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モデルコンピュータを用いたハードウェア／ソフトウェア 設計教育の試み
モデルコンピュータを用いたハードウェア／ソフトウェア 設計教育の試み 隆＊ 太田 ＊ 鹿股 昭雄＊＊ 力武 仙台電波工業高等専門学校 ＊＊ 仙台電波工業高等専門学校 克彰＊＊ 教育研究支援室 情報工学科 概要 コンピュータの動作を学ぶ上でコンピュータアーキテクチャとシステムプログラムを 理解することは必須である。本校情報工学科４年生の「ディジタルシステム設計」の授業で は、モデルコンピュータＣＤＥＣ＊１を用いコンピュータアーキテクチャとシステムプログラ ムの理解と比較的規模の大きなハードウェア・ソフトウェアの設計、実装技術の教育をめざ している。本稿は主にシステムプログラムを理解するための「アセンブラ設計・実習」につ いて紹介する。（＊１：ＣＤＥＣ Computer Design Education Computer） 1. はじめに ＤＥＣの構成図でありデータパス部と制御部の 二つのボードから構成される。制御部はＰＬＤ （GAL20V8）１６個で構成されており、ここに 命令のロジックが定義されおり基本的な命令は すでに実装されている。このＰＬＤに命令ロジッ クを追加することにより標準命令には無い新た な命令を追加できる。 コンピュータの基本を理解する上でハードウ ェアとソフトウェアをバランスよく学ぶことは 非常に大事である。しかしそのバランスをとるこ とはむずかしく、それぞれ別な教材・課題で行わ れることが多くハードとソフトとの繋がりを意 識した学習を行うことができない。 「ディジタルシステム設計」の授業では、モデ ルコンピュータＣＤＥＣを用いることで、ハード ウェアとソフトウェアの両分野を連携させた学 習を実施している。ハードウェアの教育としては、 ＣＤＥＣのアーキテクチャを理解した上で、新た な命令を各自が設計追加する実習を行う。一方、 ソフトウェアの教育としては、ＣＤＥＣで動作す る機械語用アセンブラの設計・実習を行っている。 同一教材を用いることによりハードウェア・ソフ トウェアといった意識にとらわれずにコンピュ ータの基本動作を理解できると考えられる。 3. 2. ＣＤＥＣの概要 ＣＤＥＣは、コンピュータの内部構造および動 作原理を学習するために 1998 年に仙台電波高専 と群馬高専が共同で開発した教育システムであ る[1]。できるだけ学生への透明度をもたせるため に TTL と SRAM およびＰＬＤで構成した。また、 教育用のテキストも同時に刊行した[2]。図１はＣ Data Path Board ・内部１バス方式 ・PC IR FR GRx3 ・MM256 バイト 図１ Control Board ・ PLDx16 ＣＤＥＣの構成図 授業の進め方 授業の前半３分の１はクラス全員でアーキテ クチャと動作原理、内部構造、アセンブラなどコ ンピュータの基礎を講義で学ぶ。後半３分の２は クラスを半分にわけ、表１に示すようにグループ Ａは「制御部設計実習」と「アセンブラ設計・実 習」の順に、グループＢは「アセンブラ設計・実 習」と「制御部設計実習」の順にそれぞれ実習す る。 制御部設計実習ではＣＤＥＣにプログラムを 入力しクロックパルスを手動で１クロックずつ 進めながらフェッチサイクル、命令ステート数、 各レジスタの動作・役割を理解する。あらかじめ 実装されている標準命令を理解した後、各自追加 命令を考案し、その制御信号用のロジックをＰＬ Ｄに焼付けＣＤＥＣに実装し動作を確認する。 コマ No. 形態 1～10 講義 11～20 21～30 実習 実習 授 業 内 容 ・ コンピュータのアーキテクチャと動作原理 ・ 制御部の構成とその設計法 ・ アセンブラの処理内容と設計法 （A グループ） （B グループ） 制御部設計実習 アセンブラ設計実習 ・基本命令の動作確認 ・Ｐａｓｓ１の設計・作成 ・追加命令の設計 ・Ｐａｓｓ２の設計・作成 アセンブラ設計実習 制御部設計実習 ・Ｐａｓｓ１の設計・作成 ・基本命令の動作確認 ・Ｐａｓｓ２の設計・作成 ・追加命令の設計 表１ 表１ 授業の流れ 授業の進め方 4. アセンブラ設計・実習（ソフトウェア） ４．１ アセンブラ設計・実習の概要 アセンブラ設計・実習ではＣＤＥＣアセンブリ 言語を機械語に変換するための「アセンブラ」を 設計し作成する。 実習はガイダンス、設計、作成、リーフレット 作成、最終発表という流れで行う。ガイダンスで は代表的な変換アルゴリズムである２パス方式 を説明する。２パス方式はアセンブラソースプロ グラムを２回走査し機械語に変換する方式で、１ 度目の走査（パス１）ではラベルのアドレスをテ ーブルに格納する、２度目の走査（パス２）では 命令を機械語へ変換と、ラベルを参照している命 令においては１度目の走査で作成したテーブル を用いて機械語を完成させる方式である。学生は それらをヒントにアルゴリズムを考案、設計し、 アセンブラの作成を行う。また品評会を行い、学 生は各自が作成したアセンブラをリーフレット を用いてアピールする。最終発表では実際に作っ たアセンブラを実行し各自の工夫点などを発表 する。レポートは中間と最終に提出する。 学生はアルゴリズムの考案から設計、データ定 義、工程管理、文書化などアセンブラ作成の一連 の作業を行う。