“計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”實踐教學(xué)探討

文章編號：1672-5913(2008)07-0062-02

摘要：本文對計算機專業(yè)“計算機組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的實驗?zāi)繕?biāo)、實驗內(nèi)容及其課程設(shè)計的目標(biāo)與內(nèi)容進行了探討，并提出了考核方法。

關(guān)鍵詞：實驗；課程設(shè)計；實踐教學(xué)

中國分類號：G642

文獻標(biāo)識碼：B

“計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程綜合了“計算機組成原理”和“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”兩門課程的要求，是應(yīng)用型本科計算機專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課、計算機硬件與結(jié)構(gòu)方向非常重要的一門課程。其實踐課主要是為了讓學(xué)生建立計算機的整機概念，加深對計算機“時空”概念的理解和對計算機系統(tǒng)性能評測的應(yīng)用，提高應(yīng)用集成電路的基本技能，培養(yǎng)和提高獨立工作能力、實際動手能力、分析和解決問題的能力。

1實驗設(shè)備

2003年初我院加大實驗室建設(shè)投入，全面改善實驗室條件，添加了30臺西安唐都科教儀器公司推出TDN-CM++計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對各計算機部件和多種模型計算機的設(shè)計及實現(xiàn)而高水平地支持“計算機組成原理”課程的實驗教學(xué)，并通過對指令設(shè)計方法、時空并行性、指令并行性等多種計算機體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究來開展“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的實驗教學(xué)。

2實驗?zāi)繕?biāo)和內(nèi)容

運算器組成實驗?zāi)繕?biāo)是要求學(xué)生加深理解運算器的基本組成、工作原理，熟悉簡單運算器的數(shù)據(jù)傳送通路；掌握算術(shù)邏輯部件的功能原理及74LS181的功能；掌握移位電路的工作原理和使用方法；掌握運算器中通用寄存器的工作原理和使用方法；掌握運算器中運算結(jié)果判斷電路的工作原理和實現(xiàn)方法。實驗內(nèi)容主要是驗證運算器的8位加、減、與、移位、進位、直通功能；驗證4位乘4位功能。按給定的數(shù)據(jù)，完成幾種指定的算術(shù)和邏輯運算。其中大部分屬于簡單的驗證式實驗。還可以讓學(xué)生自行探索實驗步驟和任務(wù)。比如，學(xué)生驗證完運算器的加運算之后，再讓學(xué)生自行探索減法的實驗步驟并完成相應(yīng)任務(wù)。

存儲系統(tǒng)實驗?zāi)繕?biāo)是要求學(xué)生理解計算機主存儲的作用，掌握存儲器的構(gòu)成；掌握半導(dǎo)體靜態(tài)隨機存取存儲器(RAM)的工作原理及讀寫方法；掌握用存儲器芯片構(gòu)成主存儲器時，如何進行字/片選技術(shù)，了解使用半導(dǎo)體存儲器電路時的定時要求。實驗內(nèi)容主要是對存儲器存儲單元進行先寫后讀，屬于簡單的驗證式實驗。還可以讓學(xué)生自行設(shè)計實現(xiàn)存儲器容量的擴展。

控制器實驗?zāi)繕?biāo)是要求學(xué)生加深理解計算機控制器中時序控制部件、指令部件、地址部件、操作控制部件的基本組成和工作原理；掌握微程序控制器的基本組成、微指令格式、設(shè)計方法、寫入過程、執(zhí)行過程；掌握硬布線控制器的組成原理和設(shè)計方法。實驗內(nèi)容主要是微程序控制器中微指令編制、寫入、執(zhí)行過程；硬布線控制器的指令執(zhí)行過程。屬于有一定難度的驗證式實驗。還可以讓學(xué)生根據(jù)設(shè)備本身的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計微程序、寫入并運行。

