黄正瑾
（东南大学电工电子实验中心，江苏南京，210096）
【摘要】 21世纪初的电子系统是以计算技术为核心的片上复杂系统，因此，对电气、电子信息类专业，必须加强计算机硬件的课程。东南大学的计算机硬件课程体系由“计算机结构与逻辑设计”、“微型计算机系统与接口”和“计算结构”三门课程以及“电路与数字逻辑设计实践”、“微机系统与接口实践”、“数字系统课程设计”三门实践课程所组成，通过该系列课程的学习，学生可以获得设计微机应用系统以及设计以微机为核心的复杂系统的能力。
【关键词】 复杂系统 专用集成电路 电子设计自动化 背景机 计算机结构与逻辑设计 微机系统与接口 计算结构
长期以来，我国绝大多数高等院校电类专业（非计算机）有关计算机硬件的课程只有“数字电子技术”（或脉冲数字电路）和“微机原理”，后者又是以某个具体的计算机为背景，不仅介绍计算机的硬件知识，还介绍计算机的软件知识。随着90年代计算机技术和大规模集成技术的飞速发展，这样的课程设置已经越来越不相适应，必须从内容到体系都予以革新，使之具有一定的广度和深度。
1．改革的主要思路
（1）必须加强计算机硬件课程
21世纪初的电子系统将是以计算技术为核心的片上复杂系统，系统设计人员将成为集成电路的主要设计者。电类专业培养的工程师应不仅能编写程序使用计算机，还应能设计计算机硬件，所以关于计算机硬件的课程必须大力加强，让电类（非计算机）专业的学生初步掌握关于设计以专用计算机为核心的复杂系统所必需的基本知识，为学习有关专业课程打下良好与扎实的基础。
（2）必须加强对系统观念的培养和新设计思想、设计方法的训练
片上系统的设计从描述方法到设计思想都与传统数字电路的设计有别，应将教学的目标从设计和应用数字功能模块转换到设计数字系统上来，为此要加强对学生系统观念的培养和新的设计思想与设计方法的训练，同时精选核心内容，兼并、压缩或取消陈旧和重复的内容，组织综合性的课程，以提高教学效率和教学水平。
（3）计算机教学内容要相对稳定且具有先进性
计算机的发展日新月异，微机不断更新换代，技术不断推陈出新，计算机硬件课程只有反映最先进的技术才有生命力。如只用一种计算机作为背景机，就会永远跟不上微机的发展。另一方面，掌握基本原理和方法是使学生具有持续发展能力的保证，教学的内容应当以基本知识为主体并相对稳定。这是一对亟待解决的矛盾。为解决此矛盾，应在教学内容中强调计算机学科中核心概念的反复运用，强调抽象和设计的能力，而不强调具体机型、具体软件、具体语言的特殊属性，从而使计算机硬件教学既能保证基本内容相对稳定，又能反映最新的技术发展。
（4）加强综合的实践性环节
综合的实践性环节对于培养学生综合运用所学知识解决问题的能力和创造能力是至关重要的。门计算机课程除了要有适当的实验教学与课堂教学相配合外，还应当设置适当的综合实践性环节，并进一步改进实验方法，从以搭试、焊接为主过渡到以EDA为主，应特别加强以PSP ICE（包括EWB）、PLD为中心的EDA实验室的建立与完善。
2．改革后的课程体系
（1）改革后课程体系中的课程
根据以上的改革思路，我校所规划的计算机硬件课程的体系如下表：
其中“计算机结构与逻辑设计”和“微型计算机系统与接口”都是理论课程，与之相应的实践课程分别是“电路与数字逻辑设计实践”课和“微机系统与接口实践”课，这四门课程是我校电气、电子信息大类的技术基础平台课程的一部分；第五门“数字系统课程设计”课是信息电子工程专业（二级学科）的主干课程，目前电气工程、生物医学工程等专业也陆续开设了该课程；最后一门“计算结构”课是电子信息专业的限定选修课。
（2）各门课程的目的和任务
①“计算机结构与逻辑设计”课程
这是电气、电子信息专业大类的学生最早接触的技术基础课程之一，在该课程教学中，他们将学习数字电路的基础知识，基本分析方法和设计方法及各种基本逻辑模块的功能与应用，以及计算机的基本组成，计算机各组成方框的基本组织方法与电路结构，为学习其他计算机类课程和其他专业课程打下必要的基础。
不难看出，这是将“数字电子技术”与“计算机硬件组成知识”结合在一起而构成的一门新课。过去技术基础课程的程式为：电路基础（或电路分析）→模拟电子技术（或电子线路）→数字电子技术（或脉冲与数字电路）→其他计算机硬件课程，因而学生接触计算机硬件课程的时间较晚，在我们的课程体系中，数字电路课程安排在二年级上学期开出，比过去的开出时间超前了一年，从而使其他计算机课程得以相应提前，适应了21世纪对计算机教学的需要。
②“电路与数字逻辑设计实践”课程
