西部地、計算機組成原理實驗教學的困境與改進

池濤等

摘要分析了當前西部地區計算機組成原理實驗教學模式的不足，提出了工程導向實驗教學方法，借助開發工具變抽象為具體，構建過程化的實驗考核體系。加強實驗教學課前預習，對實驗原理進行分析，并利用Quartus軟件對實驗對象進行仿真設計；重視實驗過程創新設計，建立“驗證性[CD4/5]設計性[CD4/5]創新性”三級實踐設計，將FPGA技術嵌入到設計性實驗教學中，解決沒有體系的情況下完成關鍵部件設計難題；規范實驗報告，建立以實驗過程描述為主、實驗問題解決方案為輔的實驗報告。以案例形式將實驗系統應用到理論教學模式大大調動了學生的主動性，提高了學生的動手能力和創新能力。

關鍵詞實驗教學；Quartus軟件仿真；FPGA；工程導向；計算機組成原理

中圖分類號G6420文獻標識碼A文章編號10054634（2015）05009204

0引言

計算機組成原理是計算機專業一門重要的專業基礎必修課程，以單機系統為研究對象，重點講解計算機硬件系統的邏輯組成與工作機制，建立起計算機系統的整機概念。課程涉及的知識面廣、概念多，其工作原理講解比較抽象，學生普遍對該課程學習有懼怕情緒。特別是西部學生，對電腦的興趣僅僅停留在計算機認識的表面，熱衷玩游戲，喜軟件怕硬件，缺乏對計算機內在知識的認識和了解，造成了學生普遍感到課程抽象難懂，很難實現教學目標。

國外已有的研究成果主要包括EDA工具和FPGA芯片。常用的EDA工具是Altera公司的Quartus Ⅱ，內嵌自帶綜合器和仿真器，可通過原理圖或VHDL來具體設計計算機硬件系統的功能部件，完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD設計流程，屬于軟件仿真設計。FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）芯片技術，可根據用戶要求載入不同的邏輯，通過編程實現不同的硬件邏輯，具有可編程性、高集成度、開發周期短、硬件升級空間大等優點，屬于純硬件設計。

國內的研究主要體現在軟件模擬和基于EDA/FPGA實驗箱的實驗設計。前者以面向對象的思想，借助于圖形、圖像和模擬技術，在計算機上實現軟件模擬模型的設計。后者采用VHDL硬件描述語言實現計算機組成原理實驗，通過不同的算法來實現電路的邏輯功能，把傳統的計算機組成原理實驗移植到基于CPLD的設計思想上，提高了實驗的成功率和可擴展性。另一方面，國內的研究成果主要集中在教學模式和教學方法的探索與研究。廣西教育廳科研項目提出了“以學生為主體互動式的《計算機組成原理》課程教學模式”；河北省教育廳2009年自然科學研究項目對計算機組成原理實驗進行改進，采用多種教學方法相結合，指導學生實驗；吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目對計算機組成原理教學方法和教學手段進行了研究和探索，提出了利用網絡和多媒體構架教與學體系；浙江省自然科學基金資助項目采用Flash Action Script設計開發了計算機組成原理仿真實驗系統，用動畫動態演示程序運行時硬件的變化情況；湖南省教育科學“十二五”規劃課題研究了計算機組成原理的虛擬實驗系統。上述這些研究都是針對特定地區學生的具體問題展開，其研究成果已應用到具體的計算機組成實驗教學中。本文是以喀什師范學院為例，以西部地區高校計算機組成實驗教學為研究對象，展開調研和教學改革，并運用到具體教學中。西部高校生源大多來自本地區或其他西部欠發達地區，特別是新疆少數民族學生主要來自農村（尤其是南疆地區），近30%的學生中小學幾乎沒有接觸過計算機，僅僅會使用聊天軟件，對計算機基礎知識一無所知；其次，西部高校普遍重理論輕實踐，實驗教學多采用“教師演示，學生模擬”，教學方法單一，實驗內容沒有針對性，所以實驗效果不理想，造成了西部高校計算機專業學生動手能力總體不如內地高校的學生狀況。

1西部地區計算機組成實驗教學困境分析

《計算機組成原理》是喀什師范學院信息系的一門核心課程，課程涉及內容多、聯系面廣、難度大、內容抽象。針對累加器、寄存器、加法器和控制器的功能只能借助原理圖來講解，教學中存在理論與實踐脫節，民、漢學生普遍感到課程枯燥、抽象難懂。由于當前的計算機內部結構日趨復雜，特別是民族學生缺乏對計算機內在知識的認識，逐漸對課程產生畏懼心理。

