《計算機組成原理與系統結構》實驗教學研究與探討

【摘要】《計算機組成原理與系統結構》在電類相關專業的課程體系中占據重要的地位，實驗教學對提升課程的理論教學有著顯著的幫助。文中歸納了國內各高校計算機組成原理與系統結構課程的實驗現狀，分析了實驗教學中存在的問題，提出了應用型本科計算機組成原理與系統結構教學一些設想，并對實驗項目的設置做了有益的探討。

【關鍵詞】計算機組成原理 系統結構 實踐教學

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）16-0144-02

一、國內計算機組成原理與系統結構實驗現狀與改革

計算機組成原理與系統結構這門課程主要通過對計算機各功能部件的組成及運行原理進行分析和講解，培養學生硬件系統的認知能力。課程通過機器表示、運算方法及運算部件的講解和實驗，使學生掌握計算機的運算特征；通過存儲系統的詳細講解和實驗，使學生能從容量、速度的角度理解多層次存儲系統的組織結構和工作原理；通過總線、輸入輸出接日及外部設備等知識的講解，使學生了解計算機系統內部、計算機系統與外部的交互方式。

作為理論知識課堂教學的重要補充，實驗教學在計算機組成原理這類硬件課程中是不可缺少的。實驗教學可以幫助學生深入理解和掌握課堂所傳授的知識點，也是培養學生動手能力、自主解決問題能力和創新意識的重要方法和途徑。反之，學生通過實驗課鞏固和加強對計算機芯片的理解以及解決實際問題時所獲得的成就感，又可以促進學生對理論課程的學習興趣。

在大多數高等院校的本科教學中，計算機組成原理一直存在著“難教難學”的問題。 經分析，發現該課程 教學存在著以下幾對矛盾：

（1）理論抽象難懂而教學方法陳舊。 計算機組成原理除了講授計算機各主要功能部件的結構、 組織方式和工作原理之外，還講授主要功能部件的設計方法。 多數學生對該課程的評價是“原理難懂、概念抽象”。

（2） 實驗方法與學生創新意識培養的矛盾。計算機組成原理的課程實驗多使用實驗箱。實驗箱結構無法更改，箱內部件難以更改和擴充。受實驗箱的局限，大多采用驗證性實驗，基本步驟是在實驗箱上按實驗指導書連線后，運行并觀察結果。大多數學生上完實驗課后還無法回答出所做實驗所涉及的理論知識。這樣的實踐教學效果不理想，更重要的是無法培養學生的思維能力和創造力。

筆者所在的學院從西安唐都科教儀器有限公司購買了TD-CM++實驗設備用于教學。“TD-CM++計算機組成原理與系統結構實驗教學系統”是一套完全開放性的實驗裝置，通過實驗，可以使學生對計算機系統的基本原理有一個清晰的概念和認識。

教學實驗安排有兩種不同的方案。第一種方案是緊跟授課進度，課堂教學和教學實驗相互結合，以驗證性為主的實驗內容來鞏固所學理論知識。第二種方案是課程設計的單獨環節，讓學生集中一段時間完成大型綜合性設計，對提高學生分析問題和解決問題的能力更有利。（1）理論教學。老師在理論課上講授的理論知識。（2）隨堂驗證。課后作業加深對理論知識點的理解。（3）獨立實驗。根據計算機組成與系統結構設計相應的驗證試驗和設計實驗，進一步加深理論知識的理解。（4）課程設計。學生根據所學知識，自行設計一個模型機，這需要學生對所學理論知識融會貫通，方可完成設計任務，從而使學生能夠對計算機單機構成形成整體的認識。因此，在教改中，借助TD-CM++實驗平臺，開發設計性的實驗內容，要求學生在驗證性實驗完成的基礎上，觸類旁通，完成設計要求。獨立實驗內容安排如表1。

