教学沿革

东南大学计算机科学与工程学院历来重视实践课程的教学工作,从上世纪八十年代起,就成立了《计算机组成原理》及《计算机组成原理实验》课的课程小组,经常性地开展教学研讨活动,密切跟踪国内外计算机体系结构在教学方面的最新进展,制定和修改教学计划,提出新的教学改革模式,并在此基础上开设了《计算机系统综合课程设计》。经过多年的探索,使得课程日趋完善,并深受学生欢迎。

课程的发展、形成过程经历了如下几个阶段:

1985年-1998年

这一阶段是本课程建设的前期时代,主要完成了从验证型实验到设计型实验的初步转型。

最初,《计算机组成原理》的实验课共开设了四个部件实验:时序逻辑电路的设计、总线/半导体静态存储器实验、运算器数据通路实验、简单的计算机接口实验,该类实验以验证型实验为主。为强化学生对书本知识的理解,建立计算机系统的概念,1985年,我们对该实验课程进行了改革,在计算机科学与技术专业本科生中开设了40学时的《计算机硬件实践》课程,内容是学生自己设计一个简易的CPU,可以完成七条基本指令。这一时期,我们克服了缺少适用的教材和相关教学实验设备的困难,以一个班的学生为对象,边摸索边改进,在取得了良好的效果后,再推广到全部学生中。学生通过这样的实验,初步改变了惧怕硬件的心理,在对课程充分理解的基础上,自主设计自己的CPU,不设条条框框,学生实验完成情况令人满意,改革初现成效。 其中88级部分学生的课程设计在全国相关教学会议上被作为样板,受到与会者的一致好评。由于课程建设成效显著,“模型计算机系统课程设计”(硬件实验)课程建设于1993年被评为东南大学教学改革成果二等奖。

1999年-2002年

这一阶段开始探索在原有CPU设计基础上增加接口部件,并将EDA技术引入到课程设计中,为开设“计算机系统综合课程设计”打下了基础。

鉴于当时模型计算机设计实验对学生的实践能力的锻炼成效显著,深受学生欢迎,为了在培养学生综合设计能力方面提高一个新的层次,1999年起,课程小组开始着手建设综合性更强,实践能力锻炼更有力的课程,在原“计算机硬件实验”的基础上增加了部分外围接口部件的设计,包括键盘接口、时钟/定时器接口、常规I/O接口、打印机接口、中断等。这就是现在的“计算机系统综合课程设计”的雏形。在2000年“计算机硬件系列课程群”建设过程中,又将EDA技术、嵌入式系统等多项新的技术引入到该课程中。

同时,为了与当时国内外先进的硬件设计技术接轨,并改善实验条件,课程小组成员研制了《计算机组成原理》硬件实验台,该实验台包括了运算器、数据通路、存储器、总线等传统部件实验电路,可以满足组成原理课程的各种部件实验。由于实验台采用了一片10万门以上的大规模可编程阵列逻辑(FPGA)芯片,可供学生方便灵活地进行各种控制器的设计及模型机的设计,便于学生充分发挥自己的能力,不受任何限制地设计出各种电路。

2003年-2004年

这一阶段正式开始了“计算机系统综合课程设计”的建设工作。建立了软硬件综合的设计目标和一套行之有效的实践教学模式。

2003年,在“计算机硬件系列课程群”建设结束并获奖之后,按照课程群的总体大纲,以及学院对学生“立足系统,兼顾应用”的培养目标的要求,本课程小组成员研讨了当前嵌入式系统的发展现状,同时,参考了加州大学伯克力分校以及日本法政大学的课程设计实践的经验,将“计算机系统综合课程设计”定位在采用EDA、OO(面向对象)、SOPC等技术,综合软硬件实践,形成小型嵌入式系统的设计目标。将学生5-6人分为一组,设计内容包括嵌入式CPU设计,接口电路设计,BIOS设计,编译器设计,简单应用程序设计等,真正的将学生带进计算机系统的硬件和软件设计与开发的领域,让学生得到一次全面综合的实践训练。

为了更好的完成该课程设计方案,在建设该实践课程的同时,本课程小组组织实施了“计算机系统设计实践环节改革”的教改项目。通过该项目的研究,建立了一套行之有效的开放式实践教学模式,为该课程教学实践活动明确了教学方法。该教学改革项目也获得了东南大学教学成果2等奖。

2005年-2007

这一阶段重点解决提高计算机专业设计与分析能力的问题。同时围绕本课程的建设,进一步调整了课程群内容,出版了相应的教材。

2005年,本课程小组再接再厉,组织实施了“提高计算机专业学生设计与分析能力的方法研究”的教改项目,主要研究如何培养学生综合运用各种知识分析问题、解决问题和综合运用知识的能力;如何安排设计性实验启迪学生思维,以提高学生的创新意识和科研能力;分析了计算机专业学生应该具备的专业素质能力,根据分析,强化了软硬结合,综合分析的实践教学目标,调整了教学大纲,为学生自主创新留给了更大的空间,并强调了学生团队合作的作用。

