軟件模擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中的應(yīng)用

魏樂　趙秋云

摘要：針對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中存在的理論和實(shí)踐脫節(jié)、教學(xué)效果不夠明顯的問題，將軟件模擬技術(shù)引入計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中，重點(diǎn)探討了軟件模擬技術(shù)在課程中的應(yīng)用思路、應(yīng)用范圍和應(yīng)用方法，建立了“““硬件原理為目標(biāo)，軟件模擬為手段，軟硬結(jié)合，寓軟于硬，相互促進(jìn)”的計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)模式，從而進(jìn)一步提高了課程教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)了學(xué)生的編程能力和解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：工程教育；教學(xué)改革；軟件模擬；計(jì)算機(jī)組成原理；模擬程序

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）13-3031-02

Application of Software Simulation Technology in Computer Composition Principles Teaching

WEI Le， ZHAO Qiu-yun

（Computer Science Department， Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， China）

Abstract： In computer composition principles teaching， disconnection between theory and practice is universal， teaching result is unsatisfactory. To improve these problems， the software simulation technology is introduced to the teaching. This paper probes into the application design， the applicable scope and method of the technology. The paper also sets up a teaching model which takes hardware principles as teaching aims， the software simulation as teaching methods， combines the hardware an software， contains software in hardware， reinforces teaching mutually. Then， the teaching quality is improved and students ability of programming and practice is enhanced.

Key words： engineering education； teaching reform； software simulation； computer composition principles； simulation program

1 概述

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，該課程以單機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)講解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的邏輯組成與工作機(jī)制，建立起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念[1]，為培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的分析、開發(fā)、使用與設(shè)計(jì)能力打下基礎(chǔ)[2]。但從目前的實(shí)際效果來看，絕大多數(shù)高校并沒有達(dá)到該課程的教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)中存在理論與實(shí)踐脫節(jié)、學(xué)生“知其然，不知其所以然”等問題，尤其在工程教育的大背景下，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)模式與造就“適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)人才需要的，具有工程專業(yè)能力、社會(huì)意識(shí)和創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)新精神的工程師”[3]的工程教育目標(biāo)更是漸行漸遠(yuǎn)，因此對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)進(jìn)行改革是必要。

自20世紀(jì)50年代仿真技術(shù)開始應(yīng)用以來，利用強(qiáng)大的軟件模擬技術(shù)來仿真硬件的工作過程，便成為當(dāng)今國內(nèi)外計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在教學(xué)領(lǐng)域，于京生[4]等人將Multisim仿真軟件引入模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；張佩莉[5]等人將模擬教學(xué)軟件引入電子商務(wù)教學(xué)中；陳軍[6]將EWB仿真軟引入模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虞飛華[7]等人將軟件模擬技術(shù)引入計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。雖然軟件模擬技術(shù)在許多課程中實(shí)施了應(yīng)用，但具體到計(jì)算機(jī)組成原理課程中，依然存在一些問題：（1）現(xiàn)有軟件模擬技術(shù)主要應(yīng)用于構(gòu)建計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，缺乏從課程理論教學(xué)的角度對(duì)軟件模擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中的應(yīng)用思路、應(yīng)用范圍和應(yīng)用方法的探討；（2）現(xiàn)有研究不需要學(xué)生編寫代碼，不考慮學(xué)生的參與，在學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)的理解上幫助不大，無法培養(yǎng)學(xué)生的編程能力和解決實(shí)際問題的能力。

基于此，我們在“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”[8]的新型工程教育模式指導(dǎo)下，將軟件模擬技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)，對(duì)具體的應(yīng)用思路、應(yīng)用范圍和應(yīng)用方法進(jìn)行了闡述，以便提高計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力的提高，為“卓越工程師”的培養(yǎng)添磚加瓦。

