基于FPGA可编程平台的计算机硬件实验教学.docx

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基于FPGA可编程平台的计算机硬件实验教学

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张惠臻，谢维波，钟必能

（华侨大学计算机科学与技术学院，福建厦门361021）

摘要：针对当前高等院校计算机专业硬件类课程的实验教学现状及存在问题，以设计完整的CPU系统作为统一实验目标，提出适合本科生综合素质和创新能力培养的层次化计算机硬件实验教学体系，通过采用EDA技术作为唯一实验方法，实现对专业人才的多层次能力培养，阐述一种能够利用FPGA可编程平台和VerilogHDL硬件描述语言实现全系列硬件课程实验一体化教学的全新实验教学模式。

关键词：计算机硬件课程；实验教学体系；EDA技术；FPGA可编程平台；VerilogHDL

0引言

计算机是一门理论和实践并重的学科，尤其是计算机硬件类课程，对实践性的要求更高。计算机硬件实验教学作为计算机专业人才培养的必要环节，是培养学生实际操作、创新开发和工程实践等能力的重要途径。计算机硬件技术不断发展，要求高校适时完善计算机硬件实验教学体系，更新实验教学项目，改进实验教学手段，使学生保持对新知识、新技术的渴求，能够紧跟技术发展形势和行业人才需求，步入社会后能迅速完成角色转换，适应计算机相关技术研发工作[1]。

当前，FPGA等可编程逻辑器件获得了飞速发展，集成度越来越高，成为嵌入式领域硬件系统原型设计和产品研发的首选。同时，此类器件的可编程特点也天然适应了学校硬件实验教学的系统性和一体化需求。因此，引入FPGA可编程平台及其相关的EDA技术，对现有计算机硬件实验教学进行改革是十分必要和可行的，有助于形成各门硬件课程实验教学模式的一致化，为研究实验项目的改革，实现从验证型实验为主向设计型实验乃至创新型实验为主的转变提供条件[2-3]。

1计算机专业硬件系列课程实验现状分析

长期以来，我国高等教育中一直存在着“重理论、轻实践”的传统观念，而在计算机专业教学中还普遍存在着“重软件、轻硬件”的思想，这使得计算机硬件实验课程一直“地位低下”，基本被视作是用于验证理论教学内容的从属课程。近年来，随着国家对计算机基础核心技术和自主创新能力的重视，这一现象得到了一定程度的缓解，但在实际的计算机硬件实验教学过程中还是存在不少问题[4-6]。

1.1实验教学体系缺乏系统性和规划性

计算机硬件类主干课程一般包括数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口技术、计算机体系结构等，这些课程之间存在前后衔接的层次关系和相互渗透的交叉关系，具有完整的一体化体系特征。通过课程的理论和实验学习，学生应当能够从部分到整体地建立计算机系统设计概念，掌握计算机硬件系统设计的方法和技术[7]。

然而在当前高校的硬件实验教学体系中，硬件实验教学一般都附属于相关的理论课程，较少专门独立设课。同时，各门硬件课程的教学基本都是根据各自的教学大纲安排授课计划，过分强调某门课程自身的完整性和独立性，忽略了与其他课程的内在联系，使各课程实验之间相互独立，缺乏综合的统筹规划，实验教学体系的连续性和系统性无法得到体现。这种模式只适合于基本技能的训练，难以使学生形成工程化设计的整体思维，不符合设计型和创新型人才培养的需求。

1.2实验项目类型组成和内容安排不合理

计算机硬件类实验教学应该以锻炼学生设计计算机系统的能力为目标，这需要在安排实验项目时充分考虑验证分析型、综合设计型、自主创新型和实际应用型等不同类型实验的构成比例；同时，在不同阶段的项目内容安排上应该各有侧重、循序渐进，与技术发展形势接轨，适时更新、与时俱进。

当前高校计算机硬件实验教学中，各门课程的实验项目基本都以验证型为主，实验内容多为单元级或者小模块级功能，普遍缺乏系统级的综合设计实验，更遑论创新型实验。验证型实验属于典型的被动模仿式实验，实验过程完全按照教师提供的实验指导书按部就班地完成，限制了学生独立思考和观察分析能力的培养，也使学生缺乏主动性。

1.3实验条件不足，实验手段和管理方式落后

相比计算机软件课程实验，计算机硬件实验的设备专用性要求较高，实验过程的设备损耗和故障可能性更大，因此一般需要较多的资金投入。当今计算机技术飞速发展，硬件设备更新换代的速度很快，这就使得各高校在硬件实验室的建设支持上不够积极，久而久之就造成了实验条件的落后，当前的硬件实验教学过程中，常出现多个学生合用一台硬件设备的情况。此外，由于硬件实验设备的特殊性，硬件实验室在管理上会更加严格，非实验课时间一般都不对学生自由开放，而学生又无法像软件实验一样，简单配备个人电脑和相关软件就可以继续研究实验设计，在一定程度上影响了学生的积极性和实验教学效果。

2层次化的计算机硬件实验教学体系改革

华侨大学致力于改革计算机硬件实验教学现状，从培养学生的计算机系统