDataRDABADDUNPCPCALUIM[15:11]RF.RD1RF.RD2ADDIURTLR[rt]R[rs]+sign_ext(imm16)PCPC+436增加指令：ADDIU指令NPCPCIMRFS_EXTALUD增加指令：ADDIU指令NPCPCIMRFS_EXTALUDMWDataRDABADDUNPCPCALUIM[15:11]RF.RD1RF.RD2ADDIUNPCPCALUIM[20:16]IM[15:0]RF.RD1S_EXTRTLR[rt]R[rs]+sign_ext(imm16);PCPC+437增加指令：ADDIU指令NPCPCIMRFS_EXTALUD多指令數(shù)據(jù)通路合并指令NPCPCIMRFS_EXTALUDMWDataRDABADDUNPC.NPCPCALUIM[15:11]RF.RD1RF.RD2ADDIUNPC.NPCPCALUIM[20:16]IM[15:0]RF.RD1S_EXTLWNPC.NPCPCDMIM[20:16]IM[15:0]RF.RD1S_EXTSWNPC.NPCPCIM[15:0]RF.RD1S_EXTRF.RD2。。。合并IM[25:0]NPC.NPCPCALU|DM|NPC.PC4IM[15:11]|IM[20:16]|0x1FIM[15:0]RF.RD1RF.RD2|S_EXTRF.RD2合并：垂直方向歸并，去除相同項(xiàng)MUX自動(dòng)綜合：輸入源多余1個(gè)的需設(shè)置MUXMUX控制信號(hào)由控制器產(chǎn)生38多指令數(shù)據(jù)通路合并指令NPCPCIMRFS_EXTALUDM數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)的工程化方法foreach指令foreach新增需求case可以合并至已有部件：修改部件設(shè)計(jì)描述、HDL建模：{F’，I’，O’}case需要新增部件：建立新部件設(shè)計(jì)描述、HDL建模：{F，I，O}增加新部件foreach部件設(shè)置輸入來(lái)源按垂直方向合并數(shù)據(jù)通路，并去除相同項(xiàng)foreach輸入來(lái)源多余1個(gè)的輸入端部署1個(gè)MUX(MUX的輸入規(guī)模為輸入來(lái)源數(shù))MUX設(shè)計(jì)定義、HDL建模單指令數(shù)據(jù)通路構(gòu)造HDL建模：連接所有的部件及所有的MUX多數(shù)據(jù)通路綜合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)的工程化方法foreach指令按垂直方向合并39數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)的工程化方法foreach指令foreach新增需求case可以合并至已有部件：修改部件設(shè)計(jì)描述、HDL建模：{F’，I’，O’}case需要新增部件：建立新部件設(shè)計(jì)描述、HDL建模：{F，I，O}增加新部件foreach部件設(shè)置輸入來(lái)源按垂直方向合并數(shù)據(jù)通路，并去除相同項(xiàng)foreach輸入來(lái)源多余1個(gè)的輸入端部署1個(gè)MUX(MUX的輸入規(guī)模為輸入來(lái)源數(shù))MUX設(shè)計(jì)定義、HDL建模固定復(fù)雜度(單指令，對(duì)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(fù)雜度較低復(fù)雜度數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)的工程化方法foreach指令按垂直方向合并40組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)分布實(shí)施先遣小隊(duì)首次完成MIPS處理器開(kāi)發(fā)數(shù)字邏輯首輪實(shí)驗(yàn)編譯技術(shù)首先調(diào)整數(shù)字邏輯全面調(diào)整編譯技術(shù)全面調(diào)整自主開(kāi)發(fā)統(tǒng)一硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)字邏輯全面實(shí)施編譯技術(shù)全面實(shí)施全面重構(gòu)硬件代碼(特別是MIPS代碼)OS調(diào)整模擬器OS全面實(shí)施模擬器/硬件計(jì)組引入HDL計(jì)組全面實(shí)施新計(jì)組(數(shù)字邏輯工程方法)20062007200820092010201120122013系統(tǒng)能力新計(jì)組(2012秋季)：1個(gè)行政班試驗(yàn)41組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)先遣小隊(duì)首次完成MIPS處理器開(kāi)發(fā)數(shù)字新計(jì)組(2012秋季)：工程化方法實(shí)踐效果2012年秋季，1個(gè)行政班成建制完成CPU開(kāi)發(fā)均完成50+指令的CPU設(shè)計(jì)支持簡(jiǎn)單OS運(yùn)行有力支持后續(xù)課程學(xué)生有“巔峰體驗(yàn)”，有成就感42新計(jì)組(2012秋季)：工程化方法實(shí)踐效果2012年秋季，1新計(jì)組(2013年秋季)：全大班試驗(yàn)組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)分布實(shí)施先遣小隊(duì)首次完成MIPS處理器開(kāi)發(fā)數(shù)字邏輯首輪實(shí)驗(yàn)編譯技術(shù)首先調(diào)整數(shù)字邏輯全面調(diào)整編譯技術(shù)全面調(diào)整自主開(kāi)發(fā)統(tǒng)一硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)字邏輯全面實(shí)施編譯技術(shù)全面實(shí)施全面重構(gòu)硬件代碼(特別是MIPS代碼)OS調(diào)整模擬器OS全面實(shí)施模擬器/硬件計(jì)組引入HDL計(jì)組全面實(shí)施新計(jì)組(數(shù)