基于軟件模擬的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)

虞飛華，朱錫瑞，鄭 韜

（浙江樹(shù)人學(xué)院 信息科技學(xué)院，浙江 杭州 310015）

基于軟件模擬的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)

虞飛華，朱錫瑞，鄭 韜

（浙江樹(shù)人學(xué)院 信息科技學(xué)院，浙江 杭州 310015）

本文分析了計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)算術(shù)與邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn)的原理，以面向?qū)ο蟮乃枷耄柚趫D形/圖像和模擬技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)軟件模擬模型的設(shè)計(jì)。通過(guò)課堂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，模擬模型對(duì)比TDN-CM+實(shí)驗(yàn)箱的操作減少了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的出錯(cuò)率，也提高了有限課堂時(shí)間內(nèi)的實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M；計(jì)算機(jī)組成；面向?qū)ο?/p>

一、引言

“計(jì)算機(jī)組成原理”課程是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)核心專(zhuān)業(yè)必修課，該門(mén)課程的理論性、工程性、實(shí)踐性都很強(qiáng)。因此，在搞好課堂教學(xué)的同時(shí)，必須對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)給予足夠的重視，把實(shí)驗(yàn)教學(xué)看作是提高學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)施素質(zhì)教育的一個(gè)途徑。目前，我校采用的是西安唐都科教儀器公司的TDN-CM+實(shí)驗(yàn)箱，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，由于實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)綜合、電路復(fù)雜、元器件多、連線密度高、操作步驟邏輯性強(qiáng)、調(diào)試?yán)щy等原因[1]，都會(huì)造成獲得預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果的周期長(zhǎng)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果的失敗，從而影響課堂時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出的效果，同時(shí)也影響了學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)的積極性。

綜上所述，本研究提出了面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的軟件模擬，以面向?qū)ο蟮乃枷耄柚趫D形/圖像和模擬技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、操作對(duì)象、操作過(guò)程，達(dá)到減少實(shí)驗(yàn)結(jié)果周期、降低實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程出錯(cuò)率的研究目標(biāo)。

二、系統(tǒng)模擬總體設(shè)計(jì)思想

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)軟件模擬系統(tǒng)主要包含輸入模塊、控制模塊（實(shí)驗(yàn)處理模塊）、輸出模塊，其中輸入、輸出模塊是直觀的顯示模塊，控制模塊是由一個(gè)或若干個(gè)功能芯片組成的一個(gè)功能模塊。[2]因此，以面向?qū)ο蟮乃枷耄梢詫⒚總€(gè)功能芯片設(shè)計(jì)成一個(gè)Public功能函數(shù)，然后在軟件模型中直接調(diào)用一個(gè)或多個(gè)芯片的功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)特定的控制模塊功能。輸入、輸出模塊相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)輸入、輸出一般都以4～8位的二進(jìn)制方式給出，為了更好地讓學(xué)生理解二進(jìn)制在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的運(yùn)算規(guī)則，設(shè)計(jì)采用以一個(gè)8位數(shù)組表示8位二進(jìn)制的方法，通過(guò)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)若干位二進(jìn)制的邏輯運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算，模型模擬采用面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)工具Delphi來(lái)實(shí)現(xiàn)。

三、建模過(guò)程

1.實(shí)驗(yàn)原理

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，本研究為了更加具體地達(dá)到建模的效果，以計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中的算術(shù)邏輯運(yùn)算驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為初步建模對(duì)象。

算術(shù)邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通路圖如圖1所示，主要包含兩個(gè)74LS181芯片、兩個(gè)74LS273芯片、一個(gè)74LS245芯片，74LS181芯片為8位字長(zhǎng)的運(yùn)算器，74LS273芯片為8位字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)暫存器，74LS245芯片是一個(gè)三態(tài)門(mén)，用來(lái)控制總線上的數(shù)據(jù)輸出。[3]

算術(shù)邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程是通過(guò)輸入開(kāi)關(guān)形成2個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)分別置入DR1（74LS273芯片1），DR2（74LS273芯片2），然后通過(guò)改變運(yùn)算器的控制位，觀察運(yùn)算器輸出在總線的結(jié)果。

2.輸入輸出模塊的模擬

算術(shù)邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn)的輸入輸出都通過(guò)8個(gè)發(fā)光二極管來(lái)顯示，燈滅為1，燈亮為0，因此，可以從二極管位置定位與二極管顯示狀態(tài)控制，這兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入輸出的模擬功能，二極管位置定位在Delphi開(kāi)發(fā)平臺(tái)中可以由數(shù)學(xué)函數(shù)Sqr函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，二極管顯示狀態(tài)可以通過(guò)圖像筆刷函數(shù)ImageDrawRound與ImageClearRound來(lái)實(shí)現(xiàn)。[4-6]

