基于Logisim平臺的《計算機組成原理》實驗教學探究

邵雄凱 楊習偉

摘要：在分析現有《計算機組成原理》實驗教學現狀的基礎上，針對軟件類專業學生硬件基礎知識薄弱、一般地方高校硬件設備不足等實際情況，提出基于Logisim平臺的《計算機組成原理》實驗教學方法。采用該方法能夠降低學生實驗難度、消除軟件類專業學生對硬件實驗的畏懼心理，提高實驗效率，讓學生更好掌握CPU設計方法和過程。具體闡述了采用Logisim平臺開展實驗教學的優點、實驗教學內容設計、教學和管理方式等，可為其它高校開展《計算機組成原理》實驗教學提供參考。

關鍵詞：計算機專業;實驗教學;Logisim平臺

DOI：10.11907/rjdk.191110

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）012-0208-03

0引言

實驗教學在計算機類專業教學中一直占有重要地位，其作用不可替代。《計算機組成原理》是計算機專業的一門核心課程，在整個培養體系中起著承上啟下的作用。王志英教授等提出計算機類專業學生重在計算機系統能力培養，要建立計算機系統的整機概念和系統觀，通過《計算機組成原理》課程實驗教學，讓學生從計算機最底層建立整機概念;袁春風教授等從2008年開始采用EDA技術在FPGA上完成《計算機組成原理》課程CPU設計實驗，采用先部件級實驗，如存儲器實驗、寄存器組實驗和ALU實驗等，再到簡單的CPU設計、復雜的流水線CPU設計，最后完成20～50條MIPS指令的五段流水線CPU設計，且帶有異常處理和中斷功能;高小鵬教授提出《計算機組成原理》實驗教學要以數字邏輯課程實驗所開發的功能部件為基礎，以MIPS CPU設計為主線展開，并提出了CPU工程化綜合方法;劉衛東教授等采用支持50余條MIPS指令的計算機系統作為硬件開發平臺，并完成了指令系統模擬器、編譯器等一系列軟件系統開發，支撐硬件實驗教學平臺運行。以上方法雖好，但需要學生有良好的硬件知識基礎，對于地方普通高校而言，開展實驗難度較大。《計算機組成原理》課程實驗可以選用軟件模擬或者仿真系統加以實現。

1實驗教學現狀

《計算機組成原理》是一門偏硬件的課程，課程知識點多且面廣、概念抽象、繁雜難懂，學生學習該課程的積極性普遍不高。學生覺得“難學”，教師認為“難教”。

當前，《計算機組成原理》實驗平臺基本上采用硬件平臺，主要有兩種方式。第一種是采用固定傳統試驗箱，試驗箱帶有必需的實驗電路模塊，通過導線連接、撥動開關和編寫微程序達到實驗要求，這種實驗形式難以讓學生直觀地看到電路原理圖和部件的硬件結構，因而無法讓學生真正深入理解計算機各部件工作原理、控制信號如何產生和數據如何流動，難以建立計算機系統的整機概念;第二種是利用EDA技術在FPGA上完成實驗，所有實驗電路都可以自己設計，用某種硬件描述語言描述電路，仿真實驗結果下載到FPGA實驗版，再驗證結果。這也是當前通用的實驗方法。

無論哪一種方式，對學生硬件知識要求都較高。學生由于硬件知識基礎薄弱，動手能力不強，因此對于這門課程的實驗普遍抱有畏難情緒。學生要么搭同組“便車”、要么照抄、要么干脆逃避，難以達到理想實驗效果。

要順利完成實驗任務，學生除熟悉數字邏輯和《計算機組成原理》相關知識外，還需掌握一種硬件描述語言（如Verilog或VHDL）和一種EDA仿真平臺（如Vivado或QuartusⅡ）。實驗過程繁瑣，學生需選擇電路模式、設置芯片參數、鎖定引腳、連接USB、下載配置文件等，這一系列過程既繁瑣且容易出錯，最大問題是與實驗目標任務關系不密切，浪費很多時間，降低了實驗效果。