字邏輯工程方法)20062007200820092010201120122013新計(jì)組系統(tǒng)能力43新計(jì)組(2013年秋季)：全大班試驗(yàn)組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)先總結(jié)系統(tǒng)能力培養(yǎng)：需通過(guò)系列課程連續(xù)實(shí)施課程群知識(shí)體系、實(shí)驗(yàn)體系應(yīng)緊密銜接系統(tǒng)能力分級(jí)：是標(biāo)尺，有利于量化評(píng)估工程化方法：是普通學(xué)生達(dá)成較高目標(biāo)關(guān)鍵所在讓學(xué)生有巔峰體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情44總結(jié)系統(tǒng)能力培養(yǎng)：需通過(guò)系列課程連續(xù)實(shí)施44謝謝大家！

敬請(qǐng)批評(píng)指正！謝謝大家！

敬請(qǐng)批評(píng)指正！452013秋季實(shí)驗(yàn)體系(Project部分)注重形成性培養(yǎng)序號(hào)描述檢查時(shí)間描述檢查方式1報(bào)紙售賣(mài)機(jī)9周閱讀和運(yùn)行Verilog設(shè)計(jì)代碼和testbench?，F(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答2串行發(fā)送11周閱讀設(shè)計(jì)要求和Verilog代碼，補(bǔ)全代碼，完成報(bào)告。筆試3單周期設(shè)計(jì)logisim12周用logisim完成單周期CPU設(shè)計(jì)。注：支持MIPS-Lite指令集現(xiàn)場(chǎng)增加指令通過(guò)測(cè)試用例4單周期設(shè)計(jì)Verilog13周用Verilog完成單周期CPU設(shè)計(jì)。注：支持MIPS-Lite指令集現(xiàn)場(chǎng)增加指令通過(guò)測(cè)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(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)。注：支持MIPS-C指令集，中斷除外提供模板，補(bǔ)全設(shè)計(jì)通過(guò)測(cè)試用例7設(shè)備集成16周開(kāi)發(fā)定時(shí)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(yàn)證下學(xué)期第2周增加中斷支持。在FPGA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上成果運(yùn)行。注：支持MIPS-C指令集不能只依賴(lài)一個(gè)大作業(yè)！2013秋季：每周1個(gè)project閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)完成project開(kāi)發(fā)撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告462013秋季實(shí)驗(yàn)體系(Project部分)注重形成性培養(yǎng)序號(hào)2013秋季Project3測(cè)試成績(jī)Project3：Logisim開(kāi)發(fā)7條指令的單周期CPUaddu，subu，ori，lw，sw，beq，lui2013秋季Project3測(cè)試成績(jī)Project3：Log472013秋季Project3測(cè)試成績(jī)Project3測(cè)試：實(shí)驗(yàn)課加1條指令，記錄完成時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試匯編MARS：運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試匯編，觀察程序運(yùn)行結(jié)果Logisim：修改設(shè)計(jì)，增加新指令；并對(duì)比調(diào)試要求必須個(gè)人獨(dú)立完成采用監(jiān)考方式482013秋季Project3測(cè)試成績(jī)Project3測(cè)試：實(shí)2013秋季Project3測(cè)試成績(jī)2個(gè)行政班，參加實(shí)驗(yàn)測(cè)試為47人50人：有3人因故未參加測(cè)試89%(42人)：2.5小時(shí)內(nèi)完成新增指令，并通過(guò)測(cè)試5人未通過(guò)測(cè)試492013秋季Project3測(cè)試成績(jī)2個(gè)行政班，參加實(shí)驗(yàn)測(cè)試指令存儲(chǔ)器AddrDataPC指令寄存器指令[31:26]指令[25:21]指令[20:16]指令[15:0]AB寄存器堆ReadReg1ReadReg2WriteRegWriteDataReadData1ReadData2ALUZeroOvALU結(jié)果ALUOut16擴(kuò)展3201數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AddrReadDataWriteDataPC計(jì)算PCIMMNPCPC+4012261F012M1M2M3OpFunctS0S1S2S3S4S5S6S7S8S9PCWr10000NPCOpPC+4XXXXIRWr10000GPRWr00001DMWr00000ALUOpXaddaddaddaddGPRSelX00000000WDSelX01010101ExtOpXSESESESEBSelX1111S0FetchResetS1DCD/RFS2MAS3MRS4MemWBOp=LWOp=LW|OP=SWAddrDataPC指指令指令指令指令A(yù)B寄存器堆Read50S1：信號(hào)/狀態(tài)矩陣：每條指令一張表N條指令N張表S2：信號(hào)真值表矩陣有效表達(dá)密度低大量0元素我們真正需要卻是1元素常規(guī)表達(dá)方式的不足S1：信號(hào)/狀態(tài)矩陣：每條指令一張表常規(guī)表達(dá)方式的不足511、有事業(yè)的峰巒上，有汗水的溪流飛淌；在智慧的珍珠里，有勤奮的心血閃光。