計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

王小林++侯漠++胡曉婷

摘 要：本文首先分析了當(dāng)前計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)環(huán)節(jié)的重要作用，然后提出了計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革思路，最后進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué) 計(jì)算機(jī)組成原理 實(shí)驗(yàn)安排 實(shí)驗(yàn)教改

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（b）-0155-02

Abstract：This paper analyzes the important role of the current computer composition principle experiment teaching situation and existing problems，experimental teaching in teaching computer organization，and then propose a computer composition principle experiment teaching reform ideas，and finally summarized.

Key words：experimental teaching；computer organization；experimental arrangement；experiment Reform

本文主要闡述了計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革思路。以全面提高教學(xué)質(zhì)量為宗旨，以創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式為主要指導(dǎo)思想，將硬件描述語(yǔ)言、先進(jìn)的EDA開(kāi)發(fā)工具和技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)中，逐步更新傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)中的陳舊內(nèi)容、模式及其實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將成為計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。改進(jìn)后的計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)將實(shí)用性、技術(shù)的前沿性和實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的趣味性很好地結(jié)合，對(duì)課程的內(nèi)容有很好的對(duì)應(yīng)性。從而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提升了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題分析

計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門核心課程，也是全國(guó)計(jì)算機(jī)專業(yè)碩士研究生入學(xué)試必考的科目之一，它在整個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系中具有承上啟下的作用[1]。計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)是“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的配套實(shí)驗(yàn)，屬于涉及計(jì)算機(jī)內(nèi)部工作機(jī)制的硬件類實(shí)驗(yàn)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，硬件的理論知識(shí)只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)才能加深理解，實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)等多方面的技能，訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力及認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)。

《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn)是組成計(jì)算機(jī)的基本部件，包括存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器、輸入輸出系統(tǒng)和連接它們之間的系統(tǒng)總線的構(gòu)成、組織方式和工作原理；該課程的難點(diǎn)是如何掌握以控制流和數(shù)據(jù)流為主線，將計(jì)算機(jī)的各大部件聯(lián)系起來(lái)，建立整機(jī)概念。所以，該門課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法起到了至關(guān)重要的作用[3]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是：首先教師講解實(shí)驗(yàn)，學(xué)生再按照指導(dǎo)書(shū)的實(shí)驗(yàn)步驟，利用現(xiàn)成實(shí)驗(yàn)箱按部就班地進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，最后教師檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。這種教學(xué)方式使學(xué)生不求甚解，根本無(wú)法直觀、形象地描述計(jì)算機(jī)內(nèi)部組成的工作過(guò)程和原理。

2 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的思路

針對(duì)目前計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的普遍問(wèn)題，作者根據(jù)在教學(xué)中曾進(jìn)行過(guò)的有效嘗試提出了一些改革思路。

我院所用的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)器材是復(fù)旦大學(xué)研制的FD-CES多功能計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、總線四個(gè)部件實(shí)驗(yàn)和一個(gè)整機(jī)實(shí)驗(yàn)。以前做實(shí)驗(yàn)基本上都屬于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)，教師先講一下實(shí)驗(yàn)原理，然后學(xué)生就按照廠家配備的實(shí)驗(yàn)板和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行連線和操作，很多學(xué)生只是機(jī)械的按實(shí)驗(yàn)步驟連線和操作，根本不明白每步操作代表什么含義，有什么作用。為了提高學(xué)生獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力，我們將運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和總線實(shí)驗(yàn)由原來(lái)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)改成設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)前一周，教師首先在課堂上對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行講解，然后再把實(shí)驗(yàn)電路板的線路圖復(fù)印給學(xué)生，讓學(xué)生事先對(duì)整個(gè)電路詳圖有一定的了解，實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師再結(jié)合實(shí)驗(yàn)板和線路圖講清實(shí)驗(yàn)板上各個(gè)芯片和信號(hào)的作用，最后由教師引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟并完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中我們引入了一種新的實(shí)踐教學(xué)方法，發(fā)揮現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助實(shí)踐教學(xué)。這種教學(xué)方法將計(jì)算機(jī)中比較抽象的工作原理和工作過(guò)程以動(dòng)畫的形式演示出來(lái)，讓學(xué)生能清楚地了解數(shù)據(jù)流動(dòng)的過(guò)程和最終結(jié)果，更好地掌握整機(jī)的概念。采用這種教學(xué)方式更直觀、更形象、更具有吸引力。這樣能夠進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性、提高學(xué)習(xí)興趣。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)安排

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安排按照由淺入深，循序漸進(jìn)的方式進(jìn)行，合理選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，盡量避免過(guò)多過(guò)雜。內(nèi)容選擇注意舉一反三，即以啟發(fā)思維為主，對(duì)設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)只要能完成預(yù)定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)即可，不苛求實(shí)驗(yàn)過(guò)程與步驟的統(tǒng)一。實(shí)驗(yàn)教師在實(shí)驗(yàn)中主要起到引導(dǎo)的作用，實(shí)驗(yàn)前的講解以重點(diǎn)、難點(diǎn)和注意事項(xiàng)為主，而不需要面面俱到?？梢韵忍岢鲆恍﹩?wèn)題，讓學(xué)生帶著問(wèn)題去做、去觀察、去思考。實(shí)驗(yàn)中，則應(yīng)以學(xué)生為主體，讓每個(gè)同學(xué)通過(guò)操作行為感受計(jì)算機(jī)的物理過(guò)程。鼓勵(lì)學(xué)生自己修改實(shí)驗(yàn)，有時(shí)學(xué)生對(duì)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒(méi)有把握，一旦經(jīng)過(guò)操作實(shí)踐后就清楚了。他在實(shí)驗(yàn)一起上修改實(shí)驗(yàn)步驟，觀察修改后的結(jié)果，實(shí)際上就是了解改動(dòng)部分在整個(gè)操作過(guò)程中所起的作用，這種作用的認(rèn)識(shí)和理解不是通過(guò)說(shuō)教得來(lái)的，而是切身經(jīng)歷的、看到的，學(xué)生對(duì)它的理解、記憶就要深刻的多。

