計算機組成原理實驗教學改革探討

王小林++侯漠++胡曉婷

摘 要：本文首先分析了當前計算機組成原理實驗教學現狀及存在的問題，實驗教學在計算機組成原理教學環節的重要作用，然后提出了計算機組成原理實驗教學的改革思路，最后進行了總結。

關鍵詞：實驗教學 計算機組成原理 實驗安排 實驗教改

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0155-02

Abstract：This paper analyzes the important role of the current computer composition principle experiment teaching situation and existing problems，experimental teaching in teaching computer organization，and then propose a computer composition principle experiment teaching reform ideas，and finally summarized.

Key words：experimental teaching；computer organization；experimental arrangement；experiment Reform

本文主要闡述了計算機組成原理實驗教學的改革思路。以全面提高教學質量為宗旨，以創新設計模式為主要指導思想，將硬件描述語言、先進的EDA開發工具和技術引入實驗中，逐步更新傳統硬件實驗中的陳舊內容、模式及其實驗平臺，將成為計算機組成原理實驗的一個發展趨勢。改進后的計算機組成實驗將實用性、技術的前沿性和實現實驗的趣味性很好地結合，對課程的內容有很好的對應性。從而提高了學生學習的興趣，提升了學生的就業競爭力。

1 計算機組成原理實驗教學的現狀及存在問題分析

計算機組成原理課程是計算機專業的一門核心課程，也是全國計算機專業碩士研究生入學試必考的科目之一，它在整個計算機專業課程體系中具有承上啟下的作用[1]。計算機組成原理實驗是“計算機組成原理”課程的配套實驗，屬于涉及計算機內部工作機制的硬件類實驗。在計算機技術飛速發展的今天，硬件的理論知識只有通過實驗環節才能加深理解，實驗能使學生掌握計算機硬件設計、制造、調試和運行維護等多方面的技能，訓練學生動手能力，培養創新能力及認真、嚴謹的科研作風。

《計算機組成原理》實驗教學重點是組成計算機的基本部件，包括存儲器、運算器、控制器、輸入輸出系統和連接它們之間的系統總線的構成、組織方式和工作原理；該課程的難點是如何掌握以控制流和數據流為主線，將計算機的各大部件聯系起來，建立整機概念。所以，該門課的實驗教學方法起到了至關重要的作用[3]。傳統的實驗教學方法是：首先教師講解實驗，學生再按照指導書的實驗步驟，利用現成實驗箱按部就班地進行驗證實驗，最后教師檢查實驗數據記錄。這種教學方式使學生不求甚解，根本無法直觀、形象地描述計算機內部組成的工作過程和原理。

2 計算機組成原理實驗教學改革的思路

針對目前計算機組成原理實驗教學中存在的普遍問題，作者根據在教學中曾進行過的有效嘗試提出了一些改革思路。

我院所用的計算機組成原理實驗器材是復旦大學研制的FD-CES多功能計算機實驗系統，主要包括運算器、控制器、存儲器、總線四個部件實驗和一個整機實驗。以前做實驗基本上都屬于驗證型實驗，實驗課時，教師先講一下實驗原理，然后學生就按照廠家配備的實驗板和實驗步驟進行連線和操作，很多學生只是機械的按實驗步驟連線和操作，根本不明白每步操作代表什么含義，有什么作用。為了提高學生獨立思考和解決問題的能力，我們將運算器、存儲器和總線實驗由原來的驗證型實驗改成設計型實驗。在實驗前一周，教師首先在課堂上對實驗原理進行講解，然后再把實驗電路板的線路圖復印給學生，讓學生事先對整個電路詳圖有一定的了解，實驗時，教師再結合實驗板和線路圖講清實驗板上各個芯片和信號的作用，最后由教師引導學生自行設計實驗步驟并完成實驗內容。在實驗教學中我們引入了一種新的實踐教學方法，發揮現代化的計算機，結合計算機圖形技術、網絡技術、多媒體技術進行計算機輔助實踐教學。這種教學方法將計算機中比較抽象的工作原理和工作過程以動畫的形式演示出來，讓學生能清楚地了解數據流動的過程和最終結果，更好地掌握整機的概念。采用這種教學方式更直觀、更形象、更具有吸引力。這樣能夠進一步發揮學生的能動性、提高學習興趣。

3 實驗教學內容的設計安排

實驗教學的安排按照由淺入深，循序漸進的方式進行，合理選擇實驗內容，盡量避免過多過雜。內容選擇注意舉一反三，即以啟發思維為主，對設計型、綜合型實驗只要能完成預定實驗目標即可，不苛求實驗過程與步驟的統一。實驗教師在實驗中主要起到引導的作用，實驗前的講解以重點、難點和注意事項為主，而不需要面面俱到。可以先提出一些問題，讓學生帶著問題去做、去觀察、去思考。實驗中，則應以學生為主體，讓每個同學通過操作行為感受計算機的物理過程。鼓勵學生自己修改實驗，有時學生對自己設計的實驗內容沒有把握，一旦經過操作實踐后就清楚了。他在實驗一起上修改實驗步驟，觀察修改后的結果，實際上就是了解改動部分在整個操作過程中所起的作用，這種作用的認識和理解不是通過說教得來的，而是切身經歷的、看到的，學生對它的理解、記憶就要深刻的多。