2、人們走過(guò)的每一個(gè)足跡，都是自己生命的留言；留給今天翻過(guò)的日歷，留給未來(lái)永久的歷史。3、人生是一座可以采掘開(kāi)拓的金礦，但總是因?yàn)槿藗兊那趭^程度不同，給予人們的回報(bào)也不相同。4、理想之風(fēng)扯滿(mǎn)人生的帆；奮斗之桿舉起理想之旗。5、人應(yīng)該學(xué)會(huì)走自己的路，但更應(yīng)該掌握手中的羅盤(pán)。6、不能因?yàn)槿松牡缆房部?，就使自己的身軀變得彎曲；不能因?yàn)樯畹臍v程漫長(zhǎng)，就使求索的腳步遲緩。7、人生的意義在理想的光輝中閃爍；生命的價(jià)值在創(chuàng)造的生活中閃現(xiàn)。8、只有走完平凡的路程，才能達(dá)到偉大的目標(biāo)。9、奮斗目標(biāo)是人生的精神支柱。10、共同的事業(yè)，共同的斗爭(zhēng)，可以使人們產(chǎn)生忍受一切的力量?！獖W斯特洛夫斯基11、屬于每個(gè)人的道路，都在每個(gè)人的足下；屬于每個(gè)人的歷史，都在每個(gè)人的身后。12、終于有一天，海水和淚都是甜的。13、有志者自有千方百計(jì)，無(wú)志者只有千難萬(wàn)難。14、貧不足羞，可羞是貧而無(wú)志?！獏卫?5、人，只要有一種信念，有所追求，什么艱苦都能忍受，什么環(huán)境也都能適應(yīng)?！×?6、人生的途程是遙遠(yuǎn)的，只要雙腳不息地前行，道路就會(huì)向遠(yuǎn)方延伸。17、理想是人生的堅(jiān)實(shí)支柱，如果失去了生活的理想，精神也就會(huì)隨之而癱瘓。18、目標(biāo)不是都能達(dá)到的，但它可以作為瞄準(zhǔn)點(diǎn)。28、我學(xué)習(xí)了一生，現(xiàn)在我還在學(xué)習(xí)，而將來(lái)，只要我還有精力，我還要學(xué)習(xí)下去?！?jiǎng)e林斯基

29、任何時(shí)候我也不會(huì)滿(mǎn)足，越是讀書(shū)，就越是深刻的感到不滿(mǎn)足，越是感到自己的知識(shí)貧乏?！R克思

30、外國(guó)語(yǔ)是人生斗爭(zhēng)的一種武器?！R克思

31、學(xué)習(xí)這件事不在乎有沒(méi)有人教你，最重要的是在于你自己有沒(méi)有覺(jué)悟和恒心?！ú紶?/p>

32、筆落驚風(fēng)雨,詩(shī)成泣鬼神?！鸥?/p>

33、別裁偽體親風(fēng)雅,轉(zhuǎn)益多師是汝師。——杜甫28、我學(xué)習(xí)了一生，現(xiàn)在我還在學(xué)習(xí)，而將來(lái)，只要我還有精力，我還要學(xué)習(xí)下去?！?jiǎng)e林斯基

29、任何時(shí)候我也不會(huì)滿(mǎn)足，越是讀書(shū)，就越是深刻的感到不滿(mǎn)足，越是感到自己的知識(shí)貧乏。——馬克思

30、外國(guó)語(yǔ)是人生斗爭(zhēng)的一種武器。——馬克思

31、學(xué)習(xí)這件事不在乎有沒(méi)有人教你，最重要的是在于你自己有沒(méi)有覺(jué)悟和恒心。——法布爾

32、筆落驚風(fēng)雨,詩(shī)成泣鬼神?！鸥?/p>

33、別裁偽體親風(fēng)雅,轉(zhuǎn)益多師是汝師。——杜甫1、有事業(yè)的峰巒上，有汗水的溪流飛淌；在智慧的珍珠里，有勤奮52高小鵬gxp@北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2013年12月1日第2屆高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)高峰論壇浙江，杭州計(jì)算機(jī)人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐53高小鵬第2屆高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)高峰論壇計(jì)算機(jī)人才系基本思路課程群體系系統(tǒng)能力分級(jí)工程化方法匯報(bào)提綱54基本思路匯報(bào)提綱2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(rèn)證后，引發(fā)了對(duì)畢業(yè)生核心能力的思考結(jié)論：系統(tǒng)能力系統(tǒng)能力培養(yǎng)的特點(diǎn)：綜合性與形成性綜合性：綜合運(yùn)用多種知識(shí)解決系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題形成性：能力不是一蹴而就，需逐步形成基本思路開(kāi)發(fā)“CPU、OS、編譯器”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多門(mén)課程聯(lián)動(dòng)，逐步達(dá)成CPU編譯器OS系統(tǒng)能力培養(yǎng)的基本思路200620072008200920155計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的3個(gè)基石：CPU、OS、編譯器CPU：指令集、流水線(xiàn)、調(diào)度、存儲(chǔ)層次、總線(xiàn)。。。OS：中斷、任務(wù)切換、存儲(chǔ)管理、I/O。。。編譯器：循環(huán)優(yōu)化、指令調(diào)度。。。三者密切配合、相互影響、互相滲透本科生開(kāi)發(fā)一個(gè)功能型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)L1：理解硬件系統(tǒng)的運(yùn)行原理L2：掌握硬件系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件構(gòu)造方法L3：領(lǐng)悟軟/硬件相互作用關(guān)系為什么選計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為目標(biāo)？