計算機類偏硬件專業的學生一定要克服這些困難，熟練掌握相關知識和技能。但偏軟件類專業，比如軟件工程、信息安全、大數據、數字媒體等，要求學生短時間內較好掌握硬件描述語言、熟悉軟硬件開發平臺以及繁瑣的實驗過程實屬不易，學生畏難情緒嚴重。同時對師資水平要求也較高，并且抽象的硬件描述語言難以使學生建立設計與電路的具體對應關系。因此，如果過分強調硬件上的實現，可能難以達到《計算機組成原理》課程實驗和掌握CPU設計方法的初衷。

2實驗平臺選擇與使用

2.1Logisim平臺選擇

對于偏軟件類專業，《計算機組成原理》課程及實驗的目標是讓學生掌握計算機各大部件工作原理，熟悉CPU設計方法，建立計算機系統整機概念，從而熟悉程序在計算機中執行的過程，并能夠編寫出高效率的程序，正確分析和解決程序執行過程中出現的各種問題。因此，應將實驗重點集中在對各部件原理的深入理解和CPU設計方法的掌握上，盡量減少繁瑣的硬件實驗過程，這樣更有利于提升實驗效果。

湖北工業大學偏軟件類專業實驗平臺采用Logisim仿真軟件，它是基于Java開發的應用程序，可支持任何Java環境的平臺，由于是免費開源軟件，因此也不需要商業軟件授權，不產生支付費用問題，對于經費緊張的普通高校更加適合。Logisim采用圖行化界面，便于學習、易于上手，電路圖設計和仿真非常方便高效，完全可以脫離硬件仿真環境運行。Logisim軟件占用計算機資源很小，便于學生在自己電腦上安裝和使用，實驗靈活性強，不受時間和空間限制，教師對實驗結果的檢查和驗收十分便捷。

2.2Logisim平臺使用

圖1是Logisim基本操作界面，界面簡潔、使用方便。為了讓學生盡快上手實驗，可在實驗之前講解一個完整的實驗案例，對基本操作方法、常用器件、子電路創建和使用、電路仿真測試、庫文件加載、容易出現的問題等進行詳細講解。

3實驗內容設計與組織

3.1實驗內容

為了讓學生加深對計算機各大組成部件工作原理的理解，建立計算機系統整機概念，實驗要求學生基于Logi-sim設計一個支持一定數量MIPS指令的CPU。實驗分為單元實驗和CPU設計。單元實驗項目有：運算器實驗、寄存器堆設計實驗、ALU設計實驗。在各部件實驗基礎上設計至少10條以上MIPS指令的CPU。由于學時原因，學生在實驗課學時內難以完成實驗任務，需要花費很多課外時間才能很好完成。

3.2運算器實驗

運算器實驗要求學生完成一個32位串行加法器，同時要產生各種運算結果的標志位符號：溢出（oF）、進位（cF）、符號位（sF）、零符號位（zero）。能力強的學生可完成先行進位加法器。

3.3ALU設計實驗

該實驗要求學生利用上文設計的32位加法器、Logi-sim中自帶的一些組件如多路選擇器等，完成一個算術邏輯運算單元ALU。為了服務于后面的CPU設計，該ALU需要完成“加法”、“減法”、“按位或”、“帶符號比較小于置1”和“無符號比較小于置1”等運算。Result是ALU運算結果的輸出端，ALU還需要輸出零標志ZF和溢出標志OF。ALU的輸入端是兩個32位的操作數和ALUctr信號，ALUctr信號是ALU操作控制信號生成部件的輸入信號。

ALU設計實驗可提示學生如下幾點：

（1）可控加減法器實現，可以利用異或門的特點，減法運算是利用加法器的“變反加一”實現。

（2）輸出Result的多路選擇器只有3個輸入端，分別是加減運算結果、或運算結果和比較小于置l的結果。如果需要擴展其它指令，如與（and）、異或（Xor）、或非（nor）、取反（not）、取負（neg）等，都可以直接調用Logisim庫中的器件構成邏輯電路，添加到圖2的ALU中，這些運算結果可以同時產生，只需要增加結果輸出多路選擇器的輸入端，同時增加控制信號OPctr的位數和ALUctr位數。

