計算機組成原理課程整機概念培養綜合實驗設計

徐昆良

（曲靖師范學院計算機科學與工程，曲靖655011）

計算機組成原理課程整機概念培養綜合實驗設計

徐昆良

（曲靖師范學院計算機科學與工程，曲靖655011）

1　計算機組成原理課程特點

計算機組成原理是計算機科學與技術專業的一門專業基礎課程，通過對該課程的學習，學生對計算機系統的基本結構、各模塊的工作原理和計算機設計方法有一個全面的了解，從而形成一個整機的概念［1］。

在實際教學中，為了讓學生真正理解各知識點，提高教學效果，真正解決“老師難教，學生難學、怕學”的尷尬局面，各任課教師提出了很多教學改革的方法，有通過網絡課程建設、仿真實驗教學系統開發激發學生對這門課程的學習產生濃厚的興趣以提高教學效率［2］。有通過以模型機為切入點，展開教學的嘗試［3］。也有通過加強理論教學和實踐教學的方法［4］。還有基于建構主義理論的教和學角色定位的教學方式改革［5］。這些教學方法的改革雖然都有一定的教學效果，但是都難以讓學生形成整機的概念。為此，本文通過設計一個綜合性實驗，讓學生思考完成，從而了解各功能部件的工作原理，更重要的是通過實際操作使他們清楚地認識到各部件之間的聯系。

2　實驗原理

實驗中涉及到存儲器、輸入設備、輸出設備、ALU幾個模塊。這些不同設備掛至總線上，通過總線可實現信息交換，實驗框圖如圖1所示。

圖1　實驗連接原理圖

實驗中，以完成x+y-z的運算為例。需將數據x、y、z通過輸入單元由數據總線送入存儲器存放，再將x、y送入ALU的DR1和DR2寄存器完成加法運算，運算的中間結果送入存入存儲器存放，然后取出中間結果送入DR1，取出z送入DR2，完成減法運算，最后結果存入存儲器。根據實驗連接原理圖，基于教學實驗箱ZY15Comp12BB，設計得到連接線路圖如圖2所示。

圖2中，運算器由兩片74LS181芯片構成，ALU單元的輸出由LDPC控制，LDDR1、LDDR2控制向寄存器DR1和DR2中置數，S3、S2、S1、S0、Cn、M控制74LS181做不同的運算。存儲器由6116芯片構成，6116有CE（片選線）、OE（讀線）、WE（寫線），實驗中將OE常接地，當CE=0、WE=0時進行寫操作，CE=0、WE=1時進行讀操作，CE和WE分別由299_G和PC_G進行控制。

圖2　實驗連接線路圖

3　操作步驟

（1）初始化

使各個控制電平的初始狀態為：CLR=1，LDDR1= 0，LDDR2=0，ALU_G=1，SW_G=1，S3 S2 S1 S0 M CN= 111111，299_G（CE）=1，PC_G（WE）=1，LDAR=0，LDPC=1，CLR=l→0→1，將CONTROL UNIT的開關SP05打在“NORM”狀態，“SP03”開關設置為“STEP”狀態、“SP04”開關設置為“RUN”狀態時。

（2）將x、y、z分別存入存儲器地址a、b、c單元中。具體操作步驟為：

①輸入單元數據開關置地址為a；

②打開輸入三態門，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過按START開關產生T3負脈沖可將地址a存入地址寄存器；

③輸入單元數據開關置數據為x；

④置299_G=0，通過使PC_G從1撥到0再撥到1產生負脈沖將數據x存入地址為a的存儲單元；

⑤重復①-④步驟可將數據y、z存入地址b、c中。

（3）將a、b單元數據取出并送入ALU單元的DR1、DR2寄存器。具體操作步驟為：

①輸入單元數據開關置要取的數據地址為a；

②打開輸入三態門，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過按START開關產生T3負脈沖可將要取數據的地址a存入地址寄存器；

③關閉輸入三態門，即置SW_G=1，置299_G=0可在DATA BUS單元讀出數據x；

④置LDDR1=1，LDDR2=0，通過按PULSE開關產生T4正脈沖可將數據x存入寄存器DR1；

⑤輸入單元數據開關置要取的數據地址為b后，重復②-③步驟可將在DATA BUS單元讀出數據y，置LDDR1=0，LDDR2=1，通過按PULSE開關產生T4正脈沖可將數據y存入寄存器DR2；

（4）將x+y運算結果存入地址為d的單元中。具體操作步驟為：

①輸入單元數據開關置地址為d；

②打開輸入三態門，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過按START開關產生T3負脈沖可將地址d存入地址寄存器；