CPU編譯器OS56計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的3個(gè)基石：CPU、OS、編譯器為什么選計(jì)算機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)象：～2006，能力較弱原因：教學(xué)以讓學(xué)生了解知識(shí)為目標(biāo)，不是以學(xué)生設(shè)計(jì)系統(tǒng)為目標(biāo)過(guò)于強(qiáng)調(diào)知識(shí)的全面性，課時(shí)總?cè)萘坎蛔?，學(xué)生難以深入學(xué)習(xí)雖也重視了課程體系建設(shè)，但課程銜接不足當(dāng)時(shí)存在問(wèn)題分析對(duì)象開(kāi)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(jí)編程編譯器自定義文法；生成虛擬機(jī)指令；優(yōu)化弱57現(xiàn)象：～2006，能力較弱當(dāng)時(shí)存在問(wèn)題分析對(duì)象開(kāi)發(fā)能力CPU精簡(jiǎn)課程群2006：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程(5門(mén))模擬電路、數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)均為必修課：課程總周期過(guò)長(zhǎng)課程體系銜接：有脫節(jié)、有重疊建設(shè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程群(4門(mén))數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)數(shù)字邏輯：作為起步課程；從數(shù)字電路層面切入模擬電路：選修課(體系結(jié)構(gòu)方向必修課)58精簡(jiǎn)課程群2006：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程(5門(mén))6課程群改革規(guī)劃(2006)教學(xué)目標(biāo)：CPU，OS，編譯器技術(shù)路線(xiàn)課程體系整合重構(gòu)實(shí)驗(yàn)體系物理綜合課程群改革規(guī)劃(2006)教學(xué)目標(biāo)：CPU，OS，編譯器59基本思路課程群體系系統(tǒng)能力分級(jí)工程化方法匯報(bào)提綱60基本思路匯報(bào)提綱8數(shù)字邏輯結(jié)合數(shù)理邏輯知識(shí)，講授組合邏輯與時(shí)序邏輯原理基于MIPS指令集，設(shè)計(jì)寄存器、加法器、移位器、控制器、多路選擇器、計(jì)數(shù)器、比較器引入HDL語(yǔ)言、EDA工具計(jì)算機(jī)組成講授計(jì)算機(jī)硬件工作原理在部件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)MIPS指令集的功能型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)深化HDL語(yǔ)言、EDA工具應(yīng)用操作系統(tǒng)講授OS的各組成及其機(jī)理實(shí)現(xiàn)MIPS的功能型OS編譯技術(shù)講授編譯器的構(gòu)造技術(shù)實(shí)現(xiàn)MIPS的C編譯器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程群體系61數(shù)字邏輯計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程群體系9計(jì)算機(jī)組成數(shù)字邏輯課程體系數(shù)字邏輯講授組合邏輯與時(shí)序邏輯原理設(shè)計(jì)寄存器、加法器、移位器、控制器、多路選擇器等基礎(chǔ)部件計(jì)算機(jī)組成講授計(jì)算機(jī)硬件工作原理在基礎(chǔ)部件之上開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MIPSISA、中斷、存儲(chǔ)器、I/O等硬件抽象基礎(chǔ)部件硬件抽象MIPS指令集中斷控制器存儲(chǔ)器I/O計(jì)算機(jī)組成數(shù)字邏輯課程體系數(shù)字邏輯基礎(chǔ)硬件MIPS指令集中斷62編譯技術(shù)操作系統(tǒng)課程體系中斷切換虛實(shí)進(jìn)程管理內(nèi)存管理設(shè)備管理文件系統(tǒng)硬件抽象MIPS指令集中斷控制器存儲(chǔ)器I/O詞法分析語(yǔ)法分析中間代碼代碼生成代碼優(yōu)化操作系統(tǒng)理解中斷、現(xiàn)場(chǎng)切換等核心機(jī)制及軟硬件依賴(lài)關(guān)系實(shí)現(xiàn)基于MIPS程序的進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理等編譯技術(shù)C0生成MIPS匯編強(qiáng)化代碼優(yōu)化63編譯技術(shù)操作系統(tǒng)課程體系中斷切換虛實(shí)進(jìn)程內(nèi)存設(shè)備文件硬件MI基礎(chǔ)部件電路原理實(shí)驗(yàn)體系—數(shù)字邏輯目標(biāo)：掌握數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)MIPS處理器的基礎(chǔ)部件實(shí)驗(yàn)體系第1層次：電路原理組合邏輯、時(shí)序邏輯觸發(fā)器/寄存器、電路特性第2層次：計(jì)算與控制加/減、乘/除、有限狀態(tài)機(jī)第3層次：基礎(chǔ)部件譯碼器、ALU、數(shù)據(jù)選擇器、計(jì)數(shù)器、乘法單元、存儲(chǔ)器計(jì)算&控制64基礎(chǔ)部件電路原理實(shí)驗(yàn)體系—數(shù)字邏輯目標(biāo)：掌握數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)體系—計(jì)算機(jī)組成目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)MIPS計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