2 軟件模擬技術(shù)在課程中的具體應(yīng)用

2.1 應(yīng)用思路

將軟件模擬技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)“軟硬結(jié)合，寓軟于硬，相互促進(jìn)”的目標(biāo)，是一次新的探索。因此為保證預(yù)定目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要首先確定教學(xué)方法改革的總體方案，并以此為綱，指導(dǎo)后續(xù)教學(xué)活動(dòng)的開展；接著需要針對(duì)軟件模擬技術(shù)的特點(diǎn)，梳理計(jì)算機(jī)組成原理課程知識(shí)點(diǎn)，以確定軟件模擬技術(shù)的應(yīng)用范圍，同時(shí)編寫對(duì)應(yīng)的模擬程序；隨后采用正確的方法，在課程教學(xué)中實(shí)施應(yīng)用；最后對(duì)應(yīng)用情況進(jìn)行分析總結(jié)，并建立合理的評(píng)估反饋機(jī)制，以便于持續(xù)改進(jìn)。也即是按照“方案設(shè)計(jì)→范圍確定→模擬程序編寫→教學(xué)應(yīng)用→評(píng)估反饋→分析總結(jié)”的思路實(shí)施應(yīng)用。

2.2 應(yīng)用范圍確定與模擬程序的編寫endprint

在計(jì)算機(jī)組成原理課程中，并不是所有的知識(shí)點(diǎn)都適合采用軟件模擬技術(shù)進(jìn)行模擬，因此需要按照軟件設(shè)計(jì)的思想，重新梳理計(jì)算機(jī)組成原理課程知識(shí)點(diǎn)，確定軟件模擬技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用范圍。經(jīng)過整理，我們認(rèn)為進(jìn)位計(jì)數(shù)制轉(zhuǎn)換、定點(diǎn)/浮點(diǎn)運(yùn)算、中斷過程、指令設(shè)計(jì)、ALU組成和微程序控制原理等知識(shí)適合采用軟件模擬技術(shù)，具體知識(shí)點(diǎn)和相關(guān)描述如表1所示。

表1 軟件模擬技術(shù)的應(yīng)用范圍

[章節(jié)＼&知識(shí)點(diǎn)＼&描述＼&數(shù)的表示＼&進(jìn)位計(jì)數(shù)制轉(zhuǎn)換＼&模擬十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制和二-十進(jìn)制的相互換。＼&機(jī)器數(shù)的表示＼&模擬不同字長情況下真值和原碼、反碼、補(bǔ)碼和移碼的轉(zhuǎn)換。＼&校驗(yàn)碼＼&模擬奇偶校驗(yàn)碼、海明校驗(yàn)碼和CRC碼的校驗(yàn)原理。＼&運(yùn)算方法與運(yùn)算器＼&定點(diǎn)數(shù)的四則運(yùn)算＼&模擬補(bǔ)碼加減法、原碼一位乘、補(bǔ)碼一位乘、原碼不恢復(fù)余數(shù)除法和補(bǔ)碼不恢復(fù)余數(shù)除法的運(yùn)算過程。＼&浮點(diǎn)數(shù)的四則運(yùn)算＼&在定點(diǎn)數(shù)四則運(yùn)算的基礎(chǔ)上模擬浮點(diǎn)數(shù)四則運(yùn)算的運(yùn)算過程。＼&進(jìn)位鏈邏輯＼&模擬并行進(jìn)位鏈的傳送過程。＼&ALU功能＼&模擬181芯片的功能，實(shí)現(xiàn)不同控制信號(hào)完成不同的操作。＼&CPU子系統(tǒng)＼&指令系統(tǒng)＼&模擬指令操作碼功能，實(shí)現(xiàn)不同尋址方式下的指令執(zhí)行。＼&微程序控制器＼&模擬微指令格式的擬定、微程序的編寫和微命令的產(chǎn)生。＼&存儲(chǔ)子系統(tǒng)＼&存儲(chǔ)芯片擴(kuò)展＼&模擬利用不同存儲(chǔ)芯片構(gòu)造存儲(chǔ)器的過程，包括芯片選擇、片選邏輯擬定和存儲(chǔ)框圖。＼&高速緩沖存儲(chǔ)器＼&模擬高速緩沖存儲(chǔ)器的工作過程，以動(dòng)畫的形式顯示地址映射、地址變換、調(diào)度等過程。＼&存儲(chǔ)器讀寫＼&模擬靜態(tài)存儲(chǔ)器的讀寫過程。＼&輸入輸出子系統(tǒng)＼&中斷方式＼&模擬計(jì)算機(jī)處理中斷的過程，以動(dòng)畫的形式顯示中斷請求產(chǎn)生、中斷請求傳遞、中斷響應(yīng)和中斷處理全過程。＼&]

在確定應(yīng)用范圍后即可開始模擬程序的編寫，在編寫過程中應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：