各自自由に設計、作成することで システム開発能力の向上と多数の情報をいかに 形あるものにコーディネートしていくか、またそ れをいかにアピールするかを体験する。 ＣＤＥＣ制御部に命令を追加できることを意 識させ、アセンブラ設計・実習においても命令の 追加が容易にできるようプログラムの拡張性や 保守性といったソフトウェアの性能についても 配慮するように指導している。 ４．２ アセンブラ設計・実習の特徴 特徴１：アルゴリズム、言語は自由 学生は、２パス方式をヒントに変換アルゴリズ ムを考案し、設計、プログラミング、デバッグし て完成させる。開発環境もＵＮＩＸ端末や Windows PC の選択も自由であり、使用する言語 もＣ言語、JAVA、Perl、AWK など自由である。 特徴２：発表会で意見交換 授業２回に１回程度で発表会を行う。１回の発 表会につき４，５人選出し１人５分程度で、現在 の状況やうまくいかずに困っている点などを発 表させる。発表後は質疑応答のほか学生間での意 見交換、指導者からの助言を得るための時間を取 る。 特徴３：日報で進捗状況の把握 毎回授業の終わりには日報を提出してもらう。 日報にはその日の作業内容、次回の作業内容、質 問などを記入しファイリングしておく。毎回授業 の始まりに各自ファイルを見て今回の作業の確 認、進度の調整、疑問点などを確認して作業に入 る。指導者は日報により、各学生の進捗状況を確 認し、必要に応じてアドバイスを記入しておく。 特徴４：リーフレットの作成 最終発表の前に各自の作成した「アセンブラ」 をアピールするリーフレットを作成する。機能の 説明やネーミング、コピー、配色、配置、字体、 大きさなど工夫をこらしＡ４に表現する。リーフ レットは掲示しお互い評価しあう。 特徴５：最終発表 最終発表はクラス全員で行う。どんなアルゴリ ズムを考案したか、ユーザーインターフェースは どうかなどプロジェクターを用い実際に動作を 確認しながら行う。 ４．３ 作成されるアセンブラの実際 実際に学生はどのようなプログラムを作成し ているか紹介する。 １：選択されている言語 Ｃ言語が７割程で、のこりは JAVA や Perl その他の言語であった。 ２：開発環境 ＵＮＩＸ端末での作成が８割程であるが、それ ぞれ研究室のＰＣや自宅ＰＣを用いるケースも あった。 ３：アルゴリズム ９割程の学生は２パスまたは２パスの変形を 用いている。その他ではパス１で命令を機械語に 変換し、パス２でラベルのアドレスを埋めていく といった通常の２パス方式とは逆のアルゴリズ ムで作成した学生もいた。 ４：機械語への変換部分 ４割程の学生は命令の語長の計算と機械語へ の変換はテーブルを用いており、命令の追加が容 易にできるよう工夫している。残りはプログラム コード中に直接「if ～else～」文により命令を変 換する手法をとっており拡張性・保守性にかける ものとなっていた。 ５：エラー対処、エラー処理 入力されるアセンブラソースプログラムには エラーが考えられる。７割程の学生はエラーを１ 種類、あるいは数種類のエラーを検知しメッセー ジを出力するプログラムを作成している。一方３ 割程の学生はエラーにまったく対応できていな い。 ６：ユーザーインターフェース アセンブラソースのファイル名の入力方式は 会話型やコマンドラインから入力する方式が多 数であった。過去には JAVA を用い、ウィンドウ を複数開きリアルタイムでアセンブルし文字の 色を変えて完了・未定・エラーなど表示するパッ ケージソフト並みのアセンブラを作成した学生 もいた。最近では、インターフェースにＰＨＰを 用いファイルの読み込みをウィンドウからマウ スで選択させ内部の処理は Perl で行うといった、 Ｗｅｂ環境によるアセンブラを作成した学生も いた。 5. おわりに 授業「ディジタルシステム設計」では、ハード ウェアとソフトウェアの両分野を関連させた教 育を行っている。本稿では、主にソフトウェア教 育であるアセンブラ設計・実習について述べた。 ソフトウェア教育の教科において、自由課題とし て自由にプログラムを作るといった例があり教 育効果を上げているが、本授業は目の前にモデル コンピュータＣＤＥＣがあり、標準命令にはない 新たな命令を追加することができ、しかもその命 令をアセンブルするアセンブラを作成すること が特徴であり、教育効果はさらに高いと思う。 長期間にわたる課題は「手をつけられない」や 「さぼり」などの問題も発生するが、発表やディ スカッション、日報をうまく活用することで、学 生同士の積極的なコミュニケーションを促し、学 習達成度の底上げを図っている。 まず、各自に考えさせ形あるものを作らせ、そ れが他の人とどこが違うのか理解させることが 大事である。今回作成したアセンブラの機能は低 くても、プログラミングする上で設計の重要さや 質の良いプログラムとはどんなものか理解でき ればこの授業は意義があったものと思う。 これからも工夫を重ね有意義な授業になるよ う努力していきたい。 6. 参考文献 [1]木村,鹿股：命令の追加・変更可能な教育用コ ンピュータシステムの開,電子情報通信学 会,D-I,Vol.j81-D-I,No.12,pp1241-1248(1998) [2]木村真也,鹿股昭雄：コンピュータの原理と設 計,日刊工業新聞社、東京(1996) [3]鹿股昭雄,太田隆：モデルコンピュータに基づ く比較的大規模なハードウェア／ソフトウェア 設計教育の試み,論文集「高専教育」第３０ 号,pp.377-382(2007)