)體系MIPS各型指令數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)MIPS多周期數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)MIPS多周期控制單元實(shí)驗(yàn)65實(shí)驗(yàn)體系—計(jì)算機(jī)組成目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)MIPS計(jì)算機(jī)13實(shí)驗(yàn)體系—操作系統(tǒng)目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)小型MIPS操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系圍繞MIPS，采用層次化設(shè)計(jì)原則6個(gè)綜合型實(shí)驗(yàn)，構(gòu)造一個(gè)相對(duì)完整的操作系統(tǒng)內(nèi)核制作與boot存儲(chǔ)管理進(jìn)程與中斷系統(tǒng)調(diào)用文件系統(tǒng)shell66實(shí)驗(yàn)體系—操作系統(tǒng)目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)小型MIPS操作系統(tǒng)14綜合實(shí)驗(yàn)體系—編譯技術(shù)目標(biāo)：為MIPS開(kāi)發(fā)C編譯器實(shí)驗(yàn)體系面向MIPS，生成中間代碼實(shí)現(xiàn)基本代碼優(yōu)化完成具有現(xiàn)代編譯器主要特征的小型編譯器提供不同難度的選擇從PL/0生成P-CODE從C0生成P-CODE從C0生成MIPS匯編67綜合實(shí)驗(yàn)體系—編譯技術(shù)目標(biāo)：為MIPS開(kāi)發(fā)C編譯器15統(tǒng)一的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MIPSCPU存儲(chǔ)器I/O數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)68統(tǒng)一的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MIPSCPU存儲(chǔ)器I/O數(shù)字邏輯、計(jì)算6年改革歷程組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)分布實(shí)施先遣小隊(duì)首次完成MIPS處理器開(kāi)發(fā)數(shù)字邏輯首輪實(shí)驗(yàn)編譯技術(shù)首先調(diào)整數(shù)字邏輯全面調(diào)整編譯技術(shù)全面調(diào)整自主開(kāi)發(fā)統(tǒng)一硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)字邏輯全面實(shí)施編譯技術(shù)全面實(shí)施全面重構(gòu)硬件代碼(特別是MIPS代碼)OS調(diào)整模擬器OS全面實(shí)施模擬器/硬件計(jì)組引入HDL計(jì)組全面實(shí)施20062007200820092010201120122013系統(tǒng)能力2006：?jiǎn)?dòng)；2007：規(guī)劃、小組實(shí)施5個(gè)輪次迭代；2012年市教學(xué)成果一等獎(jiǎng)696年改革歷程組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)先遣小隊(duì)首次完成MIPS處CPU設(shè)計(jì)能力比較內(nèi)容北航(教改前)北航(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(biāo)準(zhǔn)的處理器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指令集MIPS應(yīng)用廣泛較完整的CPU設(shè)計(jì)幾乎覆蓋定點(diǎn)指令中斷/異常支持簡(jiǎn)單OS運(yùn)行有力支持后續(xù)課程CPU設(shè)計(jì)能力比較北航北航BerkeleyMIT指令集自定義70OS設(shè)計(jì)能力相對(duì)完整的OS學(xué)生已可以完成較完整的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)與MIPS計(jì)算機(jī)硬件完整集成與前序課程有序銜接，掌握完整軟硬件開(kāi)發(fā)比較內(nèi)容北航(教改前)北航(教改后)BerkeleyHarvardMITOS選型Linux/WindowsLinux/小OSNACHOSNACHOS小OS能力層次分析/系統(tǒng)編程分析/設(shè)計(jì)分析/設(shè)計(jì)分析/設(shè)計(jì)分析/設(shè)計(jì)硬件PCMIPS模擬器/MIPS硬件MIPS模擬器MIPS模擬器PCOS設(shè)計(jì)能力相對(duì)完整的OS比較北航北航BerkeleyHar71編譯器設(shè)計(jì)能力突出編譯優(yōu)化參照國(guó)際一流大學(xué)課程建設(shè)趨勢(shì)，加大優(yōu)化部分比重連續(xù)5年實(shí)施新實(shí)驗(yàn)體系選擇高難度實(shí)驗(yàn)的學(xué)生比例穩(wěn)定在50%以上其中90%以上學(xué)生可以完成高難度實(shí)驗(yàn)北航(教改前)北航(教改后)BerkeleyCMUPrinston優(yōu)化實(shí)驗(yàn)比重5%35%39%61%58%優(yōu)化算法重點(diǎn)講述469109編譯器設(shè)計(jì)能力突出編譯優(yōu)化北航北航BerkeleyCMUPr72基本思路課程群體系系統(tǒng)能力分級(jí)工程化方法匯報(bào)提綱73基本思路匯報(bào)提綱21如何評(píng)價(jià)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的達(dá)成度？