1） 盡量采用面向?qū)ο蟮乃枷耄瑢⒉考卣鞒橄蟪蓪傩?，將部件的功能抽象成方法，形成一個(gè)一個(gè)的類，這樣便于學(xué)有余力的學(xué)生在示例程序基礎(chǔ)上構(gòu)造一個(gè)模型機(jī)模擬程序；

2） 在編程實(shí)現(xiàn)工作機(jī)制的同時(shí)，要充分利用各種動(dòng)畫直觀的反應(yīng)工作機(jī)制；考慮到課程開設(shè)的時(shí)間，建議采用Java語言進(jìn)行開發(fā)；

3） 模擬程序應(yīng)該增加必要的注釋，并配備程序流程圖，便于開展教學(xué)和學(xué)生理解。

2.3 模擬程序在教學(xué)中的應(yīng)用方法

為了使軟件模擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中真正成為幫助學(xué)生理解硬件工作原理、培養(yǎng)學(xué)生編程能力和設(shè)計(jì)能力中發(fā)揮作用，我們以CDIO教學(xué)大綱為指導(dǎo)，進(jìn)行了大膽創(chuàng)新，探索出一套行之有效的應(yīng)用方法。

1） 設(shè)計(jì)合理的教學(xué)方法，將軟件模擬的思想融入課堂教學(xué)。對(duì)于可以應(yīng)用軟件模擬技術(shù)的知識(shí)點(diǎn)，除了講解原理之外，積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析，師生共同設(shè)計(jì)程序流程圖，幫助學(xué)生掌握具體工作過程，要求學(xué)生按照流程圖開發(fā)模擬程序；同一知識(shí)點(diǎn)布置對(duì)應(yīng)的作業(yè)，與模擬程序相配合，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。同時(shí)，將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的程序在課堂上演示，利用動(dòng)畫直觀的反應(yīng)對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，并為學(xué)生編寫程序提供參考。

2） 實(shí)施分組教學(xué)，小組內(nèi)形成既競爭又合作的關(guān)系。按照自愿結(jié)合、適當(dāng)調(diào)整的原則，將學(xué)生分為若干組。對(duì)于簡單的模擬程序，要求每名學(xué)生均獨(dú)立完成，但允許相互交流，同時(shí)小組內(nèi)部成員之間從功能完備性、界面友好性和代碼規(guī)范性等方面進(jìn)行相互評(píng)價(jià)；對(duì)于復(fù)雜的模擬程序，以小組為單位完成，在小組組長的協(xié)調(diào)下進(jìn)行合理分工，小組之間開展程序互評(píng)。

3） 積極組織學(xué)生參與教學(xué)，突出“學(xué)”的主體地位。在授課中教師有目的的選擇一些程序完成較好的同學(xué)或小組，在講臺(tái)上傳授經(jīng)驗(yàn)；選擇完成較差的同學(xué)或小組，也上講臺(tái)講解，在查找問題的同時(shí)，對(duì)其帶來壓力，以便后期的提高；特別是教師應(yīng)該有意識(shí)地選擇平時(shí)性格內(nèi)向、不善交流的同學(xué)走上講臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行鼓勵(lì)，突出“人”的培養(yǎng)。

4） 將模擬程序融入課程考評(píng)，完善課程評(píng)價(jià)機(jī)制。將模擬程序作為作業(yè)的一部分進(jìn)行考評(píng)，計(jì)入平時(shí)成績；在期末考試中，部分知識(shí)的考評(píng)可以要求學(xué)生通過繪制流程圖和編寫模擬程序（此時(shí)僅考慮體現(xiàn)原理，不需考慮界面、動(dòng)畫）的方式進(jìn)行。

5） 注重效果評(píng)估。對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行跟蹤、分析，以評(píng)估實(shí)際效果與預(yù)期目標(biāo)的切合程度，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果總結(jié)特色，查找不足，以便進(jìn)行改進(jìn)。

