《計算機組織與結構》課程虛擬仿真實驗設計

賴曉晨，遲宗正，侯剛

（大連理工大學軟件學院，大連116600）

《計算機組織與結構》課程虛擬仿真實驗設計

賴曉晨，遲宗正，侯剛

（大連理工大學軟件學院，大連116600）

《計算機組織與結構》是典型的硬件課程，課程實驗受到人員、經費、場地、設備等多方面限制。提出一套基于C語言的課程虛擬仿真實驗方案，可在PC上完成運算器、控制器、存儲器、輸入輸出系統等部件的工作原理仿真，擺脫實際硬件設備的束縛，學生需要完成部件設計的每一個環節，取得較好的教學效果。

0 引言

《計算機組織與結構》是計算機及電子相關專業的一門主干核心課程，主要講述計算機各部件的工作原理與相互關系[1]。本課程是典型的硬件課程，內容較為抽象，相比程序設計類課程來說，學生的動手機會較少[2-3]。傳統上本課程主要采用購置硬件設備來開展實驗，學生通過在設備上實際操作來理解課程原理，但是這種方式有較多局限性。從學校角度來說，必須準備相應的設備購置、維護與升級的人員和經費，為實驗安排固定的場所，以及合理排課；從學生角度來說，必須在統一的時間到實驗室開展實驗，方式不夠靈活，同時僅僅按照步驟完成既定操作，對課程原理的理解不夠深入。

本文基于多年教學實踐，開發了一套仿真實驗方案，采用C語言來模擬實現計算機內部各個部件的工作機制，具有內容深入、操作靈活、成本低、方便學生學習等特點[4]。仿真實驗要求學生從零開始編程，直至完全重現某個硬件部件的完整工作流程，在驗證課程知識的同時，使學生緊密接觸部件工作的每一個環節，變實驗驗證為實驗設計，從而對工作原理有更深入的認識。

1 實驗方案

現代計算機系統主要包括運算器、控制器、存儲器、輸入系統和輸出系統五大部分[5]，針對其中最重要的知識點，設計了8套仿真實驗，要求學生在理解部件工作原理的情況下，通過C語言編程模擬硬件的工作過程，在給定輸入的情況下得到與硬件實際工作完全一致的輸出結果。8套實驗方案說明如下：

（1）Cache映射：實現直接相聯、全相聯、組相聯三種映射下的Cache映射方式，用戶對三種映射方式可自由選擇，給定內存塊號后，自動計算出對應映射方式下的Cache塊號。

（2）循環冗余校驗碼：實現如何通過生成多項式將原始信息編碼為CRC碼，并針對接收到的CRC編碼，判斷是否有出錯位。

（3）中斷流程：實現中斷處理的五個階段的詳細流程，包括中斷請求，中斷判優，中斷響應，中斷服務，中斷返回。

（4）原碼一位乘：實現原碼一位乘法的計算過程，給定被乘數和乘數，能夠通過移位運算和加法運算得到乘積。

（5）浮點數加法：實現浮點數加法的五個步驟，包括對階、尾數相加減、規格化、舍入和判斷是否溢出，以及對上溢和下溢的處理，給定兩個浮點數，可以計算并輸出二者之和。

（6）數據尋址方式：實現了9種數據尋址方式，包括立即尋址、直接尋址、隱含尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、基址尋址、變址尋址和堆棧尋址，給定尋址方式、形式地址、相關寄存器的值，可以計算得到有效地址。

（7）流水線時空圖：實現不同流水線級數和不同指令數條件下的非流水線時空圖以及標準流水線時空圖的繪制，演示流水線加速指令執行的原理。

（8）中斷屏蔽：實現舊屏蔽字和新屏蔽字下CPU對多個任務的執行軌跡選擇。

2 實例分析

下面以中斷屏蔽實驗為例，介紹仿真案例的設計方法及實現效果。

現代計算機系統中，中斷優先級一般是由硬件排隊器決定，當有多個中斷源同時請求中斷服務時，中斷響應次序是固定的，為了能靈活地改變實際中斷處理次序，可通過設置中斷屏蔽寄存器來決定某中斷請求能否進入排隊器，從而改變中斷實際處理次序[6]。中斷屏蔽字即是用來描述中斷屏蔽狀態的一組二進制信息。但是，中斷屏蔽字不能改變CPU的響應優先級，只能改變處理優先級，即只能改變CPU實際對各中斷源請求的優先處理次序。