74如何評(píng)價(jià)系統(tǒng)能力22DO-178B：5級(jí)安全機(jī)載軟件安全等級(jí)CMM：5級(jí)成熟度軟件開(kāi)發(fā)能力分級(jí)：標(biāo)準(zhǔn)和尺子有利于量化評(píng)估不斷提升要求各課獨(dú)立設(shè)置借鑒軟件開(kāi)發(fā)CMM：軟件能力成熟度模型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)安全等級(jí)嚴(yán)重性說(shuō)明接受頻率(發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn))LevelA災(zāi)難Extremelyimprobable(X<10-9)LevelB危險(xiǎn)Extremelyremote(10-9<X<10-7)LevelC重要remote(10-7<X<10-5)LevelD次要Probable(X>10-5)LevelE無(wú)AllDO-178B：機(jī)載軟件安全級(jí)模型75DO-178B：5級(jí)安全借鑒軟件開(kāi)發(fā)CMM：軟件能力成熟度模CPU開(kāi)發(fā)能力@計(jì)算機(jī)組成原理CPU開(kāi)發(fā)能力等級(jí)指令集規(guī)模CPU特點(diǎn)155較完整定點(diǎn)類(lèi)指令；支持GCC；支持中斷/異常/系統(tǒng)調(diào)用245～50較完整定點(diǎn)類(lèi)指令；支持GCC330～40+常用的運(yùn)算/存儲(chǔ)/分支/置位/函數(shù)調(diào)用指令；手工匯編；可運(yùn)行小型程序410～20+基本的運(yùn)算/存儲(chǔ)/分支/函數(shù)調(diào)用指令；手工匯編；可運(yùn)行簡(jiǎn)單程序50～10簡(jiǎn)單的運(yùn)算/存儲(chǔ)/分支指令；手工匯編；示意型設(shè)計(jì)76CPU開(kāi)發(fā)能力@計(jì)算機(jī)組成原理CPU開(kāi)發(fā)能力等級(jí)指令集CPU基本思路課程群體系系統(tǒng)能力分級(jí)工程化方法匯報(bào)提綱77基本思路匯報(bào)提綱25課程群關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：傳統(tǒng)的重課/難課承上啟下，直接決定整體目標(biāo)能否高質(zhì)量達(dá)成CPU實(shí)驗(yàn)體系具有較大規(guī)模和難度實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)：功能型CPU的設(shè)計(jì)指令集規(guī)模：50+條指令可以運(yùn)行由GCC編譯產(chǎn)生的定點(diǎn)類(lèi)程序支持中斷/異常計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)概述78課程群關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：傳統(tǒng)的重課/難課計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)概述26目的：讓多數(shù)普通學(xué)生達(dá)成目標(biāo)！規(guī)模達(dá)到一定程度(如30+)，須強(qiáng)調(diào)方法，否則：少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生：靠天份能悟出來(lái)多數(shù)普通學(xué)生：盲動(dòng)失敗挫折感工程方法：可能不是最優(yōu)的，但應(yīng)該是簡(jiǎn)單與有效具有普適性簡(jiǎn)單有效：按照方法可以一步步的開(kāi)發(fā)出復(fù)雜系統(tǒng)要讓學(xué)生擁有巔峰體驗(yàn)：原來(lái)我也能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)！為什么強(qiáng)調(diào)工程方法？79目的：讓多數(shù)普通學(xué)生達(dá)成目標(biāo)！為什么強(qiáng)調(diào)工程方法？27過(guò)去的教學(xué)方法：圖解式案例教學(xué)講解典型指令的數(shù)據(jù)通路的構(gòu)造過(guò)程建立對(duì)指令在數(shù)據(jù)通路中流動(dòng)的直觀認(rèn)識(shí)建立對(duì)數(shù)據(jù)通路基本組成的基本認(rèn)識(shí)指令存儲(chǔ)器AddrDataPC寄存器堆ReadReg1ReadReg2WriteRegWriteDataReadData1ReadData2ADDUSUBUORILWSWBEQJALUZeroOvALU結(jié)果16擴(kuò)展3201數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AddrReadDataWriteDataPC計(jì)算PCIMMNPCPC+401226IM[25:21]IM[20:16]1F012M1IM[15:0]M280過(guò)去的教學(xué)方法：圖解式案例教學(xué)講解典型指令的數(shù)據(jù)通路的構(gòu)造過(guò)效率低下：新增指令導(dǎo)致對(duì)圖的大量修改復(fù)雜度高：指令集規(guī)模，圖的復(fù)雜度圖的布局對(duì)于開(kāi)發(fā)影響極大錯(cuò)誤傳遞：一條指令的錯(cuò)誤會(huì)長(zhǎng)期存在并產(chǎn)生影響修改錯(cuò)誤，往往會(huì)導(dǎo)致對(duì)圖的大量變更難以追朔：大量設(shè)計(jì)過(guò)程難以復(fù)現(xiàn)50+指令：會(huì)保留50+圖嗎？跨度過(guò)大：從圖到HDL，跨度大，缺乏中間層次圖解式案例教學(xué)方法的不足81效率低下：新增指令導(dǎo)致對(duì)圖的大量修改圖解式案例教學(xué)方法的不足效率低下：新增指令導(dǎo)致對(duì)圖的大量修改復(fù)雜度高：指令集規(guī)模，圖的復(fù)雜度圖的布局對(duì)于開(kāi)發(fā)影響極大錯(cuò)誤傳遞：一條指令的錯(cuò)誤會(huì)長(zhǎng)期存在并產(chǎn)生影響修改錯(cuò)誤，往往會(huì)導(dǎo)致對(duì)圖的大量變更難以追朔：大量設(shè)計(jì)過(guò)程難以復(fù)現(xiàn)50+指令：會(huì)保留50+圖嗎？