3 結(jié)論

該文從提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題能力的角度出發(fā)，將軟件實(shí)現(xiàn)與硬件原理有機(jī)結(jié)合，從應(yīng)用思路、應(yīng)用范圍、實(shí)施方法和效果評(píng)估機(jī)制等幾個(gè)方面對(duì)軟件模擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理中的應(yīng)用模式進(jìn)行了探討。在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果，克服了現(xiàn)有計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中存在的不足（課堂學(xué)生參與度不夠、理論知識(shí)掌握不扎實(shí)、學(xué)生綜合能力不強(qiáng)、理論與實(shí)踐脫節(jié)），使計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)體現(xiàn)“基礎(chǔ)性、綜合性、創(chuàng)新性”的特點(diǎn)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。下一步我們的工作是實(shí)現(xiàn)一臺(tái)模型機(jī)工作過程的模擬，開發(fā)計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在教學(xué)中實(shí)施應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[8] 李春英，湯志康.CDIO模式下的軟件工程課程設(shè)計(jì)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（6）：173-178.endprint

在計(jì)算機(jī)組成原理課程中，并不是所有的知識(shí)點(diǎn)都適合采用軟件模擬技術(shù)進(jìn)行模擬，因此需要按照軟件設(shè)計(jì)的思想，重新梳理計(jì)算機(jī)組成原理課程知識(shí)點(diǎn)，確定軟件模擬技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用范圍。經(jīng)過整理，我們認(rèn)為進(jìn)位計(jì)數(shù)制轉(zhuǎn)換、定點(diǎn)/浮點(diǎn)運(yùn)算、中斷過程、指令設(shè)計(jì)、ALU組成和微程序控制原理等知識(shí)適合采用軟件模擬技術(shù)，具體知識(shí)點(diǎn)和相關(guān)描述如表1所示。

表1 軟件模擬技術(shù)的應(yīng)用范圍

[章節(jié)＼&知識(shí)點(diǎn)＼&描述＼&數(shù)的表示＼&進(jìn)位計(jì)數(shù)制轉(zhuǎn)換＼&模擬十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制和二-十進(jìn)制的相互換。＼&機(jī)器數(shù)的表示＼&模擬不同字長情況下真值和原碼、反碼、補(bǔ)碼和移碼的轉(zhuǎn)換。＼&校驗(yàn)碼＼&模擬奇偶校驗(yàn)碼、海明校驗(yàn)碼和CRC碼的校驗(yàn)原理。＼&運(yùn)算方法與運(yùn)算器＼&定點(diǎn)數(shù)的四則運(yùn)算＼&模擬補(bǔ)碼加減法、原碼一位乘、補(bǔ)碼一位乘、原碼不恢復(fù)余數(shù)除法和補(bǔ)碼不恢復(fù)余數(shù)除法的運(yùn)算過程。＼&浮點(diǎn)數(shù)的四則運(yùn)算＼&在定點(diǎn)數(shù)四則運(yùn)算的基礎(chǔ)上模擬浮點(diǎn)數(shù)四則運(yùn)算的運(yùn)算過程。＼&進(jìn)位鏈邏輯＼&模擬并行進(jìn)位鏈的傳送過程。＼&ALU功能＼&模擬181芯片的功能，實(shí)現(xiàn)不同控制信號(hào)完成不同的操作。＼&CPU子系統(tǒng)＼&指令系統(tǒng)＼&模擬指令操作碼功能，實(shí)現(xiàn)不同尋址方式下的指令執(zhí)行。＼&微程序控制器＼&模擬微指令格式的擬定、微程序的編寫和微命令的產(chǎn)生。＼&存儲(chǔ)子系統(tǒng)＼&存儲(chǔ)芯片擴(kuò)展＼&模擬利用不同存儲(chǔ)芯片構(gòu)造存儲(chǔ)器的過程，包括芯片選擇、片選邏輯擬定和存儲(chǔ)框圖。＼&高速緩沖存儲(chǔ)器＼&模擬高速緩沖存儲(chǔ)器的工作過程，以動(dòng)畫的形式顯示地址映射、地址變換、調(diào)度等過程。＼&存儲(chǔ)器讀寫＼&模擬靜態(tài)存儲(chǔ)器的讀寫過程。＼&輸入輸出子系統(tǒng)＼&中斷方式＼&模擬計(jì)算機(jī)處理中斷的過程，以動(dòng)畫的形式顯示中斷請求產(chǎn)生、中斷請求傳遞、中斷響應(yīng)和中斷處理全過程。＼&]

在確定應(yīng)用范圍后即可開始模擬程序的編寫，在編寫過程中應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：

1） 盡量采用面向?qū)ο蟮乃枷?，將部件特征抽象成屬性，將部件的功能抽象成方法，形成一個(gè)一個(gè)的類，這樣便于學(xué)有余力的學(xué)生在示例程序基礎(chǔ)上構(gòu)造一個(gè)模型機(jī)模擬程序；

