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ＰＬＤ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)