跨度過(guò)大：從圖到HDL，跨度大，缺乏中間層次圖解式案例教學(xué)方法的不足成效：學(xué)生可以理解小規(guī)模指令集CPU的設(shè)計(jì)方法困難：學(xué)生尚難以將其推廣至一般，難以開(kāi)發(fā)更大規(guī)模指令集的CPU82效率低下：新增指令導(dǎo)致對(duì)圖的大量修改圖解式案例教學(xué)方法的不足目標(biāo)：普通學(xué)生也能開(kāi)發(fā)50+規(guī)模CPU工程化方法：3類(lèi)方法單周期CPU設(shè)計(jì)工程方法(完成)多周期CPU設(shè)計(jì)工程方法(完成)流水線(xiàn)CPU設(shè)計(jì)工程方法(進(jìn)行中)2012年秋季新探索：工程化方法83目標(biāo)：普通學(xué)生也能開(kāi)發(fā)50+規(guī)模CPU2012年秋季新探索：回顧：?jiǎn)沃芷跀?shù)據(jù)通路PC、NPC計(jì)算單元指令存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寄存器文件運(yùn)算單元、擴(kuò)展單元MUX指令存儲(chǔ)器AddrDataPC寄存器堆ReadReg1ReadReg2WriteRegWriteDataReadData1ReadData2ADDUSUBUORILWSWBEQJALALUZeroOvALU結(jié)果16擴(kuò)展3201數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AddrReadDataWriteDataPC計(jì)算PCIMMNPCPC+401226IM[25:21]IM[20:16]1F012M1IM[15:0]M284回顧：?jiǎn)沃芷跀?shù)據(jù)通路PC、NPC計(jì)算單元AddrDataPC通過(guò)案例教學(xué)，教師總結(jié)出幾個(gè)必備部件數(shù)據(jù)通路表格：建立部件間的連接關(guān)系記錄了部件輸入端的輸入來(lái)源忽略控制類(lèi)信號(hào)只保留數(shù)據(jù)類(lèi)信號(hào)指令NPCPCIMRFALUDMWDataRDAB85通過(guò)案例教學(xué)，教師總結(jié)出幾個(gè)必備部件數(shù)據(jù)通路表格：建立部件間單指令數(shù)據(jù)通路構(gòu)造的一般性方法S1：閱讀每條指令改寫(xiě)RTL發(fā)現(xiàn)所有的新增需求S2：對(duì)每個(gè)新增需求（2種處理方法）合并至已有部件修改已有部件設(shè)計(jì)描述：{F’，I’，O’}需要新增部件建立新增部件設(shè)計(jì)描述：{F，I，O}S3：對(duì)每個(gè)部件設(shè)置輸入來(lái)源原則：來(lái)源相同/相近目的相同/相近86單指令數(shù)據(jù)通路構(gòu)造的一般性方法S1：閱讀每條指令改寫(xiě)RTL示例：ADDU指令NPCPCIMRFALUDMWDataRDABADDURTLR[rd]R[rs]+R[rt]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(guān)系NPCPCALUIM[15:11]RF.RD1RF.RD287示例：ADDU指令NPCPCIMRFALUDMWDataRD增加指令：ADDIU指令NPCPCIMRFS_EXTALUDMWDataRDABADDUNPCPCALUIM[15:11]RF.RD1RF.RD2ADDIURTLR[rt]R[rs]+sign_ext(imm16)PCPC+488增加指令：ADDIU指令NPCPCIMRFS_EXTALUD增加指令：ADDIU指令NPCPCIMRFS_EXTALUDMWDataRDABADDUNPCPCALUIM[15:11]RF.RD1RF.RD2ADDIUNPCPCALUIM[20:16]IM[15:0]RF.RD1S_EXTRTLR[rt]R[rs]+sign_ext(imm16);PCPC+489增加指令：ADDIU指令NPCPCIMRFS_EXTALUD多指令數(shù)據(jù)通路合并指令NPCPCIMRFS_EXTALUDMWDataRDABADDUNPC.NPCPCALUIM[15:11]RF.RD1RF.RD2ADDIUNPC.NPCPCALUIM[20:16]IM[15:0]RF.RD1S_EXTLWNPC.NPCPCDMIM[20:16]IM[15:0]RF.RD1S_EXTSWNPC.NPCPCIM[15:0]RF.RD1S_EXTRF.RD2。。。合并IM[25:0]NPC.NPCPCALU|DM|NPC.PC4IM[15:11]|IM[20:16]|0x1FIM[15:0]RF.RD1RF.RD2|S_EXTRF.RD2合并：垂直方向歸并，去除相同項(xiàng)MUX自動(dòng)綜合：輸入源多余1個(gè)的需設(shè)置MUXMUX控制信號(hào)由控制器產(chǎn)生90多指令數(shù)據(jù)通路合并指令NPCPCIMRFS_EXTALUDM數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)的工程化方法foreach指令foreach新增需求case可以合并至已有部件：修改部件設(shè)計(jì)描述、HDL建模：{F’，I’，O’}case需要新增部件：建立新部件設(shè)計(jì)描述、HDL建模：{F，I，O}增加新部件foreach部件設(shè)置輸入來(lái)源按垂直方向合并數(shù)據(jù)通路，并去除相同項(xiàng)foreach輸入來(lái)源多余1個(gè)的輸入端部署1個(gè)MUX(MUX的輸入規(guī)模為輸入來(lái)源數(shù))MUX設(shè)計(jì)定義、HDL建模單指令數(shù)據(jù)通路構(gòu)造HDL建模：連接所有的部件及所有的MUX多數(shù)據(jù)通路綜合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)的工程化方法foreach指令按垂直方向合并91數