一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台

本发明涉及计算机教学，尤其涉及一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台。

背景技术：

1、计算机系统能力培养是计算机专业人才培养的核心，同时也是薄弱环节。计算机是一个由硬件和软件组成的庞大的复杂的系统，软、硬件知识相辅相成。实验教学除了教授学生常用的系统软件和应用软件知识，也应当着力关注软件的载体——计算机硬件，对计算机硬件的体系结构、组成及其核心技术进行深入学习，这样学生的计算机知识才能达到以完美的统一。

2、当前各个高等院校为了支持计算机硬件课程教学实验，都在使用教学实验箱。教学实验板是一个16位教学计算机，可满足《计算机组成原理》课程的教学实验，但它过于简单，学生仅仅是熟悉和使用该教学计算机，而不是根据计算机组成原理设计计算机，而且该16位教学计算机已经落伍，无法满足教学需求。还有一部分985高校提出计算机组成原理造“一台计算机”的口号，这样的高校大部分使用硬件编程并运用计算机组成原理，在可编程器件上(如fpga)进行计算机的设计，一个典型的产品是龙芯中科技术股份有限公司推出的教学实验箱，目前该实验箱可支持32位mips cpu的设计与实现，但由于该实验箱是面向“龙芯杯”竞赛设计的，教学实验考虑得不够充分，而且由于fpga资源的限制，无法支撑64位cpu的设计与实现，当前大部分pc是64位的，且该实验箱价格偏高，对于普通高校日常使用和维护存在经济性较弱的问题。随着技术的迭代演进，基于开源指令集架构的cpu(riscv)逐渐流行起来，也被产业界所广泛认可，世界顶级理工院校苏黎世联邦理工学院(eth)设计并使用了64位riscv cpu开发板，但由于它不是面向教学开发的，很多特点不适用于本科人才培养。

3、在实验设计上，多年以来,除了一些专业实例较强的高校外，大部分高校的计算机专业在硬件课程的实验内容上落后于现实人才培养需求。例如，《数字逻辑》课程仍然以门电路及中小规模集成电路为主,实验内容也把重点放在门电路和小规模集成电路的逻辑特性上，已经远远落后于当前以硬件描述语言为载体的市场应用方式；《计算机组成原理》课程则重点讲述简单cpu设计,实验内容也是以十几条指令的简易原型机为主，而且实验类型以认知实验为主，并没有加入设计环节，这样的实验内容使得学生难以深刻认识到计算机组成原理和数字逻辑的教学内容间的有机联系；《计算机体系结构》则主要讲述流水线、指令级并行、存储体系等内容,由于实验难度高,不少高校没有配套的实验，或者以仿真实验为主。有些实验箱虽然号称可以支持计算机体系结构课程实验，其本质上还是属于计算机组成原理的实验内容，真正体系结构方面较为核心的实验内容，如tlb、cache、流水线调度等,并没有在实验内容上得到体现。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中教学平台各门课程独立规划、衔接脱节，缺乏系统性和完整性、硬件课程通常突出原理性、分析式教学方法，缺乏工程性和实践性教学方法和学习简单实验方法，缺乏开发具有工程规模系统的实践的问题，而提出的一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台，包括硬件平台、软件平台和实验任务，所述硬件平台和软件平台的输出端均与实验任务相对应；

4、所述硬件平台包括开发板，所述开发板上设有输入设备、输出设备、fpga芯片和存储器，所述输入设备、输出设备、fpga芯片和存储器之间均通过总线双向连接，所述输入设备包括按键、手拨开关和多个输入接口；所述输出设备包括数码管、led灯、蜂鸣器和多个输出接口；

5、所述软件平台包括开发环境软件，所述实验任务包括《数字系统基础》任务、《计算机组成原理》任务、《计算机体系结构》任务和《硬件综合实训》任务。

6、优选地，所述fpga芯片的型号为kintex-7-xc7k325t，所述存储器型号为mt41k256m16tw。

7、优选地，所述手动开关为8×8阵列设置。

8、优选地，所述led灯为8×4的led阵列。

9、优选地，所述输入/输出接口包括以太网接口、hdmi接口、vga接口、usb接口和micro usb接口。

10、优选地，所述开发环境软件为vivado版本。

11、优选地，所述《数字系统基础》任务包括逻辑门电路、常见组合逻辑电路、组合逻辑电路分析与设计、rs触发器和jk触发器、同步时序逻辑电路设计与分析、2位十进制计数器和研究性实验。