虽然这是与“计算机结构与逻辑设计”理论课配套且同期开设的实践性课程，但其内容是相对独立的，包含基础性实验、设计性实验和综合性实验，并安排有EDA实验。由于实验的教学相对于理论教学应滞后一段时间，所以将其中的综合性实验（系统实验）安排在二年级下学期完成。
③“微型计算机系统与接口”课程
本课程的主要内容有：微机系统结构，微处理器，信息的存储与处理，总线与输入输出的接口与管理，指令与系统管理程序（以上为基础篇）；80x86微型计算机的构成，汇编语言设计及该系列的输入输出接口芯片，系统发展与应用（以上为实用篇）。学生学完本课程，应能设计计算机应用系统和较合理地使用计算机，为学习其他计算机课程和专业课程打好基础。
该课程大体相当于过去的“微机原理”课程，但有许多不同之处，其中最重要的区别是，不以某一个计算机为背景机，而是集中阐述各计算机共同的基本原理，特别注重系统的概念和接口的设计，并可不断增添关于新技术的内容，便于学生掌握最新计算机的原理与使用。
④“微机系统与接口实践”课程
本课程与“微型计算机系统与接口”课程同期开设，除了认识实验，应用实验，还包含一个综合实验，以提高学生的微机应用系统设计能力。
⑤“数字系统课程设计”课程
本课程的内容是用可编程器件实现的自顶向下的数字系统设计，属实践性环节的课程，课堂教学时间约占1／4（10学时），学生设计和在实验室调试时间约占3／4。设计有乒乓球游戏机，多层自动电梯控制器，复杂交通灯控制器，量程自动转换频率计等较大型的课题，并鼓励学生自选设计课题。通过本课程的学习和训练，学生可掌握数字系统的设计方法和可编程器件的使用。
⑥“计算结构”课程
本课程主要内容包括CPU的组织与性能、控制单元的操作与微程序控制、并行处理器的组织等，其中实验占18学时（总时数64），主要是设计制作CPU或计算机中的一些模块。学生通过学习和实验，可掌握设计CPU的基本知识，可自行设计简单的CPU。
本课程使用英语原文教材，并要求学生用英语回答问题，完成作业、实验报告和考卷，所以兼有“专业英语”课程的功效（信息电子专业不再设“专业英语”课程）。本课程虽是选修课，但历届选修的人数很多，约占该专业总人数的3／4以上，所以正考虑将它改为必修课程。
（3）课程之间的分工情况
以上6门课程共同组成一个框架，完成从基本知识到简单的计算机结构设计的全部硬件教学任务。它们之间的分工情况如下：
①“计算机结构与逻辑设计”与“微型计算机系统与接口”同样介绍计算机的硬件结构，前者只介绍指令在计算机中的运行，不涉及汇编语言和程序，后者则介绍指令在计算机中的运用。
②“计算机结构与逻辑设计”和“计算结构”都介绍如何设计计算机，前者只牵涉各个逻辑部件如何用数字电路实现，属入门课程，后者则从如何提高计算机的质量入手，介绍设计计算机的算法和新技术。
③“微型计算机系统与接口”和“计算结构”，一是从使用角度，要求学生建立计算机应用系统，一是从设计角度，要求学生能设计简单的CPU。
④“电路与数字逻辑设计实践”和“数字系统课程设计”同为数字电路和系统的实践课程，前者着重逻辑部件和极简单的系统，借以加强学生的系统观念，后者则偏重自顶向下的设计方法，并完成一个相当于过去在毕业设计中完成的课题的设计。在可编程器件应用方面，前者只要求学生了解可编程器件的基本使用方法，后者则要求学生掌握一种开发软件以及VHDL语言的使用。
由于课程体系的改变，以上课程与其他相关课程之间的分工也作了适当调整，例如原属于数字电路课程的门电路内部电路、脉冲电路等，因为都需要小信号放大的知识基础，故而将它们移植到随后开设的“电子电路基础”（模拟电路）课程中，而在“计算机结构与逻辑设计”课程中只涉及逻辑，即只讨论“0”和“1”，不再研究电压的量值和形状。
此外，与上述课程体系相配合的课程还有平台课“综合课程设计”等，在这些课程中，有意识地应用上述课程的学习成果，完成包含数字、模拟和计算机或单片机在内的系统设计。
3．对各课具体教学内容的改革
（1）“计算机结构与逻辑设计”课程
本课程的改革主导思想是：①加强系统观念的培养和系统设计方法的训练；②转变设计思想和设计方法；③加强工程意识的培养。
以前的数字电路课程以设计和应用数字功能模块为目的，学生学习以后缺少用模块构成系统的概念，为此在课程中引入计算机——这个最典型的数字系统，在介绍数字电路的基本模块和分析、设计方法以后，即按计算机的组成方框，逐个地介绍其基本结构和数字电路在其中的应用，这样，学生在学完本课程后既掌握了数字电路的基本设计技能，又熟悉了计算机的基本框架，为学习后续课程奠定了必要的基础。受低年级基础知识不足的限制，在本课程中一般不涉及某个具体的计算机电路，且着重讨论指令在计算机中的执行过程，而不讨论指令的运用，因此不涉及计算机的软件，必要时则以只有几条指令的模型机为例加以说明。