（3）ALU操作控制信號生成部件ALU-CTR的實現是實驗重點。首先分析add、sub、subu、slt、sltu、ori、addiu、1w、sw、beq、j指令功能，需要產生4個控制信號，分別是加減控制信號SUBctr、運算結果選擇控制信號OPctr、是否進行溢出判斷信號OVctr、ALU是進行有符號還是無符號比較的控制信號SIGctr，再分析不同操作類型的取值，最后將輸人信號ALUctr和4種控制信號一起編碼，寫出真值表，在Logisim中按照真值表就可以自動生成控制部件ALU-CTR。

3.4MIPS寄存器堆實驗

該實驗主要是讓學生構建一個MIPS寄存器組，內部包含32個32位寄存器，具有一個寫入端口和兩個讀出端口。每個寄存器的內容可通過對應的寄存器編號進行訪問，類似于一個具有多個地址端口和多個數據端口的高速存儲器。

3.5MIPS單周期CPU設計實驗

MIPS單周期CPU設計實驗，讓學生完成10條以上MIPS指令的單周期CPU設計并通過測試程序測試。CPU設計實驗在前面實驗基礎上，要添加指令譯碼器、主控制器、地址產生和轉移邏輯、位擴展等部件。控制器主要采用組合邏輯控制器。可以給學生提供圖3的單周期CPU設計框架，但具體部件設計需要學生自己實現。①指令譯碼器：本質上就是分線器，將32位的指令信息按照指令格式分出OP、Rs、Rt、Rd、shamt、funct、immediatel6、immedi-ate26信息，傳送到后面的寄存器、控制器等部件;②主控制器：按照OP和funct信號，產生每條指令執行時需要的控制信號，需要分析和寫出各類操作需要產生控制信號的真值表，再在Logisim中生成邏輯電路;③地址產生和轉移邏輯：提示學生要實現順序執行、轉移執行和無條件轉移執行3種跳轉方式及跳轉地址的產生。

設計基本過程如下：

（1）數據通路設計。通路設計不能急于求成，要進行逐條指令的分析和設計。首先，設計R-type中add、sub、subu、slt、sltu等的通路，需注意是否要判斷溢出;在此基礎上，分析I-type帶立即數運算指令的數據通路，分析需要添加哪些部件，再分析sw、1w指令的數據通路、分支指令的數據通路、無條件跳轉指令的數據通路;通過逐步添加部件，最后逐步實現完整的數據通路。其實添加新部件的過程，就是不斷添加多路選擇器的過程。

（2）控制器設計。數據通路設計完成后，就知道需要的所有控制信號。按照控制信號產生的條件，可以寫出真值表，生成控制器邏輯電路。其實控制器的設計過程，就是寫真值表的過程。

愿意深入學習的學生，可以繼續選修該課程的“課程設計”，在Logisim仿真平臺上完成從多周期CPU依次到理想流水線、轉發流水線、氣泡流水線，再到分支流水線CPU的設計。

3.6實驗測試

為了驗證CPU設計的正確性，可以使用自己設計的MIPS指令編寫測試程序。使用Mars軟件，用Edit編輯匯編源代碼，用Run菜單中的Assemble進行匯編，得到機器代碼。程序匯編后可以利用File菜單中的Dump Memory功能將代碼段和數據段導出，采用十六進制文本方式導出文件，然后在文件第一行加入“v2.0raw”即可在Logisim中加載到指令存儲器，執行測試程序，查看運行結果，驗證程序運行是否正確。

4實驗過程管理

學生在教學計劃學時內難以完成上述實驗項目，需要課外安排時間。Logisim平臺使用靈活，學生能夠方便地通過課外時間繼續完成實驗任務，但需加強監督管理和課外輔導。實驗采用小班上課形式，教師現場講解和指導，課外通過線上和線下混合式進行輔導答疑。雖然沒有嚴格的考勤，但設置有幾個關鍵模塊的完成時間和檢查點，并對進度落后的學生給予幫助。對每位學生的實驗要驗收實驗結果并答辯提問，而不僅僅只是批閱實驗報告。

5結語

在軟件仿真平臺上完成實驗，優點是能夠培養學生設計處理器的能力，加深對計算機的理解，建立整機系統概念，同時降低學生完成實驗任務的難度，提高實驗成功率;不足之處在于難以提高學生硬件系統設計和調試能力。部分有興趣的學生，可通過選修“課程設計”提高硬件設計和調試能力。