试述面向计算机系统能力培养《数字逻辑》课程教学改革

论文导读：
摘要：本文从计算机系统能力培养的角度出发，分析了《数字逻辑》这门课程在系统能力培养过程中的作用与地位，讨论了这门课程教学改革的一些具体措施，强调了利用EDA技术培养实践能力的重要性。
关键词：数字逻辑；系统能力；EDA；教学改革
1674-9324（2014）06-0148-02
《数字逻辑》是计算机及电子信息类专业的一门必修专业课程，是学习计算机硬件系列课程的基础，同时是一门实践性、技术性很强的基础课。随着现代数字电子技术的发展，《数字逻辑》这门课程的教学目标和教学策略也需要不断地调整变化。对于计算机专业的学生而言，学习这门课程的主要目标是为后续计算机硬件系列课程的学习奠定基础，因此，在具体教学内容方面与电子类专业的数字电子技术类课程应该有所区别。本文从计算机专业学生系统能力培养的角度来探讨《数字逻辑》课程的内容调整等教学实践中的一些理由和做法。

一、计算机系统能力培养的内涵与相关课程体系

计算机系统能力指的是对计算机系统进行分析、设计、调优和检错的能力[1]。从本科教学的角度来看，计算机系统能力培养需要包括如下内容：
1.培养学生建立起单机计算机系统（硬件+软件）的整机概念，全面理解计算机系统的层次结构，深入理解操作系统和硬件之间的分工和衔接关系；
2.理解高级语言程序与指令集结构（ISA）和操作系统之间的关系，譬如高级语言语句与具体指令的对应关系、变量（常量）在机器中的表示和存放、嵌套和递归等机制在指令级的实现、堆/栈的结构和动态存储分配机制、程序中的I/O操作和涉及到的系统调用过程等等内容。
3.理解指令在计算机硬件上的执行过程，包括算术逻辑运算部件以及运算指令执行过程、层次化存储结构（Cache、TLB、RAID等）以及访存过程、I/O结构（I/O外设和接口、BUS、网络等）以及I/O过程等。
4.理解构成计算机硬件的基本电路特性和设计策略，具体内容包括布尔代数、逻辑门电路、FPGA和HDL以及集成电路的功耗、延时等概念。
计算机系统能力培养包括计算机软硬件方面的内容，涉及到的课程有《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《微型计算机技术》、《计算机体系结构》、《操作系统》和《编译原理》等。这些课程之间存在着紧密的内在联系，因此，需要在统一的指导思想和培养目标下，全方位系统地构建相关课程的教学内容和实验教学方案，统一规划教学内容，将计算机系统讲深讲透。