以前的数字电路课程中所介绍的分析方法和设计方法都是针对中、小集成电路的，其中有不少内容在现代数字技术中已经不再使用，因而将它们予以删除，代之以对大规模系统设计应用，特别是对EDA设计有效的新观念、新方法。例如，本课程对器件的介绍不再以TTL门、JK触发器为主，而是以CMOS门、D触发器为主，同时扩大了可编程逻辑器件的比例，对逻辑简化，时序逻辑电路的分析、设计都作了不同程度的删减，去掉了许多关于设计技巧的讨论，着重介绍其基本原理和现代设计的思想，引进并强调新的EDA描述方法（如VHDL语言等）和设计方法（如逻辑模拟等）。
（2）“电路与数字逻辑设计实践”课程
本课程涵盖了电路实验和数字电路实验，总学时为48，其中数字部分学时为32。改革的思路是：①增强设计性实验和综合性实验；②将以搭试、焊接为主的实验过渡为以EDA为主。
学生在给定的时间内将完成5～7个硬件实验、3个PLD实验和一个综合实验，所有实验都是设计性的，其中PLD实验是为了让所有电类专业的学生对EDA方法和逻辑模拟方法有一个初步的了解，对电子信息类专业的学生，其EDA设计能力主要在“数字系统课程设计”课程中培养。
（3）“微型计算机系统与接口”课程
本课程的主要改革思路是：①革除以某个具体计算机作为背景机的教学方法；②基本原理应相对稳定；③以合适的方式反映计算机的新技术。
为此，将本课程分为基本原理和系统与接口两部分并相对配合。前者解决基本概念与方法，如微机的系统结构、微处理器、信息的存储与处理、总线与输入输出、指令与系统管理程序等，其中也包括某些新技术、新方法，着重从原理上讲解，基本不涉及具体机型与系统；后者围绕80x86系统展开，包括80x86系统的最基本内容和新技术的发展，这里的基本内容指8086／8088系列处理器／接口芯片／汇编语言，同时在与基本内容比较的基础上引入技术的发展和应用，强调与系统、接口技术相关的软件开发环境及软硬件之间的关系，特别是基本系统管理软件（监控和操作系统）、基本I／O管理软件，软件开发／内存管理／设备驱动等程序。这样，可通过合理的组织和补充，解决32位机技术及其应用内容的教学问题，并可不断增添最新的内容，以适应计算机技术的发展。
（4）“微机系统与接口实践”课程
本课程主要突出：①综合性实验；②建立计算机应用系统。
实验内容包含一个认识实验，汇编语言与指令的应用，操作系统、系统功能、存储器、输入／输出可编程功能、接口功能、A／D与D／A以及通信的扩充与应用实验和一个综合实验。
（5）“数字系统课程设计”课程
本课程的指导思想是：①以实践为主；②介绍自顶向下的数字系统设计方法；③强化训练EDA设计方法。
为此，课程只安排1／4时间讲授TOP－DOWN设计方法，其余时间均用于实践。学生应能完成一个较复杂课题的设计任务，并逐步做到与计算机组织和设计的内容相结合。在本课程中，学生主要使用EDA工具进行设计，在PLD器件上实现，并学会使用VHDL语言。
（6）“计算结构”课程
本课程的指导思想是：①介绍计算机组织和设计的基本知识；②引入复杂系统设计的基本概念；③通过使用英语原文教材等措施，使学生英语阅读、写作方面受到较好的训练。
主要内容是在系统而全面地介绍计算机组织与结构（包括系统总线、内存储器、外设和操作系统支持）的基础上，讨论CPU性能设计，除了介绍整数浮点数运算、ALU、指令集、指令流水线、CPU结构与功能、RISC处理器、超标量处理器以及控制器的性能和微程序设计外，对当今热点研究领域中的许多最新技术成果，如Cache存储器组织，MESI协议等皆有详尽的讨论。它以Intel Pentium作为CISC处理器的典型产品，以Power PC作为RISC处理器的典型产品，从而将计算机组织与结构的基础知识与当代设计问题有机地联系在一起。
该课程安排有18小时实验，设计制作CPU或计算机中的一些模块。
以上是在我校电工电子基础课程教学内容和体系改革总方案中的一部分，经过几年的试点，已在全校所有电类专业推广。在下一个5年规划中，我们将对该课程体系和内容作进一步整合，使之更加适合21世纪计算机教学的需要。
（原载于《电气电子教学学报》，2001年第3期）
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