具體實(shí)驗(yàn)具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)覆蓋計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中的各重要方面：計(jì)算器，存儲(chǔ)器，時(shí)序部件，總線和整機(jī)實(shí)驗(yàn)。類型分為選作和必做。每個(gè)實(shí)驗(yàn)分屬驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型或綜合型。根據(jù)以上思考，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇、實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)文檔的組織等諸方面都做了精心的考慮和安排，嘗試為“計(jì)算機(jī)組成原理”課程編寫了《計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》?，F(xiàn)列舉幾個(gè)必做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下。endprint

3.1 實(shí)驗(yàn)一：運(yùn)算器部件實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)類型。

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

①掌握4位函數(shù)發(fā)生器74181，先行進(jìn)位發(fā)生器74182，以及多功能8位移位寄存器74198的工作原理和使用方法。

②掌握16位串/并運(yùn)算器的工作原理及設(shè)計(jì)方法。

（3）實(shí)驗(yàn)要求。

①用四片4位并行算術(shù)邏輯運(yùn)算單元74181、一片先行進(jìn)位發(fā)生電路74182、兩片74198及兩片74377等，組裝一個(gè)組間進(jìn)位并行/串行可變的16位運(yùn)算器（每組四位）。

②驗(yàn)證集成電路74181、74198的功能。

③分別測(cè)試16位運(yùn)算器組間串行進(jìn)位和并行進(jìn)位情況下的最大進(jìn)位延遲時(shí)間。

3.2 實(shí)驗(yàn)二：存儲(chǔ)部件實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)類型。

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)（給定實(shí)驗(yàn)方案，自行設(shè)計(jì)硬件連線和實(shí)驗(yàn)步驟）。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

①掌握半導(dǎo)體靜態(tài)RAM6116的特性和使用方法。

②掌握多片存儲(chǔ)器的擴(kuò)展技術(shù)和片選技術(shù)。

（3）實(shí)驗(yàn)要求。

①用兩片6116（2K×8）構(gòu)成一個(gè)4K×8bit 的RAM。

②測(cè)量6116的讀/寫時(shí)間。

3.3 實(shí)驗(yàn)三：時(shí)序電路部件實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)類型。

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

①增強(qiáng)對(duì)計(jì)算機(jī)時(shí)序系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

②掌握使用中小規(guī)模集成電路研制計(jì)算機(jī)時(shí)序電路的方法。

（3）實(shí)驗(yàn)要求。

驗(yàn)證一個(gè)性能如下的計(jì)算機(jī)時(shí)序電路如下。

①能產(chǎn)生四個(gè)機(jī)器周期狀態(tài)：M0，M1，M2，M3。

②每個(gè)機(jī)器周期狀態(tài)均含有四個(gè)節(jié)拍電位：T0，T1，T2，T3。

③每個(gè)節(jié)拍電位中含有三個(gè)完整的時(shí)鐘脈沖：CP1，CP2，Φ。

3.4 實(shí)驗(yàn)四：總線傳輸實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)類型。

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

①通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的8位總線傳輸線路了解總線傳輸控制技術(shù)。

②熟悉幾種常用的三態(tài)輸出期間的性能和使用方法。

（3）實(shí)驗(yàn)要求。

給定實(shí)驗(yàn)部件，試設(shè)計(jì)連線和試驗(yàn)步驟，構(gòu)成一個(gè)8位單總線系統(tǒng)，利用它完成存儲(chǔ)器和寄存器的讀寫，并通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)內(nèi)存和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交換。

3.5 實(shí)驗(yàn)五：整機(jī)實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)類型。

綜合型實(shí)驗(yàn)。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

①了解多累加器計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)；

②了解幾種尋址方式的控制過(guò)程；

③掌握微程序控制的計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方法，加深了解微程序的特點(diǎn)；

④通過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)試了解計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行指令，如何控制I/O設(shè)備工作。

（3）實(shí)驗(yàn)要求。

對(duì)實(shí)驗(yàn)儀資源進(jìn)行剪裁，自行研制一臺(tái)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)。要求實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)具有以下特點(diǎn)。

①有外部設(shè)備。

②運(yùn)算器采用單累加器結(jié)構(gòu)（KA、KB、KC、KR分別置于左、右、右、左）。

③操作數(shù)采用直接地址方式。

④外設(shè)和主存統(tǒng)一編址，當(dāng)a10=0，訪問(wèn)主存；a10=1，訪問(wèn)外設(shè)。

⑤自編微指令格式和微程序。

⑥自編調(diào)試程序及應(yīng)用程序。

4 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)后的計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)將實(shí)用性、技術(shù)的前沿性和實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的趣味性很好地結(jié)合，對(duì)課程的內(nèi)容有很好的對(duì)應(yīng)性，具有鮮明的特點(diǎn)和極強(qiáng)的針對(duì)性，使學(xué)生不僅能親手觸摸到如今高速發(fā)展的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)主流應(yīng)用的開(kāi)發(fā)技術(shù)，還能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提升學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

總之，以全面提高教學(xué)質(zhì)量為宗旨，以創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式為主要指導(dǎo)思想，將硬件描述語(yǔ)言、先進(jìn)的EDA開(kāi)發(fā)工具和技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)中，逐步更新傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)中的陳舊內(nèi)容、模式及其實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將成為計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

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