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)的工程化方法foreach指令foreach新增需求case可以合并至已有部件：修改部件設(shè)計(jì)描述、HDL建模：{F’，I’，O’}case需要新增部件：建立新部件設(shè)計(jì)描述、HDL建模：{F，I，O}增加新部件foreach部件設(shè)置輸入來(lái)源按垂直方向合并數(shù)據(jù)通路，并去除相同項(xiàng)foreach輸入來(lái)源多余1個(gè)的輸入端部署1個(gè)MUX(MUX的輸入規(guī)模為輸入來(lái)源數(shù))MUX設(shè)計(jì)定義、HDL建模固定復(fù)雜度(單指令，對(duì)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(fù)雜度較低復(fù)雜度數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)的工程化方法foreach指令按垂直方向合并92組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)分布實(shí)施先遣小隊(duì)首次完成MIPS處理器開(kāi)發(fā)數(shù)字邏輯首輪實(shí)驗(yàn)編譯技術(shù)首先調(diào)整數(shù)字邏輯全面調(diào)整編譯技術(shù)全面調(diào)整自主開(kāi)發(fā)統(tǒng)一硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)字邏輯全面實(shí)施編譯技術(shù)全面實(shí)施全面重構(gòu)硬件代碼(特別是MIPS代碼)OS調(diào)整模擬器OS全面實(shí)施模擬器/硬件計(jì)組引入HDL計(jì)組全面實(shí)施新計(jì)組(數(shù)字邏輯工程方法)20062007200820092010201120122013系統(tǒng)能力新計(jì)組(2012秋季)：1個(gè)行政班試驗(yàn)93組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)先遣小隊(duì)首次完成MIPS處理器開(kāi)發(fā)數(shù)字新計(jì)組(2012秋季)：工程化方法實(shí)踐效果2012年秋季，1個(gè)行政班成建制完成CPU開(kāi)發(fā)均完成50+指令的CPU設(shè)計(jì)支持簡(jiǎn)單OS運(yùn)行有力支持后續(xù)課程學(xué)生有“巔峰體驗(yàn)”，有成就感94新計(jì)組(2012秋季)：工程化方法實(shí)踐效果2012年秋季，1新計(jì)組(2013年秋季)：全大班試驗(yàn)組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)分布實(shí)施先遣小隊(duì)首次完成MIPS處理器開(kāi)發(fā)數(shù)字邏輯首輪實(shí)驗(yàn)編譯技術(shù)首先調(diào)整數(shù)字邏輯全面調(diào)整編譯技術(shù)全面調(diào)整自主開(kāi)發(fā)統(tǒng)一硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)字邏輯全面實(shí)施編譯技術(shù)全面實(shí)施全面重構(gòu)硬件代碼(特別是MIPS代碼)OS調(diào)整模擬器OS全面實(shí)施模擬器/硬件計(jì)組引入HDL計(jì)組全面實(shí)施新計(jì)組(數(shù)字邏輯工程方法)20062007200820092010201120122013新計(jì)組系統(tǒng)能力95新計(jì)組(2013年秋季)：全大班試驗(yàn)組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)先總結(jié)系統(tǒng)能力培養(yǎng)：需通過(guò)系列課程連續(xù)實(shí)施課程群知識(shí)體系、實(shí)驗(yàn)體系應(yīng)緊密銜接系統(tǒng)能力分級(jí)：是標(biāo)尺，有利于量化評(píng)估工程化方法：是普通學(xué)生達(dá)成較高目標(biāo)關(guān)鍵所在讓學(xué)生有巔峰體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情96總結(jié)系統(tǒng)能力培養(yǎng)：需通過(guò)系列課程連續(xù)實(shí)施44謝謝大家！

敬請(qǐng)批評(píng)指正！謝謝大家！

敬請(qǐng)批評(píng)指正！972013秋季實(shí)驗(yàn)體系(Project部分)注重形成性培養(yǎng)序號(hào)描述檢查時(shí)間描述檢查方式1報(bào)紙售賣(mài)機(jī)9周閱讀和運(yùn)行Verilog設(shè)計(jì)代碼和testbench?，F(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答2串行發(fā)送11周閱讀設(shè)計(jì)要求和Verilog代碼，補(bǔ)全代碼，完成報(bào)告。筆試3單周期設(shè)計(jì)logisim12周用logisim完成單周期CPU設(shè)計(jì)。注：支持MIPS-Lite指令集現(xiàn)場(chǎng)增加指令通過(guò)測(cè)試用例4單周期設(shè)計(jì)Verilog13周用Verilog完成單周期CPU設(shè)計(jì)。注：支持MIPS-Lite指令集現(xiàn)場(chǎng)增加指令通過(guò)測(cè)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(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)。注：支持MIPS-C指令集，中斷除外提供模板，補(bǔ)全設(shè)計(jì)通過(guò)測(cè)試用例7設(shè)備集成16周開(kāi)發(fā)定時(shí)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(yàn)證下