總線控制實驗?zāi)繕?biāo)是要求學(xué)生熟悉總線的概念、作用及特性；掌握用總線傳輸數(shù)據(jù)的控制原理和方法；掌握總線仲裁的方式及方法。實驗內(nèi)容主要是控制總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)由輸入設(shè)備通過總線向通用寄存器或者存儲器傳送。屬于驗證和設(shè)計式實驗。

模型計算機實驗?zāi)繕?biāo)是要求學(xué)生通過模型計算機實驗理解計算機的工作原理、性能評價標(biāo)準(zhǔn)和方法，以及計算機的“時空”概念。建立計算機的整機概念，為后邊的模型計算機的設(shè)計打下基礎(chǔ)。實驗內(nèi)容主要是基本模型計算機實驗，復(fù)雜模型計算機實驗，用CPLD實現(xiàn)模型計算機實驗，基于RISC處理器的模型計算機實驗，基于重疊技術(shù)的模型計算機實驗，基于流水線技術(shù)的模型計算機實驗。屬于驗證式實驗。

3課程設(shè)計的目標(biāo)和內(nèi)容

在學(xué)期快要結(jié)束的時候，專門留出來一兩周時間讓學(xué)生進行“計算機組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的課程設(shè)計，主要內(nèi)容是模型計算機的設(shè)計。要求根據(jù)設(shè)備情況，自行設(shè)計指令系統(tǒng)(包括算術(shù)邏輯運算指令、訪存指令、轉(zhuǎn)移控制指令、I/O指令和停機指令)的微程序來控制模型計算機實現(xiàn)功能。并且要求各組課程實踐人員設(shè)計的指令系統(tǒng)各不相同，基于的設(shè)備或技術(shù)也不相同。比如設(shè)計指令系統(tǒng)實現(xiàn)基本模型計算機、基于CPLD的模型計算機、基于RISC處理器的模型計算機、基于重疊技術(shù)的模型計算機、基于流水線技術(shù)的模型計算機。

4考核方法

實驗報告主要包含預(yù)習(xí)報告、原始記錄和總結(jié)報告三部分。學(xué)生在做實驗之前自己組織時間查詢資料書寫實驗預(yù)習(xí)報告(包括實驗的目的、要求、內(nèi)容和步驟)。在實驗室做實驗前，指導(dǎo)教師根據(jù)預(yù)習(xí)報告書寫情況給出相應(yīng)等級的成績并記錄在實驗報告上(包括教師簽名和日期)，然后指導(dǎo)教師講解本次實驗的目的、步驟及注意事項。實驗過程中，要求學(xué)生認真填寫實驗記錄(包括實踐/調(diào)試過程，實驗結(jié)果)，在實驗結(jié)束前10分鐘由指導(dǎo)教師在實驗報告上給出成績(包括教師簽名和日期)。實驗結(jié)束后學(xué)生在實驗報告上寫出本次實驗的總結(jié)報告(包括實驗結(jié)論，實驗討論，實驗清單)，下次做實驗時再交上實驗報告，由指導(dǎo)教師填寫學(xué)生該次實驗的最終成績(包括教師簽名和日期)。實驗成績占本課程最終成績的20%。

課程設(shè)計的考核內(nèi)容分四大項。系統(tǒng)程序設(shè)計情況(占20%)，主要是針對系統(tǒng)程序的可用性、實用性、通用性和可擴充性。學(xué)生動手能力(占20%)，主要是針對學(xué)生設(shè)計思路的開擴性和創(chuàng)新能力。報告總結(jié)(占10%)，主要是針對學(xué)生資料完成、條理清晰情況。答辯情況(占50%)，主要是程序能正確運行情況(10%)，設(shè)計錯誤的改正情況或按要求改變執(zhí)行結(jié)果(20%)，問題回答情況(20%)。由至少兩位課程設(shè)計指導(dǎo)教師同時參與答辯，并對答辯情況量化。課程設(shè)計單獨另算一個學(xué)分。

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