第一步，通過(guò)圖形設(shè)計(jì)工具PhotoShop設(shè)計(jì)8個(gè)二極管顯示燈圖片，如圖2所示。在程序窗口中，通過(guò)Image控件來(lái)布置8個(gè)二極管圖片，用坐標(biāo)來(lái)定位某個(gè)二極管所在位置。在輸入模塊中，假設(shè)鼠標(biāo)點(diǎn)擊在窗口中的坐標(biāo)為（X，Y），一個(gè)圓形二極管的圖片半徑為Z，那么可以根據(jù)第N個(gè)二極管坐標(biāo)范圍Sqr（X-N*Z）+Sqr（Y-Z）<=Sqr（Z）來(lái)判斷當(dāng)前鼠標(biāo)點(diǎn)擊選中的是D7到D0當(dāng)中的哪個(gè)二極管顯示燈，通過(guò)鼠標(biāo)動(dòng)作事件轉(zhuǎn)換當(dāng)前二極管顯示狀態(tài)。顯示燈區(qū)域坐標(biāo)得到準(zhǔn)確定位，就可以用ImageDrawRound函數(shù)與ImageClearRound函數(shù)控制顯示燈的亮、滅狀態(tài)，具體算法如程序代碼清單1所示。

代碼清單1：

同理，可設(shè)計(jì)輸出模塊中的顯示燈模擬、控制模塊中的控制燈模擬，在代碼清單1中舉例的是第一個(gè)二極管的輸入顯示控制，InputDR1[]表示一個(gè)數(shù)組，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器DR1的存儲(chǔ)功能，用來(lái)存放輸入的第一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)。

3.控制與運(yùn)算模塊的模擬

在算術(shù)邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn)中，分別由74LS181的控制位S3、S2、S1、S0、M、Cn 來(lái)控制 74LS181運(yùn)算器的運(yùn)算方式。控制位 S3、S2、S1、S0、M、Cn 也是一組二極管顯示燈，可以用3.2輸入輸出模塊模擬的設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)。74LS181運(yùn)算器的運(yùn)算方式分為無(wú)進(jìn)位算術(shù)運(yùn)算、有進(jìn)位算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算，分別通過(guò)6個(gè)控制位控制，參見(jiàn)表1所示，因此需要多個(gè)條件算法設(shè)計(jì)74LS181運(yùn)算器芯片的功能。

表1 74LS181邏輯功能表

74LS181邏輯功能總共有16種邏輯功能，因篇幅限制表1只列出一部分的功能。通過(guò)表1分析可知，A與B代表的是圖2中InputDevice模塊輸入的2組8位二進(jìn)制數(shù)，F(xiàn)是運(yùn)算器的結(jié)果，在6個(gè)控制位的控制下，出現(xiàn)不同的運(yùn)算規(guī)則，因此設(shè)計(jì)一個(gè)74LS181芯片的功能函數(shù)包含具有16種邏輯功能子過(guò)程，在軟件模擬模型中得到TDN-CM+實(shí)驗(yàn)箱正確操作得到結(jié)果相一致，那就說(shuō)明74LS181芯片軟件模擬是可行的。

詳細(xì)分析表1的運(yùn)算規(guī)則，每組運(yùn)算都是以下幾個(gè)運(yùn)算的組合：非運(yùn)算、與運(yùn)算、或運(yùn)算、異或運(yùn)算，根據(jù)它們的運(yùn)算規(guī)則，可以設(shè)計(jì)如表2所示的程序算法達(dá)到對(duì)應(yīng)運(yùn)算的功能。

表2 運(yùn)算規(guī)則與算法設(shè)計(jì)表

基于表 2，結(jié)合表 1，就可以根據(jù)控制位 S3、S2、S1、S0、Cn、M的控制條件，設(shè)計(jì)出相對(duì)應(yīng)的算術(shù)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算的運(yùn)算組合，然后把最終結(jié)果存儲(chǔ)在一個(gè)輸出數(shù)組中，最后通過(guò)3.2小節(jié)輸入輸出模塊模擬的設(shè)計(jì)思路，把運(yùn)算結(jié)果顯示在總線上的8個(gè)二極管顯示燈中，達(dá)到TDN-CM+實(shí)驗(yàn)箱的同等顯示效果。

四、研究總結(jié)

本文通過(guò)計(jì)算機(jī)組成原理算術(shù)與邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn)的原理分析，以面向?qū)ο蟮乃悸罚脠D形/圖像的可視方法進(jìn)行了系統(tǒng)模擬。軟件模擬模型在計(jì)算機(jī)組成原理課堂實(shí)驗(yàn)中輔助TDN-CM+實(shí)驗(yàn)箱操作實(shí)驗(yàn)起到了很好的作用，并且驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果準(zhǔn)確高效。在今后的研究中，以模擬具體實(shí)驗(yàn)為步驟，逐步完善整個(gè)TDN-CM+實(shí)驗(yàn)箱的模擬功能。

[1]周克峰，楊軍，孫靜，謝戈.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的模擬技術(shù)研究[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，13（3）:236-240.

[2]楊小龍.計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[3]盧賢玲，楊艷，李景峰.計(jì)算機(jī)組成原理網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建模與實(shí)現(xiàn)[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào),2006,38（3）:39-42.

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（編輯：金冉）

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A

1673-8454（2012）03-0069-03