简述计算机硬件课程改革

   我院计算机科学与技术本科专业始建于1987 年，历经20 年的发展，为油田及相关企事业单位培养了大量的计算机应用人才。“具有良好的科学素养，系统地、较好地掌握计算机科学与技术包括计算机硬件、软件与应用的基本理论、基本知识和基本技能与方法，能在科研部门、教育单位、企业、事业、技术和行政管理部门等单位从事计算机教学、科学研究和应用”是本专业的培养目标。基于这个培养目标，结合目前计算机硬件技术最新发展现状及趋势，提出本硬件系列课改方案。

    一、硬件系列课改的目的及意义

    当前，计算机在信息社会中充当了重要角色，也是发展最为迅速的一门学科。随着这门学科的不断发展，目前，计算机核心技术愈来愈集中在集成电路芯片设计和软件设计这两项技术中，其中CPU 和OS 设计技术是最核心的两项技术，特别是高性能计算机技术一直是衡量国家实力的一个重要标志。在硬件系列课程里，培养学生CPU 及相关硬件的设计能力，培养学生自主创新并能够设计出拥有自主知识产权的计算机部件的能力，是当前计算机硬件课程重要的改革方向，也是目前社会迫切需要的计算机硬件人才。

    因此，适应当前计算机硬件技术的发展及社会对计算机硬件人才的需求，及时调整硬件系列课程的培养方向，既有利于学生及时掌握最新的计算机硬件技术，又有利于学生及时把所学知识转化为社会生产力，对扩大我院学生就业，树立我院计算机科学与技术专业学生良好的社会形象意义深远。

    二、硬件系列教学的国内外发展现状及趋势

    由于我国的制造业比较落后，一直以来，计算机硬件的核心技术未能被国内掌握。相应地，在计算机硬件教学中，像计算机组成和计算机体系结构等重要硬件课程，传统上仅仅以讲授、分析原理为主，且内容不能适应现代计算机技术的发展 。

    国外一些知名大学非常重视计算机硬件的教学，美国的许多高校本科计算机专业中都无一不是安排了CPU 设计方面的课程和实验内容。例如麻省理工学院计算机专业的一门相关课程是《计算机系统设计》，学生在实验课中，须自主完成ALU、单指令周期CPU、多指令周期CPU 乃至实现流水线32 位MIPS CPU 和Cache 等的设计。Stanford 大学计算机系的本科生也有相似的课程和实验。

    随着计算机硬件技术的不断发展，国内开展硬件设计技术的条件已逐渐成熟，这主要得益于计算机硬件发展中的两个重要技术，一是大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA 的成熟，可以在一个芯片中通过编写硬件描述语言设计CPU 和全部的相关硬件电路，减轻了硬件芯片间连接的复杂性，同时消除了硬件制造的限制。二是硬件描述语言的成熟，以VHDL 和Verilog VHDL 语言为代表的硬件描述语言，可以通过编写程序的方式来描述极其复杂的硬件电路逻辑，大大降低了以前采用手工方式设计硬件电路的复杂性。

    国内的一些知名大学，在最近几年里，也相应地增加了硬件电路设计在教学中的比重，据我们了解，清华大学、电子科技大学、哈工大、哈理工等一些学校，已经修改了计算机组成原理及计算机体系结构等方面的课程教学内容，把利用CPLD/FPGA 和硬件描述语言设计CPU 及其相关硬件电路作为重要内容加入到课程体系里，取得了良好的教学效果，大大加强了学生对计算机工作原理的理解及计算机硬件的设计能力，逐步实现了与发达国家高校计算机本科教育的接轨。

    三、目前我院硬件系列教学现状及不足

    计算机科学与技术本科专业硬件系列主要课程设置始于20 年前，期间虽经过部分调整，但基本教学内容依然延续20 年前的知识体系。按授课先后次序排列，这些课程包括：《数字逻辑与数字电路》、《计算机组成原理》、《数字系统设计自动化》、《计算机体系结构》、《单片机原理及应用》、《嵌入式系统》、《硬件课程设计》等7 门。基于当前硬件课程系列教学现状，我们认为存在以下的不足：