具體實驗具體的實驗內容應覆蓋計算機組成原理課程教學中的各重要方面：計算器，存儲器，時序部件，總線和整機實驗。類型分為選作和必做。每個實驗分屬驗證型、設計型或綜合型。根據以上思考，我們在實驗內容的選擇、實驗步驟的設計和實驗文檔的組織等諸方面都做了精心的考慮和安排，嘗試為“計算機組成原理”課程編寫了《計算機組成原理實驗指導書》。現列舉幾個必做實驗內容如下。endprint

3.1 實驗一：運算器部件實驗

（1）實驗類型。

設計型實驗。

（2）實驗目的。

①掌握4位函數發生器74181，先行進位發生器74182，以及多功能8位移位寄存器74198的工作原理和使用方法。

②掌握16位串/并運算器的工作原理及設計方法。

（3）實驗要求。

①用四片4位并行算術邏輯運算單元74181、一片先行進位發生電路74182、兩片74198及兩片74377等，組裝一個組間進位并行/串行可變的16位運算器（每組四位）。

②驗證集成電路74181、74198的功能。

③分別測試16位運算器組間串行進位和并行進位情況下的最大進位延遲時間。

3.2 實驗二：存儲部件實驗

（1）實驗類型。

設計型實驗（給定實驗方案，自行設計硬件連線和實驗步驟）。

（2）實驗目的。

①掌握半導體靜態RAM6116的特性和使用方法。

②掌握多片存儲器的擴展技術和片選技術。

（3）實驗要求。

①用兩片6116（2K×8）構成一個4K×8bit 的RAM。

②測量6116的讀/寫時間。

3.3 實驗三：時序電路部件實驗

（1）實驗類型。

驗證型實驗。

（2）實驗目的。

①增強對計算機時序系統的認識。

②掌握使用中小規模集成電路研制計算機時序電路的方法。

（3）實驗要求。

驗證一個性能如下的計算機時序電路如下。

①能產生四個機器周期狀態：M0，M1，M2，M3。

②每個機器周期狀態均含有四個節拍電位：T0，T1，T2，T3。

③每個節拍電位中含有三個完整的時鐘脈沖：CP1，CP2，Φ。

3.4 實驗四：總線傳輸實驗

（1）實驗類型。

設計型實驗。

（2）實驗目的。

①通過一個簡單的8位總線傳輸線路了解總線傳輸控制技術。

②熟悉幾種常用的三態輸出期間的性能和使用方法。

（3）實驗要求。

給定實驗部件，試設計連線和試驗步驟，構成一個8位單總線系統，利用它完成存儲器和寄存器的讀寫，并通過總線實現內存和存儲器之間的數據交換。

3.5 實驗五：整機實驗

（1）實驗類型。

綜合型實驗。

（2）實驗目的。

①了解多累加器計算機的特點；

②了解幾種尋址方式的控制過程；

③掌握微程序控制的計算機的設計方法，加深了解微程序的特點；

④通過設計和調試了解計算機如何執行指令，如何控制I/O設備工作。

（3）實驗要求。

對實驗儀資源進行剪裁，自行研制一臺實驗計算機。要求實驗計算機具有以下特點。

①有外部設備。

②運算器采用單累加器結構（KA、KB、KC、KR分別置于左、右、右、左）。

③操作數采用直接地址方式。

④外設和主存統一編址，當a10=0，訪問主存；a10=1，訪問外設。

⑤自編微指令格式和微程序。

⑥自編調試程序及應用程序。

4 結語

改進后的計算機組成實驗將實用性、技術的前沿性和實現實驗的趣味性很好地結合，對課程的內容有很好的對應性，具有鮮明的特點和極強的針對性，使學生不僅能親手觸摸到如今高速發展的現代計算機主流應用的開發技術，還能提高學生學習的興趣，提升學生的就業競爭力。

總之，以全面提高教學質量為宗旨，以創新設計模式為主要指導思想，將硬件描述語言、先進的EDA開發工具和技術引入實驗中，逐步更新傳統硬件實驗中的陳舊內容、模式及其實驗平臺，將成為計算機組成原理實驗的一個發展趨勢。

參考文獻

[1] 王青峽，許文林，任蜀焱.連鑄連軋課程教學改革探討與實踐[J].重慶科技學院學報：社會科學版，2012（5）：185-186.

[2] 于湛麟.Multisim在計算機組成原理實驗中的應用[J].電子設計工程，2012（15）：15-17.

[3] 白明，張健.基于GEF的計算機組成原理實驗仿真[J].實驗技術與管理，2010（9）：81-84.

[4] 陳輝，周自立.基于QuartusⅡ的ALU的實現[J].實驗科學與技術，2012（4）：67-70.endprint