12、优选地，所述《计算机组成原理》任务包括补码运算实验、alu实验、存储器实验、数据通路实验、微程序控制器实验和简单cpu实验。

13、优选地，所述《计算机体系结构》任务包括cpu指令集实验、cpu性能测评实验、tomasulo流水线实验、分支预测实验、cache实验和cache优化实验。

14、优选地，所述《硬件综合实训》任务包括简单32位cpu实验、定点整数乘除实验、浮点数运算单元实验、中断系统和axi总线与dma接口实验。

15、有益效果：

16、1.本发明中，通过硬件编程将计算机科学与技术及相关专业所涉及到的硬件课程串成“硬件一条线”，在一套实验箱上将硬件系列课程实践完全贯通，实验内容由浅入深、循序渐进、自成体系；

17、2.本发明中，《数字系统基础》课程通过设计系列硬件编程基础实验，培养简单数字系统的设计能力，从而为计算机系统的工程实现和后续课程学习打下必备的基础；

18、3.本发明中，《计算机组成原理》课程将计算机的各部分设计以硬件编程设计融入课程中，使学生能够针对计算机组成复杂工程问题提出合理的解决方案；

19、4.《计算机体系结构》课程通过硬件编程进一步优化cpu设计，提高学生计算机系统设计和研发能力；

20、5.本发明中，《硬件综合实训》课程作为学生综合能力检验的重要一环，通过硬件编程设计和实现独立运行的cpu，培养和强化学生硬件编程能力和体系结构的设计能力；

21、6.本发明中，硬件平台集成了包含kintex-7fpga芯片、mt41k256m16tw内存、各类数据接口等在内的各种硬件组件，能够支撑丰富多样、由浅入深的实验任务，涵盖了当前计算机及相关专业的4门硬件主干课程：《数字系统基础》、《计算机组成原理》、《计算机体系结构》、《硬件综合实训》的教学实验内容。

技术特征：

1.一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台，包括硬件平台、软件平台和实验任务，其特征在于：所述硬件平台和软件平台的输出端均与实验任务相对应；

2.根据权利要求1所述的一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台，其特征在于：所述fpga芯片的型号为kintex-7-xc7k325t，所述存储器型号为mt41k256m16tw。

3.根据权利要求1所述的一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台，其特征在于：所述手动开关为8×8阵列设置。

4.根据权利要求1所述的一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台，其特征在于：所述led灯为8×4的led阵列。

5.根据权利要求1所述的一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台，其特征在于：所述输入/输出接口包括以太网接口、hdmi接口、vga接口、usb接口和micro usb接口。

6.根据权利要求1所述的一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台，其特征在于：所述开发环境软件为vivado。

7.根据权利要求1所述的一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台，其特征在于：所述《数字系统基础》任务包括逻辑门电路、常见组合逻辑电路、组合逻辑电路分析与设计、rs触发器和jk触发器、同步时序逻辑电路设计与分析、2位十进制计数器和研究性实验。

8.根据权利要求1所述的一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台，其特征在于：所述《计算机组成原理》任务包括补码运算实验、alu实验、存储器实验、数据通路实验、微程序控制器实验和简单cpu实验。

9.根据权利要求1所述的一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台，其特征在于：所述《计算机体系结构》任务包括cpu指令集实验、cpu性能测评实验、tomasulo流水线实验、分支预测实验、cache实验和cache优化实验。

10.根据权利要求1所述的一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台，其特征在于：所述《硬件综合实训》任务包括简单32位cpu实验、定点整数乘除实验、浮点数运算单元实验、中断系统和axi总线与dma接口实验。

技术总结本发明公开了一种高校人才培养用计算机硬件实验教学平台，包括硬件平台、软件平台和实验任务，所述硬件平台和软件平台的输出端均与实验任务相对应；所述硬件平台包括开发板及相应配件；所述软件平台包括开发环境软件，所述实验任务包括《数字系统基础》任务、《计算机组成原理》任务、《计算机体系结构》任务和《硬件综合实训》任务，本发明中通过硬件编程将计算机及相关专业所涉及到的硬件课程串成“硬件一条线”，在一套实验箱上将硬件系列课程实践完全贯通，改变当前“一门课程一套实验箱，只做仿真缺实践”的课程体系现状，遵循人才培养循序渐进的规律，同时兼顾系统能力培养。技术研发人员：李宗辉,赵守强,景丽萍,贾卓生,李文波,牟宏伟受保护的技术使用者：北京交通大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5