假設計算機系統支持4個中斷源，中斷響應優先級按 A、B、C、D 降序排列，處理優先級按 A、D、C、B 降序排列。該實驗根據中斷屏蔽的原理，首先展示在原屏蔽字下的CPU的執行軌跡，之后根據用戶自定義的中斷屏蔽字來展示CPU執行軌跡，工作流程如圖1所示。

圖1 中斷屏蔽實驗流程

實驗程序運行時，在展示原屏蔽字下的CPU執行軌跡后，用戶分別輸入4個中斷源的新屏蔽字。新屏蔽字以二進制方式輸入，最多為4位，最少可以只輸入1位，如果輸入不足4位，會默認高位為0。如果用戶輸入了相同的屏蔽字，默認先輸入的優先級大于后輸入的優先級。接下來，程序會計算新屏蔽字下4個中斷源的優先級大小，并據此輸出相應的CPU執行軌跡，實驗效果如圖2所示。

圖2 CPU執行軌跡效果圖

該實驗可根據用戶輸入的新屏蔽字輸出CPU執行軌跡坐標圖，為了適應用戶的閱讀習慣，采用第四象限坐標表示，軌跡顯示清晰明了。

3 實施情況

計算機組織與結構仿真實驗方案已在本單位投入實際使用，目前已經實施3個學期，參與學生合計6個授課班級約800余人，排除個別不可避免的抄襲情況之外，基本所有學生都能順利完成實驗。學生普遍反映編程工作量較大，但是為了程序執行正確，必須對硬件工作原理完全掌握，因而提高了本課程學習的認真程度，同時進一步鍛煉了自己的編程能力，取得了較大收獲。

4 結語

本文基于C語言，設計了一套適應計算機組織與結構課程教學要求的仿真實驗方案，共計包括8組實驗。學生能夠以更加靈活、深入的方式完成實驗，促進了對硬件工作原理的理解，在提高教學質量的同時，降低了學校的運營成本。下一步工作擬完善實驗界面顯示效果，使之更加美觀。

[1]魯鵬程,易小琳,方娟.在計算機組成原理課程中培養學生動手實踐能力[J].計算機教育,2011(12):52-54.

[2]翟海慶,趙開新,張正本.計算機組成原理課程教學的現狀與對策[J].科技信息,2009(9):131-131.

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

[4]王超.基于仿真實驗的計算機組成原理考核方式改革研究[J].計算機教育,2016(3):146-148.

[5]唐朔飛.計算機組成原理[M].第2版.北京:高等教育出版社,2008.

[6]田永紅.利用中斷屏蔽技術修改中斷優先級[J].企業技術開發,2011(11):15-16.

Design of Virtual Simulation Experiment of Computer Organization and Structure

LAI Xiao-chen，CHI Zong-zheng，HOU Gang
（School of Software,Dalian University of Technology，Dalian 116600）

Computer Organization and Structure is a typical hardware course,while the experiments are restricted by human resources,budget,funds,experimental site,equipment purchase and maintenance.Based on C programming language,raises a new experiment scheme,which can simulate the principle of units of computer,including calculator,controller,memory,input and output systems.Students need to design each part of component completely in a simulation way,get rid of the shackles of the actual hardware by this scheme,which has achieved good teaching effect to a great extent.

計算機組織與結構；硬件仿真；實驗；C語言

教育部產學合作協同育人項目（No.201602007011、No.201602015006、No.201601007002）、大連理工大學現代遠程教育教學改革基金項目（No.ZD201632）

1007-1423（2017）28-0035-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.28.009

賴曉晨（1977-），男，臺灣臺中人，博士，副教授，研究方向為嵌入式系統

遲宗正（1984-），男，山東煙臺人，碩士，工程師，研究方向為嵌入式系統

侯剛（1982-），男，遼寧沈陽人，碩士，講師，研究方向為模型檢測、形式化方法

2017-06-27

2017-09-15

Computer Organization and Structure;Hardware Simulation;Experiment;C Programming Language