    1. 从整体上看，硬件系列教学内容过于强调基本原理和基本方法，缺少能够验证原理、实际实现这些原理及方法的手段，导致学生缺少动手能力，对原理和方法认识模糊，会说不会做的现象比较严重，创新能力较弱。

    2.《数字逻辑与数字电路》和《数字系统设计自动化》，这两门课之间存在较大的联系，在内容上存在承上启下的关系，前者是讲述数字电路的基本概念、组合及时序电路的传统分析设计方法，后者则介绍组合及时序电路的现代分析设计方法，基于目前的教学实际情况，可以合并成一门课讲述。

    3.《计算机组成原理》和《计算机体系结构》是计算机科学与技术本科专业非常重要的两门课，通过这两门课的学习，应使学生能够设计简单的CPU 及相关的硬件电路，从而加深对基本原理、基本方法的理解，增强实际动手能力。基于现在的教学内容及教学手段还无法达到上述目的。

    4.《单片机原理及应用》和《嵌入式系统》两门课存在较大的内容交叉。这两门课都是讲述特定计算机在控制及嵌入式产品中的应用，《单片机原理及应用》这门课介绍的是8 位机MCS-51 的原理，《嵌入式系统》这门课介绍的是32位机ARM 的原理，鉴于目前嵌入式领域的发展现状及趋势，

    建议取消《单片机原理及应用》这门课，以避免课程内容重复。5.《硬件课程设计》作为硬件系列的最后一门硬件设计课，学生已掌握了较丰富的软硬件知识，因此应该具备设计较复杂的硬件电路的能力，目前的设计内容较简单并与《数字逻辑与数字电路》课程实验存在一定交叉，建议选择有一定复杂度并较实用的设计内容。从而培养学生综合运用硬件知识及硬件设计能力。

    四、硬件系列教学新课改方案

    针对我院计算机科学与技术专业的实际情况，在保证总的硬件教学学时不变的前提下，对硬件系列教学提出如下建议：

    1. 课程合并：《数字系统设计自动化》是计算机组成原理等的先修课，为保证能及时开课，同时该课和《数字逻辑与数字电路》这门课有密切的联系，合并为一门课，仍称为《数字逻辑与数字电路》，并适当增加学时，建议在大二上学期开课，取消《数字系统设计自动化》这门课。

    2《. 计算机组成原理》：这门课改为《计算机组成及设计》，增加CPU 及相关硬件电路设计内容，在讲清楚组成原理的基础上，以设计为重点，建议在大二下学期开课。

    3.《计算机体系结构》：适当增加设计内容，原学时保持不变，建议在大三上学期开课。

    4.《单片机原理及应用》：本课程取消，鉴于目前嵌入式系统涉及软硬件知识较多，难以在一门课程中全面系统学习，因此另开设一门《嵌入式软件开发》课程，重点讲述如何设计编写嵌入式软件程序，建议在大三下学期开课。

    5.《嵌入式系统》：这门课作为《嵌入式软件开发》的先修课，重点讲述嵌入式系统的基本概念及方法、ARM 处理器的硬件工作原理、接口、汇编语言等，而相关操作系统及其程序设计等知识暂不涉及，建议在大三上学期开课。

    6.《硬件课程设计》：在设计题目中，引入嵌入式系统、FPGA 及计算机组成等知识，适当增加设计的综合性和复杂性，建议在大四上学期开课。

    基于新的硬件系列课程体系，能够有效理顺课程之间的先后关系，并把硬件课程均匀分散到大学四年的学习中，同时对重要的课程及相关的知识进行了加强，例如数字电路设计贯穿在整个硬件系列课程中;舍弃了过时的技术，增加了新技术的份量，例如去掉了单片机，加强了嵌入式系统。因此，我们认为：调整后的硬件系列课程是较合理的，它吸收了当前先进的硬件设计技术，保证了知识的实用性，有一定的前瞻性。

    五、结束语

    高等教育是为学生提供专业技能和生存本领、服务社会的最后一站，教学内容及方法直接关系到学生的未来发展。通过不断教学改革，保持教学的先进性和实用性一直是高教课改的目标之一。通过这次课改，理顺了我院硬件系列课程的教学关系，增强学生未来服务社会的竞争力，因此很有实际意义。