另一方面，課程強調為學生建立計算機整機的概念，培養學生在硬件方面的專業素質和學習能力，實驗教學是本課程的重要組成。但是，喀什師范學院的實驗教學還沒有形成獨立的教學體系，僅僅作為理論教學的一個附屬品存在，實驗教學仍是注入式教學階段，采用分組演示和驗證實驗，不利于學生創新思維方法的形成。在實驗教學中，教師簡單講解實驗內容和實驗原理，學生按操作步驟完成實驗項目，得到預期結果。實驗課采用專用實驗箱，基本線路已經固定，學生只需連接少量的連線，做一些驗證性實驗。在實驗機房，學生注重的是電路連線，以便盡快完成實驗，對每個芯片的功能和工作邏輯缺乏研究，更不會對整個實驗的電路結構及實現進行分析。即使做完了實驗，也無法認識內部機理。同時，實驗內容層次少，實驗考核方法不合理。實驗內容層次少主要體現在實驗以驗證實驗為主，缺少綜合性的設計實驗和自主性的創新實驗。實驗考核多以小組為單位，每組僅少數學生認真進行實驗、多數學生蒙混過關；實驗報告質量不高，直接從《實驗指導書》上大段摘抄的實驗原理和操作步驟千篇一律，沒有學生自行思考的環節及內容，根本不能做到理論聯系實際，無法真正培養學生的動手能力和創新能力。

2實驗教學改革

計算機組成原理實驗教學改革是改變目前注入式實驗教學現狀的必要途徑。教師通過改革教學方法和內容，促使學生創新思維的形成。首先，結合實驗系統仿真軟件，提高學生在實驗前的預習質量；其次，重視實驗過程，改變單純驗證性實驗模式，建立學生手腦共用的實驗模式，充分發揮學生創新能力；最后，以案例的形式將實驗系統應用于理論教學上，使理論與實驗緊密結合；最后，構建過程化的實驗考核體系，科學量化實驗成績，提高實驗質量和效果。

21實驗教學方法改革

實驗教學方法改革是要摒棄“教師先示范，學生模仿完成實驗”的教學方法，進行實驗教學方法探索。實驗教學方法改革緊緊圍繞“借助開發工具，變抽象為具體”的基本思想，通過利用Quartus軟件仿真設計和基于FPGA實驗箱硬件設計，采用多種教學方法，激發學生實驗課學習的主動性和積極性。

1） 利用Quartus仿真軟件，建立實驗教學課前預習制度。每次實驗課前，教師先介紹實驗原理和基本芯片功能，學生必須仔細查閱芯片資料。在理解實驗原理的基礎上，利用Quartus仿真軟件完成實驗的原理圖仿真設計。由于Quartus軟件可以裝到學生自己的計算機中，每個學生都可以自行設計，所以不需要專門硬件知識和硬件設備。這樣操作的優點，可以讓學生關注計算機硬件系統的邏輯組成與工作機制，建立起計算機系統的整機概念。

2） 利用計算機動畫演示，把一些抽象知識直觀顯示。計算機組成原理實驗內容多、難度大、過程描述抽象。例如，如何實現總線、指令以及控制器的工作流程只能靠一些原理圖來講解，學生學起來枯燥、抽象、難以理解。引入計算機動畫演示，可以把時序概念直觀顯示出來，增加學生對抽象知識的感性認識。

3） 利用FPGA技術，加強實驗過程電子電路設計。實驗環境采用的是Xilinx公司基于FPGA技術的BASYS2實驗平臺，選用Verilog HDL硬件描述語言。考慮到學生沒有學習過FPGA相關課程，把所有關鍵器件進行模塊化封裝。學生采用模塊調用的方法，以各部件的數據流和控制流的協調運行為基礎，以完成各個器件的設計和定義。

4） 構建過程化的實驗考核體系。過程化的成績評定方法是將實驗成績評價覆蓋實驗教學的全過程。成績由六個部分組成，包括預習完成情況、實驗出勤率、實驗操作過程、實驗問題解答、實驗報告和實驗設計六個成績。

22實驗教學內容改革

將整個實驗分為三個層次：基礎驗證型實驗、設計應用型實驗和綜合設計型實驗，體現了“驗證性[CD4/5]設計性[CD4/5]創新性”三層實踐環節。

1） 基礎驗證型實驗。根據西部高校學生現狀，特別是民族學生的計算機基礎薄弱，學校首先引入了計算機硬件組裝實驗。實驗目的是通過學生自己動手組裝，理解主機板、CPU、內存條、硬盤，將所學知識與實際的計算機組成結構聯系起來，建立起感性認識，激起學習興趣，為后繼教學打下基礎。基礎驗證型實驗主要針對于計算機關鍵器件的工作原理和邏輯連接。目前，建立了三個基礎驗證實驗：8位進位并行加法器設計、快速乘法器設計、靜態隨機存儲器設計。

2） 設計應用型實驗。設計應用型實驗是在基礎驗證型實驗基礎上完成的，學生通過自己設計計算機的關鍵部分，主要在指令系統設計和控制單元設計環節。設計性實驗只給定實驗目的，要求學生自己查閱資料，自己進行方案設計和論證，教師只是簡單提示操作步驟和注意事項，以供學生參考。實驗最大限度的發揮了學生的動手能力和分析解決問題能力。對于在實驗過程中遇到的問題，教師應采用提示和建議，盡可能讓學生自己動手解決。目前，建立了三個設計應用型實驗：系統總線設計、組合邏輯控制器設計和微程序控制器設計。