2） 在編程實(shí)現(xiàn)工作機(jī)制的同時(shí)，要充分利用各種動(dòng)畫直觀的反應(yīng)工作機(jī)制；考慮到課程開設(shè)的時(shí)間，建議采用Java語言進(jìn)行開發(fā)；

3） 模擬程序應(yīng)該增加必要的注釋，并配備程序流程圖，便于開展教學(xué)和學(xué)生理解。

2.3 模擬程序在教學(xué)中的應(yīng)用方法

為了使軟件模擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中真正成為幫助學(xué)生理解硬件工作原理、培養(yǎng)學(xué)生編程能力和設(shè)計(jì)能力中發(fā)揮作用，我們以CDIO教學(xué)大綱為指導(dǎo)，進(jìn)行了大膽創(chuàng)新，探索出一套行之有效的應(yīng)用方法。

1） 設(shè)計(jì)合理的教學(xué)方法，將軟件模擬的思想融入課堂教學(xué)。對(duì)于可以應(yīng)用軟件模擬技術(shù)的知識(shí)點(diǎn)，除了講解原理之外，積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析，師生共同設(shè)計(jì)程序流程圖，幫助學(xué)生掌握具體工作過程，要求學(xué)生按照流程圖開發(fā)模擬程序；同一知識(shí)點(diǎn)布置對(duì)應(yīng)的作業(yè)，與模擬程序相配合，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。同時(shí)，將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的程序在課堂上演示，利用動(dòng)畫直觀的反應(yīng)對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，并為學(xué)生編寫程序提供參考。

2） 實(shí)施分組教學(xué)，小組內(nèi)形成既競爭又合作的關(guān)系。按照自愿結(jié)合、適當(dāng)調(diào)整的原則，將學(xué)生分為若干組。對(duì)于簡單的模擬程序，要求每名學(xué)生均獨(dú)立完成，但允許相互交流，同時(shí)小組內(nèi)部成員之間從功能完備性、界面友好性和代碼規(guī)范性等方面進(jìn)行相互評(píng)價(jià)；對(duì)于復(fù)雜的模擬程序，以小組為單位完成，在小組組長的協(xié)調(diào)下進(jìn)行合理分工，小組之間開展程序互評(píng)。

3） 積極組織學(xué)生參與教學(xué)，突出“學(xué)”的主體地位。在授課中教師有目的的選擇一些程序完成較好的同學(xué)或小組，在講臺(tái)上傳授經(jīng)驗(yàn)；選擇完成較差的同學(xué)或小組，也上講臺(tái)講解，在查找問題的同時(shí)，對(duì)其帶來壓力，以便后期的提高；特別是教師應(yīng)該有意識(shí)地選擇平時(shí)性格內(nèi)向、不善交流的同學(xué)走上講臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行鼓勵(lì)，突出“人”的培養(yǎng)。

4） 將模擬程序融入課程考評(píng)，完善課程評(píng)價(jià)機(jī)制。將模擬程序作為作業(yè)的一部分進(jìn)行考評(píng)，計(jì)入平時(shí)成績；在期末考試中，部分知識(shí)的考評(píng)可以要求學(xué)生通過繪制流程圖和編寫模擬程序（此時(shí)僅考慮體現(xiàn)原理，不需考慮界面、動(dòng)畫）的方式進(jìn)行。

5） 注重效果評(píng)估。對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行跟蹤、分析，以評(píng)估實(shí)際效果與預(yù)期目標(biāo)的切合程度，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果總結(jié)特色，查找不足，以便進(jìn)行改進(jìn)。