具体实施过程中,我们结合科研和工程应用,将实验层次分为基础性实验、综合设计性实验、研究创新性实验,逐步培养学生基本实验技能、系统设计能力和创新意识。

为了理论教学和实践教学的紧密配合,多年来,课程小组致力于教材与配套实验教材的建设、课程网站建设和有关实验设备的研制。先后出版了《计算机组成原理》(第一版、第二版)、《计算机组成原理习题精解与实验指导》、《现代微机原理与接口技术》(第一版、第二版,其中第二版是东南大学“十一五”重点规划教材);开发了《计算机组成原理》、《现代微机原理与接口技术》、《数字逻辑电路》等多门课程网站;研发和正在研发“计算机组成原理实验台”和“计算机接口实验台原型”。

2007年-2008年

这一阶段是“计算机系统综合课程设计”建设的新阶段,我们更加注重理论与实践、课内与课外、科研与教学相结合,探讨计算机专业本科研究型教学的内涵及模式。

2007年,东南大学计算机学院与Intel联合成立了东南大学-Intel多核技术实验室之后,2008年我们获得了一项教育部-Intel信息技术专项科研基金项目“基于Intel多核架构的程序并行优化技术研究”,开始系统地对多核下的并行程序优化进行研究,同时2008年申请到一项东南大学教改项目“计算机专业本科研究型教学的内涵及模式的探索与实践”,重在研究工科学生如何在课程设计和实践教学中加强研究能力的培养问题。本课程小组经过认真分析近几年学生做本课程设计的具体情况,认为对于部分优秀的学生,可以积极引导他们从硬件结构和软件设计两个层面考虑多核技术的使用,并以此为切入点之一,引导学生学会去研究问题,发现问题。为此,我们专门将多核技术以及我们的科研成果以讨论课的形式增加到了本课程的理论课学时中,并积极鼓励学生考虑设计简单的双核CPU,以及在软件层面探讨多核技术的运用。

课题组根据多年开设“计算机系统综合课程设计”课程的授课、实践的经验、反复斟酌,出版了教材《计算机系统综合课程设计》(普通高等教育“十一五”国家级规划教材);开发了《计算机系统综合设计》课程网站,开始研发“计算机综合系统设计实验台原型”。

2009-至今

这一阶段是“计算机系统综合课程设计”广泛交流、全面推广的阶段,我们更加注重本课程的影响面,把它推广到其他高校,并建立了开源社区,公开我们开发的MiniSys源代码,立足吸引更多人来参与研讨。

2008年开始,我们加大了与其他高校之间的交流活动,一方面我们参加了全国高校计算机系主任论坛、全国计算机实践教学研讨会、全国计算机组成原理课程实践教学研讨会、Intel高校教师交流会、Intel多核技术师资培训等教学、教研实践活动,并在这些研讨会和师资培训中受邀对本课程的建设做了专题演讲,获得与会高校的一致好评,分别有北京航空航天大学、湖南大学、南京大学、武汉大学、电子科技大学、南通大学等多所高校的教师对本课程表示兴趣,并进行了单独的交流。另外我们还接待了日本法政大学的李亚民教授进行讲学和交流,接待了来自电子科技大学、中国石油大学、南通大学等高校教师的来访交流。2010年又多次受邀请到解放军理工大学进行交流访问。根据国内各高校和李亚民教授的要求和建议,2010年,我们在本课程网站上开设了开源代码社区,将课程设计中的目标MiniSys代码公开供学生学习和实践的时候作为参考,并积极吸引国内外有兴趣的学生、工程技术人员提供更为完善和优秀的代码,以此推动我国高校CPU设计、计算机系统综合设计进入一个新的阶段。

我们还注重历届课程设计的成果积累,几年的课程设计,学生们不仅完成了简单的SoC设计,更不断进取,分别完成了流水型、超标量型、带分支预测的流水、带指令预取的流水、双核等多种先进的设计。05级学生的课程设计成果MiniSys IDE被运用到东南大学软件学院的硬件基础课的实验中作为实验工具。同时,其成果还参加了东南大学优秀学生设计展。06级学生尝试了增加鼠标、黑白液晶屏、彩色液晶屏、步进电机、点阵LED等外部设备的接口电路、并初步尝试了3核处理器的设计。

在学校和学院的大力支持下,课程小组一直进行着坚持不懈的探索与改革,从人才培养模式、课程体系与教育思想、教学内容与方法的改革、考试内容与方式的改革等方面都取得了全面、系统的成果。

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