二、實驗項目設計

針對應用型本科學校培養目標，結合筆者學院實際情況，我們設計了四個實驗項目，如表1所示。

（一）運算器組成實驗

運算器主要完成計算機中的算術運算和邏輯運算，一般運算器有輸入寄存器，用來實現運算數據的存儲，運算結果，通過輸出總線存儲在累加器中。

a.實驗目的：熟悉簡單運算器的數據傳輸通路。掌握算術邏輯運算加、減、乘、與的工作原理。驗證運算功能發生器（74LS181）的組合功能。驗證試驗臺運算器的8位加、減、乘、與、直通功能。

b.實驗內容：1.驗證74LS181的算術運算和邏輯運算功能。2.兩16位操作數的算術運算及進位影響。3.兩16位操作數的邏輯運算及進位影響。4.不同控制組合下的算術與邏輯運算的輸出結果。

（二）存儲器實驗

存儲器用來存放計算機中正在的程序和數據，通過地址總線傳輸地址經譯碼選擇存儲單元，利用數據總線傳輸輸入或讀出對應存儲單元的信息。

a.實驗目的：1.掌握靜態隨機存儲器RAM工作特性。2.掌握靜態隨機存儲器RAM的數據讀寫方法。3.熟悉ROM芯片和RAM芯片在功能和使用方法等方面的相同和差異之處；學習用編程器設備向EEPROM芯片內寫入一批數據的過程和方法。4.理解并熟悉通過字、位擴展技術實現擴展存儲器系統容量的方案。5.了解靜態存儲器系統使用的各種控制信號之間正常的時序關系。6.加深理解存儲器部件在計算機整機系統中的作用。

b.實驗內容：1.要完成存儲器容量擴展的教學實驗，需為擴展存儲器選擇一個地址，并注意讀寫和OE等控制信號的正確狀態。2.用監控程序的D、E命令對存儲器進行讀寫，比較RAM（61XX系列）、EEPROM（28XX系列芯片）、EPROM（27XX系列芯片）在讀寫上的異同。3.用監控程序的A命令編寫一段程序，對RAM（6116）進行讀寫，用D命令查看結果是否正確。 4.用監控程序的A命令編寫一段程序，對擴展存儲器EEPROM（28 系列芯片）進行讀寫，用D命令查看結果是否正確；如不正確，分析原因，改寫程序，重新運行。

（三）微控制器實驗

時序產生器提供微程序執行時的時序信號，微程序控制器負責對微指令譯碼，發出微控制信號，通過微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行。

a.實驗目的：1.掌握時序產生器的組成原理，了解時鐘和時序信號的波形。2.掌握微程序控制器的組成原理，掌握微指令格式和各字段功能。3.掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行。

b.實驗內容：1.將微程序輸入到控制器中并校驗；2.單步運行、連續運行，觀察微程序控制器的工作原理。

（四）總線控制實驗

總線是多個系統部件之間進行數據傳送的公共通路，是構成計算機系統的骨架。借助總線連接，計算機在系統各部件之間實現傳送地址、數據和控制信息的操作。因此，所謂總線就是指能為多個功能部件服務的一組公共信息線。

a. 實驗目的：1.理解總線的概念及其特性。2.掌握總線傳輸控制特性。

b.實驗內容：實驗所用總線傳輸實驗：它將幾種不同的設備掛至總線上，有存儲器、輸入設備、輸出設備、寄存器。這些設備都需要有三態輸出控制，按照傳輸要求恰當有序的控制它們，就可實現總線信息傳輸。

三、結束語

計算機組成原理與系統結構課程理論性較強，難度大，傳統的實踐教學方法效果不佳，學生感覺計算機硬件知識抽象，動手能力得不到鍛煉。本文結合應用型本科學校計算機組成原理與系統結構教學要求和目標，提出了應用型本科計算機組成原理與系統結構實驗教學的一些設想，并進行了實踐，結果表明我們的“計算機組成原理與系統結構”實驗設計能滿足應用型本科學校計算機組成原理與系統結構教學要求。在后續工作中，我們將進一步優化實驗項目，完善計算機組成原理與系統結構實驗課程教學體系。

參考文獻：

[1]王秀芹，楊洋，劉春曉.《計算機組成原理》實驗課中巧用隨機數提高學生創新能力[J].福建電腦. 2016（10）.

[2]劉小洋，黃賢英.基于計算機組成原理課堂教學的探討[J].科技信息.2014（03）.

作者簡介：

朱霞（1980-），女，江蘇南通人，博士，講師，研究方向：計算機。