3 結(jié)論

該文從提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題能力的角度出發(fā)，將軟件實(shí)現(xiàn)與硬件原理有機(jī)結(jié)合，從應(yīng)用思路、應(yīng)用范圍、實(shí)施方法和效果評(píng)估機(jī)制等幾個(gè)方面對(duì)軟件模擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理中的應(yīng)用模式進(jìn)行了探討。在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果，克服了現(xiàn)有計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中存在的不足（課堂學(xué)生參與度不夠、理論知識(shí)掌握不扎實(shí)、學(xué)生綜合能力不強(qiáng)、理論與實(shí)踐脫節(jié)），使計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)體現(xiàn)“基礎(chǔ)性、綜合性、創(chuàng)新性”的特點(diǎn)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。下一步我們的工作是實(shí)現(xiàn)一臺(tái)模型機(jī)工作過程的模擬，開發(fā)計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在教學(xué)中實(shí)施應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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在計(jì)算機(jī)組成原理課程中，并不是所有的知識(shí)點(diǎn)都適合采用軟件模擬技術(shù)進(jìn)行模擬，因此需要按照軟件設(shè)計(jì)的思想，重新梳理計(jì)算機(jī)組成原理課程知識(shí)點(diǎn)，確定軟件模擬技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用范圍。經(jīng)過整理，我們認(rèn)為進(jìn)位計(jì)數(shù)制轉(zhuǎn)換、定點(diǎn)/浮點(diǎn)運(yùn)算、中斷過程、指令設(shè)計(jì)、ALU組成和微程序控制原理等知識(shí)適合采用軟件模擬技術(shù)，具體知識(shí)點(diǎn)和相關(guān)描述如表1所示。

表1 軟件模擬技術(shù)的應(yīng)用范圍

[章節(jié)＼&知識(shí)點(diǎn)＼&描述＼&數(shù)的表示＼&進(jìn)位計(jì)數(shù)制轉(zhuǎn)換＼&模擬十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制和二-十進(jìn)制的相互換。＼&機(jī)器數(shù)的表示＼&模擬不同字長情況下真值和原碼、反碼、補(bǔ)碼和移碼的轉(zhuǎn)換。＼&校驗(yàn)碼＼&模擬奇偶校驗(yàn)碼、海明校驗(yàn)碼和CRC碼的校驗(yàn)原理。＼&運(yùn)算方法與運(yùn)算器＼&定點(diǎn)數(shù)的四則運(yùn)算＼&模擬補(bǔ)碼加減法、原碼一位乘、補(bǔ)碼一位乘、原碼不恢復(fù)余數(shù)除法和補(bǔ)碼不恢復(fù)余數(shù)除法的運(yùn)算過程。＼&浮點(diǎn)數(shù)的四則運(yùn)算＼&在定點(diǎn)數(shù)四則運(yùn)算的基礎(chǔ)上模擬浮點(diǎn)數(shù)四則運(yùn)算的運(yùn)算過程。＼&進(jìn)位鏈邏輯＼&模擬并行進(jìn)位鏈的傳送過程。＼&ALU功能＼&模擬181芯片的功能，實(shí)現(xiàn)不同控制信號(hào)完成不同的操作。＼&CPU子系統(tǒng)＼&指令系統(tǒng)＼&模擬指令操作碼功能，實(shí)現(xiàn)不同尋址方式下的指令執(zhí)行。＼&微程序控制器＼&模擬微指令格式的擬定、微程序的編寫和微命令的產(chǎn)生。＼&存儲(chǔ)子系統(tǒng)＼&存儲(chǔ)芯片擴(kuò)展＼&模擬利用不同存儲(chǔ)芯片構(gòu)造存儲(chǔ)器的過程，包括芯片選擇、片選邏輯擬定和存儲(chǔ)框圖。＼&高速緩沖存儲(chǔ)器＼&模擬高速緩沖存儲(chǔ)器的工作過程，以動(dòng)畫的形式顯示地址映射、地址變換、調(diào)度等過程。＼&存儲(chǔ)器讀寫＼&模擬靜態(tài)存儲(chǔ)器的讀寫過程。＼&輸入輸出子系統(tǒng)＼&中斷方式＼&模擬計(jì)算機(jī)處理中斷的過程，以動(dòng)畫的形式顯示中斷請求產(chǎn)生、中斷請求傳遞、中斷響應(yīng)和中斷處理全過程。＼&]

在確定應(yīng)用范圍后即可開始模擬程序的編寫，在編寫過程中應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：

1） 盡量采用面向?qū)ο蟮乃枷?，將部件特征抽象成屬性，將部件的功能抽象成方法，形成一個(gè)一個(gè)的類，這樣便于學(xué)有余力的學(xué)生在示例程序基礎(chǔ)上構(gòu)造一個(gè)模型機(jī)模擬程序；

2） 在編程實(shí)現(xiàn)工作機(jī)制的同時(shí)，要充分利用各種動(dòng)畫直觀的反應(yīng)工作機(jī)制；考慮到課程開設(shè)的時(shí)間，建議采用Java語言進(jìn)行開發(fā)；