二、《数字逻辑》课程教改的几点举措

1.面向计算机系统能力培养的总体目标，在《数字逻辑》课程教学中注意培养学生的计算机整体系统观，使课程的教学更适应计算机专业的要求。从图1可以看出，《数字逻辑》这门课程在系统能力培养过程中处于面向计算机系统能力培养的《数字逻辑》课程教学改革由专注毕业论文与职称论文的www.7ctime.com提供,转载请保留.基础底层，学生对于这部分内容的掌握影响后续课程的学习和对计算机系统底层硬件运转过程的理解。因此，需要在培养计算机系统能力的总体目标下，统一规划相关课程的教学内容，循序渐进地培养学生的系统能力。可以采取从底层到高层螺旋式上升的课程体系，也可以采取从高层到底层自顶向下的课程体系，还可以先从高层（应用程序与算法）和底层逻辑电路两头开始，再到中间核心层的课程体系结构。
2.注意不同课程之间的内容衔接，授课内容面向后续课程的教学，同时注意避开重复。在《数字逻辑》课程教学中，可以选用《计算机组成原理》等后续硬件类课程的内容作为电路设计案例。通过这样的案例设计，不仅巩固了课程教学内容，而且有利于后续课程的学习。由于《数字逻辑》与其它硬件系列课程如《微型计算机技术》、《计算机组成原理》、《计算机系统结构》的内容联系紧密，相互交叉，因此，需要统一规划协同相关内容，避开重复。
3.突出课程教学重点，简化但不摒弃器件原理等基础知识。《数字逻辑》课程内容的重点在于介绍器件应用和数字电路的分析和设计策略，由于受到总课时的限制，对涉及到器件工作原理和其内部电路结构的内容需要简化。但是需要注意的是，简化并不是简单地摒弃，对于课程学习中涉及到的基础知识，必须有所交代和介绍。由于计算机专业大都不开设《模拟电子技术》之类的工科基础课程，因此，学生对于分立元件及其内部工作原理知之甚少，这并不利于《数字逻辑》课程的学习。所以，在课时分配上，需要对二极管、三极管的开关特性、简单门电路的工作原理有所交代。在遴选教材时，可以选择以中规模集成电路芯片应用为主、适当兼顾器件基础知识的教材；而那些以分立元件为主、过多强调内部工作原理的教材则不太适用于计算机专业的教学。
4.充分利用EDA技术，培养学生利用硬件描述语言设计数字系统的能力，为计算机系统能力培养奠定基础。随着现代可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）和电子设计自动化（EDA）技术的飞速发展，数字电子系统设计与实验的方式正在发生变化，越来越多的高校开始将EDA技术引入到《数字逻辑》等课程的实践教学环节[3]，用硬件描述语言等完成数字系统设计，然后由计算机将设计文件进行编译化简、综合、优化布局和仿真，最终完成逻辑编译过程，从而得到和硬件实验十分接近的最终实验结果。基于EDA技术的实验简化了传统数字逻辑设计实验在硬件连接过程中的消耗，节约了实验设备和实验时间，提高了学生的自主动手能力。在将EDA技术引入到《数字逻辑》课程的实践教学环节时，不要孤立、片面地看待理由，而是要以系统的、联系的和发展的观点进行教学，从培养现代计算机系统设计和应用能力的角度出发，全面深入地认识EDA技术对于后续课程学习和系统能力培养的重要作用。当前国内外许多一流大学已经以EDA设计知识为基础，在FPGA实验板上设计流水线CPU和I/O电路，从而全面培养学生的数字系统设计和CPU设计能力。例如，可以通过《数字逻辑》、《计算机组成原理》、《操作系统》和《编译原理》等课程的学习，逐步让学生完成一台完整计算机的设计，包括在FPGA实验板上独立设计CPU，完成基本的MIPS指令（多周期CPU方式），进而借助于论文导读：
板上SRAM，在设计完成的机器上实现操作系统和编译器。可以看出，《数字逻辑》课程重在培养学生使用HDL语言进行计算机硬件设计的能力，在此基础上可以帮助学生深入理解操作系统和硬件之间的分工与衔接关系，为分析理解操作系统功能或开发操作系统软件打下坚实基础。
《数字逻辑》是一门实践性较强的课程，随着FPGA技术和EDA技术的应用普及，数字系统的设计具有了极大的灵活性。基于硬件描述语言，在FPGA实验板可以设计验证基本逻辑门电路，进而到各种复杂程度不一的数字系统，直至在FPGA实验板设计验证完整的CPU和I/O电路，实现计算机系统硬件的设计，在此基础上可以完成计算机指令系统、操作系统和编译器的设计，使学生能够建立单机计算机系统（硬件+软件）的整机概念，全面理解计算机系统的层次结构，从而培养计算机专业学生的系统能力。但是对于计算机专业的学生而言，初学《数字逻辑》这门课程时，缺乏一些前导课程的学习，需要讲授较多的理论知识，对于硬件描述语言的学习和数字系统的设计验证则不可能在有限的实验教学时间内完成，因此，可以考虑单独设置一门数字系统设计类型的实践课程，作为《数字逻辑》和《计算机组成原理》的实践内容，在FPGA实验板上用硬件描述语言实现从简单数字系统到完整的CPU和I/O电路的设计验证，为后续能力的培养奠定坚实基础。
参考文献：
[1]袁春风.计算机组成与系统结构[M].北京：清华大学出版社，2011.
[2][美]M.Morris Mano，Charles R.Kime，著.逻辑与计算机设计基础[M].邝继顺，等，译.北京：机械工业出版社，2012.
[3]刘新元，谢柏青.改革数字逻辑电路实验培养创新人才[J].中国电力教育，2009，（134）：156-157.
[4]刘浩斌.数字电路与逻辑设计[M].北京：电子工业出版社，2007.
[5]罗力凡，常春藤.基于VHDL的FPGA开发快速入门技巧实例[M].北京：人民邮电出版社，2009.
作者简介：杨新凯（1971-），男，博士，副教授，主要从事计算机制约系统、网络性能优化与信息处理方面的教学和科研。