③關閉輸入三態門，即置SW_G=1，置LDPC=0。置S3 S2 S1 S0 M CN=100101，可得x+y的運算結果在DATA BUS單元顯示；

④置299_G=0，通過使PC_G從1撥到0再撥到1產生負脈沖將數據x+y存入地址為d的存儲單元，同時置LDPC=1。

（5）重復步驟（3）將d、c單元數據取出并送入ALU單元的DR1、DR2寄存器。具體操作為：

①輸入單元數據開關置要取的數據地址為d；

②打開輸入三態門，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過按START開關產生T3負脈沖可將要取數據的地址d存入地址寄存器；

③關閉輸入三態門，即置SW_G=1，置299_G=0可在DATA BUS單元讀出數據x+y；

④置LDDR1=1，LDDR2=0，通過通過按PAULSE開關產生T4正脈沖可將數據x+y存入寄存器DR1；

⑤輸入單元數據開關置要取的數據地址為c后，重復②-③步驟可將在DATA BUS單元讀出數據z，置LDDR1=0，LDDR2=1，通過按PULSE開關產生T4正脈沖可將數據z存入寄存器DR2；

（6）將x+y-z運算結果存入地址為e的單元中。具體操作步驟為：

①輸入單元數據開關置地址為e；

②打開輸入三態門，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過按START開關產生T3負脈沖可將地址e存入地址寄存器；

③關閉輸入三態門，即置SW_G=1，置LDPC=0。置S3 S2 S1 S0 M CN=011000，可得x+y-z的運算結果在DATA BUS單元顯示；

④置299_G=0，通過使PC_G從1撥到0再撥到1產生負脈沖將數據x+y-z存入地址為e的存儲單元，同時置LDPC=1。

（7）將x+y-z運算結果取出并送入OUTPUT單元顯示。具體操作步驟為：

①輸入單元數據開關置地址為e；

②打開輸入三態門，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過按START開關產生T3負脈沖可將地址e存入地址寄存器；

③關閉輸入三態門，即置SW_G=1，置299_G=0可在DATA BUS單元讀出數據x+y。

（8）連接完成的實驗接線實物圖及如圖3所示。

4　完成實驗的目的意義

通過該實驗連線和操作，一方面學生可以連接各模塊，構成一個計算機硬件系統，另一方面，通過對各信號的控制操作，了解控制器的控制過程以及運算器的工作過程，從而在實驗環節進一步形成一個整機的概念。另外，該實驗所用實驗箱為ZY15Comp12BB，若使用其他廠家的實驗箱，可參照完成實驗設計和操作，從而達到課程的學習目的。該實驗在計算機組成原理教學改革中，具有一定的參考價值。

圖3　實驗連接實物圖

［1］唐朔飛.計算機組成原理［M］.第2版.北京：高等教育出版，2008.

［2］徐昆良.《計算機組成原理》課程教學方法探討究［J］.中國科技信息，2009（9）：254-256.

［3］羅福強，熊永福.《計算機組成原理》課程的特點及教學改進［J］.價值工程，2011（30）：154.

［4］楊學穎，薛素靜.《計算機組成原理》課程教學研究與探索［J］.農業網絡信息.2013（8）：145-149.

［5］鄭耿忠.基于建構主義理論的《計算機組成原理》課程教學研究［J］.計算機教學與教育信息化，2008（11）：295-297.

Comprehensive Experiment；Whole Machine Concept Training

Comprehensive Experimental Design of Whole Machine Concept Training of Computer Organization Principle Course

XU Kun-liang
（College of Computer Science and Engineering，Qujing Normal University，Qujing 655011）

1007-1423（2015）20-0077-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.20.017

徐昆良（1979-），男，碩士研究生，研究方向為計算機硬件、軟件應用

2015-06-19

2015-07-02

基于我校組成原理實驗箱設計一個綜合實驗，該實驗將輸入單元、存儲單元、ALU單元、輸出單元五個部分通過線路連在一起，實驗者作為控制器，構成一個臺能夠完成8位數運算的計算機系統，通過該實驗的完成，讓學生在各組成部分單獨學習的基礎上，有一個整機的概念。

綜合實驗；整機概念培養

Designs a comprehensive experiment based on the principle experiment box，lines five parts of the experiment units which are the input，storage unit，ALU unit，output unit together，takes the experimenter as controller，constitutes a computer system which can set 8 digits operation，through the experiment，let the students study in separate each component on the basis of the concept of the machine.