3） 模擬程序應(yīng)該增加必要的注釋，并配備程序流程圖，便于開展教學(xué)和學(xué)生理解。

2.3 模擬程序在教學(xué)中的應(yīng)用方法

為了使軟件模擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中真正成為幫助學(xué)生理解硬件工作原理、培養(yǎng)學(xué)生編程能力和設(shè)計(jì)能力中發(fā)揮作用，我們以CDIO教學(xué)大綱為指導(dǎo)，進(jìn)行了大膽創(chuàng)新，探索出一套行之有效的應(yīng)用方法。

1） 設(shè)計(jì)合理的教學(xué)方法，將軟件模擬的思想融入課堂教學(xué)。對(duì)于可以應(yīng)用軟件模擬技術(shù)的知識(shí)點(diǎn)，除了講解原理之外，積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析，師生共同設(shè)計(jì)程序流程圖，幫助學(xué)生掌握具體工作過程，要求學(xué)生按照流程圖開發(fā)模擬程序；同一知識(shí)點(diǎn)布置對(duì)應(yīng)的作業(yè)，與模擬程序相配合，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。同時(shí)，將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的程序在課堂上演示，利用動(dòng)畫直觀的反應(yīng)對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，并為學(xué)生編寫程序提供參考。

2） 實(shí)施分組教學(xué)，小組內(nèi)形成既競爭又合作的關(guān)系。按照自愿結(jié)合、適當(dāng)調(diào)整的原則，將學(xué)生分為若干組。對(duì)于簡單的模擬程序，要求每名學(xué)生均獨(dú)立完成，但允許相互交流，同時(shí)小組內(nèi)部成員之間從功能完備性、界面友好性和代碼規(guī)范性等方面進(jìn)行相互評(píng)價(jià)；對(duì)于復(fù)雜的模擬程序，以小組為單位完成，在小組組長的協(xié)調(diào)下進(jìn)行合理分工，小組之間開展程序互評(píng)。

3） 積極組織學(xué)生參與教學(xué)，突出“學(xué)”的主體地位。在授課中教師有目的的選擇一些程序完成較好的同學(xué)或小組，在講臺(tái)上傳授經(jīng)驗(yàn)；選擇完成較差的同學(xué)或小組，也上講臺(tái)講解，在查找問題的同時(shí)，對(duì)其帶來壓力，以便后期的提高；特別是教師應(yīng)該有意識(shí)地選擇平時(shí)性格內(nèi)向、不善交流的同學(xué)走上講臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行鼓勵(lì)，突出“人”的培養(yǎng)。

4） 將模擬程序融入課程考評(píng)，完善課程評(píng)價(jià)機(jī)制。將模擬程序作為作業(yè)的一部分進(jìn)行考評(píng)，計(jì)入平時(shí)成績；在期末考試中，部分知識(shí)的考評(píng)可以要求學(xué)生通過繪制流程圖和編寫模擬程序（此時(shí)僅考慮體現(xiàn)原理，不需考慮界面、動(dòng)畫）的方式進(jìn)行。

5） 注重效果評(píng)估。對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行跟蹤、分析，以評(píng)估實(shí)際效果與預(yù)期目標(biāo)的切合程度，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果總結(jié)特色，查找不足，以便進(jìn)行改進(jìn)。

3 結(jié)論

該文從提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題能力的角度出發(fā)，將軟件實(shí)現(xiàn)與硬件原理有機(jī)結(jié)合，從應(yīng)用思路、應(yīng)用范圍、實(shí)施方法和效果評(píng)估機(jī)制等幾個(gè)方面對(duì)軟件模擬技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理中的應(yīng)用模式進(jìn)行了探討。在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果，克服了現(xiàn)有計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中存在的不足（課堂學(xué)生參與度不夠、理論知識(shí)掌握不扎實(shí)、學(xué)生綜合能力不強(qiáng)、理論與實(shí)踐脫節(jié)），使計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)體現(xiàn)“基礎(chǔ)性、綜合性、創(chuàng)新性”的特點(diǎn)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。下一步我們的工作是實(shí)現(xiàn)一臺(tái)模型機(jī)工作過程的模擬，開發(fā)計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在教學(xué)中實(shí)施應(yīng)用。

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