在工程教育专业认证、国家级一流本科专业建设、新工科建设等高校人才培养教育改革的推动下[1-3]，教育部计算机类专业教学指导委员会积极推进计算机系统能力培养改革[4-9]。其中，流水线CPU设计能力是计算机系统能力培养的一项核心能力[10-11]。功能较为完备的流水线CPU设计是一个复杂工程问题，涉及数据冲突解决等多项关键技术。原有的流水线CPU设计实验面临三大挑战：一是CPU内部微观结构和指令执行过程不可见，无法直观展示流水线CPU设计中数据冲突解决关键技术如数据前递、流水线暂停等的基本原理，影响了问题理解和原理掌握的效率。二是EDA工具安装和使用烦琐，流水线CPU运行的正确性完全依赖人工检查，影响了流水线CPU设计与实现的效率。三是由于实验学时有限，学生在完成单周期CPU设计的基础上开展计算机组成原理课程设计，实现理想流水线CPU完成度较高，但是实现具有数据冲突解决能力的流水线CPU的完成度却非常低。这三个挑战导致流水线CPU设计实验在原有实验模式下很难在本科教学中全面展开。

　　2017年7月，教育部印发的《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》对虚拟仿真实验教学项目的建设目标、建设内容、建设规划和建设方式、组织管理做了详细的说明，要求以完成教学要求和内容为目标，综合运用多种信息化、智能化技术手段，提高实验教学项目的吸引力和教学有效度[12-13]。其中，北京理工大学设计的一条指令执行过程演示的虚拟仿真实验，对教学起到了很好的辅助作用;北京邮电大学设计的计算机组成虚拟仿真实验项目—从高级语言到门电路，也对学生系统观的建立起到良好的促进作用。借助虚拟仿真技术，为了提高流水线CPU设计实验“教”“学”效率，提升学生计算机系统能力和复杂工程问题解决能力，北京科技大学自主创新研发了以微观具象、高阶综合为特色，从原理导学到工程实践的“一站式”流水线CPU关键技术虚拟仿真实验教学平台(简称平台)。该平台支持汇编程序、硬件描述语言程序自动评测[14]，以计算机系统能力培养为目标进行实验内容设计，解决计算机专业教学中“轻实践、缺关联、少综合、无系统观”的问题，提升学生的计算机系统实践能力，培养学生解决复杂工程问题的思维和能力[15]。

　　1 平台设计与实现

　　2 平台特点

　　3 结语

　　以微观具象、高阶综合为特色的从原理导学到工程实践的“一站式”流水线CPU关键技术虚拟仿真实验教学平台，融合了具有自主知识产权的MIPS汇编器、五级流水线CPU模拟器、具有冲突处理功能的五级流水线CPU开源框架，构建了学生可自主学习、自动检测的闭环学习实践系统，大幅提高了流水线CPU设计实验效率。该平台具有教学性、先进性、创新性、综合性和可扩展性等特性，具有较好的推广使用价值。

　　参考文献

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何杰 张磊 齐悦 姚琳 单柳昊　北京科技大学计算机与通信工程学院