3） 綜合設計型實驗。綜合設計型實驗是整個實驗系統中最后一個環節，它沒有標準答案，以小組為設計團隊。微處理器設計作為綜合設計型實驗，將功能描述作為評價因子，微處理器設計面向應用，可以側重運算和控制，最終根據實現功能的完整性和復雜性來評價實驗完成的質量，給出相應成績，以激發學生實驗的興趣和熱情。

3工程導向實驗教學融合案例

本課程選用的教材是唐朔飛主編的《計算機組成原理》，選用教材中的內容做實驗，保持了實驗與教材內容的基本一致行。采用基本模型機為基礎，以工程導向為參照劃分為六個模塊。基本模型機的頂層原理圖如圖1所示，其中包括實驗1～4中的六個模塊。

[TP池濤t01tif，BP]

[BT7]圖1計算機組成基本模型機的頂層原理圖[HJ5mm]

1） 頂層原理圖設計。根據實驗的目的和要求，完成面向工程的小系統原理圖設計。首先，根據實驗目的，選用合適的器件，完成各器件之間的邏輯連接。接著進行地址線和數據線定義和連接，然后完成控制信號的定義和連接，最終完成原理圖設計。本階段的設計難點和重點是選用合適的芯片。只有充分分析和理解各個芯片的功能和工作原理，才能保證所選芯片正確以及所有的邏輯連接正確，確保連接信號的完整性和無二義性，這是設計出正確無誤的原理圖的基礎。

2） 基于VHDL端口定義和調用。正確完成了原理圖設計，還需要對所有芯片進行時序控制和控制信號設計，完成基于VHDL語言接口及事件定義。例如，在ALU設計中，要求實現6種基本操作：加、減、乘、除、移位和清零，并把結果存入寄存器C中。用VHDL實現ALU時，首先需要學生自己設計一個框圖作為ALU器件，并定義其引腳，由于要完成六種運算，需建立組合邏輯電路。在定義其運算過程時應考慮其時序特性，在VHDL中可以通過使用類屬定義來實現。

3） FPGA實現。完成了VHDL定義后，需要將所有實驗邏輯下載到FPGA芯片中，進行硬件仿真調試。這是基于門陣列邏輯電路的測試，運行過程和結果都以電平邏輯呈現，特別是時序特征更是難以觀察，所以需要設定專門的輸入端口和輸出端口。例如，筆者可以使用開關量作為輸入端口，輸出則連接LED燈，通過觀察LED燈亮暗狀態來查看輸出端口中的數據，進一步測試實驗功能。如果實驗結果不正確，學生在排查問題時，只需要查看代碼和方案設計的合理性。

4結束語

本文分析了西部高校計算機組成原理在實驗教學中存在的問題，從教學方法和教學內容兩方面進行了探索并提出了改進措施。將這些改革措施運用到了實際教學中，不但使學生從本質上理解課程中枯燥的理論知識點，而且提高了學生的學習興趣和動手能力。此外，教師在教學實踐中進行了對比實驗，一組進行同屆民族班和漢班教學的對比實驗，一組觀察兩屆民族班（一個大專班和一個本科生班）的教學效果。實踐證明，采用新的教學模式，大大調動了學生理論學習和實驗操作的積極性，增強了學生分析問題和解決問題的能力，收到了顯著的成效。

參考文獻

＼[[KG-7]1[KG-4]＼] [ZK（#]唐朔飛，計算機組成原理J北京：高等教育出版社，2006：324

＼[[KG-7]2[KG-4]＼] 吳迪，謝雪炎，吳賀俊基于FPGA的計算機組成原理實驗教學探索J計算機教育，2014，（[KG-6]18）3034

＼[[KG-7]3[KG-4]＼] 魏樂，趙秋云，軟件模擬技術在計算機組成原理教學中的應用J電腦知識與技術，2014，（[KG-6]10）30313052

＼[[KG-7]4[KG-4]＼] 朱家興，付偉用VHDL實現計算機組成原理實驗中的RAM存儲器系統J紅河學院學報，2006，4（[KG-6]2）：2124

＼[[KG-7]5[KG-4]＼] 陽樹洪，楊毅以學生為主體互動式的[WW）]《計算機組成原理》課程教學模式J現代計算機，2014，（[KG-6]4）4446

＼[[KG-7]6[KG-4]＼] 鄧麗，鄧先瑞計算機組成原理實驗課程教學研究與實踐探討J煤炭技術，2010，29（[KG-6]3）：233236

＼[[KG-7]7[KG-4]＼] 徐興梅計算機組成原理教學方法和教學手段研究與探索J長春師范學院學報（自然科學版），2013，12（[KG-6]4）：146149

＼[[KG-7]8[KG-4]＼] 劉均，馮志林計算機組成原理仿真實驗系統設計與實現J浙江工業大學學報，2009，37（[KG-6]5）：486488

＼[[KG-7]9[KG-4]＼] 肖娟，張雯雯，王嵩，于芳虛擬實驗系統在計算機組成原理實驗教學改革中的應用J計算機教育，2014，（[KG-6]14）：3336