产教融合，在龙芯处理器上开发微机原理课程的教学思考

近年来，国内高校电子信息类相关专业对微机原理课程改革的呼声很高，但一直未能找到突破口。随着国际形势的变化，教育界有识之士希望将国产芯片引入专业课程的教学中。

一方面，为国内半导体上下游产业培养后备人才。另一方面，发展国内自主软硬件，提高为电子信息领域人才培养提供平台的能力。因此，通过与龙芯中科股份有限公司的深度产学合作，将国产龙芯处理器芯片引入到电子信息类专业的课程教学中，以达到专业课程的教学目标。

何宾老师直播讲座

上世纪80年代以来，国内电子信息专业的微机原理课程基本上都是基于Intel公司的8086处理器。核心技术在Intel公司，对于国内高校，即使用于教学也难以获取核心技术资料，因此对于技术原理，老师很难讲清楚，学生也很难去理解计算机的硬件应用。

并且，受时代限制，8086已经不适应现代的计算机信息技术的发展，不能满足课程教学需求。基于8086的处理器进行课程教学，目前很难找到相应的软件和硬件平台进行实践教学环节的支撑，无法实现学以致用的目标。

图片来自龙芯中科

何宾老师创新性地将龙芯处理器引入到微机原理的课程教学中，实现计算机系统软件和硬件系统的真正融合，既保留了传统的知识点，又能根据计算机技术的发展引入新的知识点，从而使学生掌握分析计算机系统的方法，为学生今后学习嵌入式系统课程和从事计算机方面的研发和维护工作打下良好的基础。

国内高校也在进行课程改革，现在大家装的国外Windows系统,平时图形化操作，如果没有图形编程就很难受，但图形化也使学生很少去了解内部的原理。微机原理的课程是基于原理，而不是应用，是关注硬件和软件、分析系统的方法。

微机原理课程的知识体系，图片来自何宾老师

FPGA可以实现传统的微机原理，一些高校老师基于ARM开源的Cortex-M0/M3，在FPGA上构建SoC。但Cortex-M0/M3实质还是MCU，MCU中的处理器和计算机系统中的处理器的硬件复杂度不在同一个量级，没有MMU、Cache、物理存储器、高速流水线、指令预测等，不能提供完全的硬件支撑，离计算机系统仍然有很大差距。

基于Arm的Cortex-M0/M3的课程教学，还只是基于MCU芯片的原理讲解，原理仍然不清楚，仍然讲应用。RISC-V最近在高校教育中非常流行，但RISC-V是国外大学开发的，背后还是由很多国外大公司控制，存在不确定性，未来很可能会限制核心技术资源。

学生教学应以原理为导向，应用是产业界的强项，不是老师的强项，产业界的人掌握最新的技术，但产业界的人不懂如何应用教学。龙芯平台可以让老师把计算机系统原理讲清楚，真正反映计算机系统发展的软件和硬件集成技术，具有自主可控的能力，可用于教学和学生学习。

基于开源的龙芯处理器核，可在FPGA构建SoC，可以通过龙芯GS232，能分析处理器的真正原理。龙芯处理器引入到教学课程中，可以把原理讲清楚，结合原理和应用，构成的软件和硬件，全面满足课程教学需求。

GS232核，图片来自何宾老师

龙芯的1B是基于龙芯GS232核，GS232的CPU核是开发出来的，对于要求较高的学校，也是能够满足教学需求。

龙芯处理器是自主可控的，学生可以看看计算机内部是如何实现的。1B学习套件提供龙芯处理器的关键资料，提供图形化开发工具LoongIDE，可以通过软件调试，看见软硬件交互。

龙芯GS232使用的是修正的哈佛结构，里面有两个ALU，有相关的乘法处理器处理乘法和除法指令，涵盖简单外设和复杂外设，完全够学生学习创新。

龙芯GS232处理器以HDL的形式提供高校教师教学，让学生真正知道CPU是怎样设计出来的，学清楚后，学生在研究生阶段急剧不需要再花时间学习微机原理，学生掌握到核心技术后，也可以应用到创新创业中。

1B学习套件，图片来自龙芯中科

龙芯1B平台，支持C语言和汇编语言的开发，集成了包括国产操作系统RT-Thread在内的主流操作系统。汇编语言是了解计算机硬件的最基本工具，用于分析底层硬件，也是高级语言C的接口。汇编语言使高级语言和底层硬件有一个呼应，可以降低学生学习C语言的难度。

1B的处理器支持RT-Thread、Linux系统等主流操作系统，有硬件开发套件，也支持应用开发，提供了大量的工业界的成功应用案例，可以面向不同专业和不同层次的学生开发学习。

图片来自龙芯中科

近期，教育部在呼吁课程思政，但是思政教育对于专业老师的要求很高，专业老师进行思政教育是有难度的。龙芯中科的思政教育是很不错的，有很好的思政教育资源，可以为课程教育提供丰富的素材，对当代青年来说是很好的思政教育，真正达到课程目的。

从龙芯发展历程可以看出，突破关键核心技术非常难，但核心技术关系国家安全，国家命脉，花钱买不来。龙芯团队耐得住寂寞，守得住初心，龙芯处理器经历20多年的发展，自立自强、自主发展，朝着正确的目标不断前进。

掌握关键核心技术，处理器安全是信息安全的基础，讲述课程中可以融入辩证唯物主义分析问题的方法，系统分析方法，软件和硬件的协同方法，矛盾论，进化论，方法论等等。

授课内容，图片来自何宾老师

何宾老师在去年十月份开始接触龙芯，为学生寻找软件和硬件平台，开始进行课程开发。预计今年九月份下旬，何宾老师团队就可以完成课程开发，满足3-4年的课程需求。

何老师开发的课程教学内容包括：计算机基础知识、数的表示和运算、龙芯软件开发工具、MIPS的指令集、龙芯1B处理器内核、汇编语言基础，异常机制和实现、C语言基础、外设原理和控制、DMA原理和实践、操作系统基础、操作系统Linux/RT-Thread，开发工具的部署、应用场景的实现。

2021年和龙芯中科开展第一批产学合作协同育人项目，开发并出版可用于微机原理课程教学的配套教材，在课程开发过程中，龙芯中科提供了大量的技术支持帮助和技术文档资料。学生在这个平台上学习微机原理，能够理解计算机的内涵和原理，有助于学生学习其它课程。

图片来自中国大学慕课官网

龙芯支持全套的Linux系统，现在何宾老师的学生在支持Linux的移植，在1B学习套件上进一步开发。之后，所有的教学资源到时会在平台上公开，可以在中国大学慕课上找到何宾老师的教学资源。