計(jì)算機(jī)組成原理課程整機(jī)概念培養(yǎng)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

徐昆良

（曲靖師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程，曲靖655011）

計(jì)算機(jī)組成原理課程整機(jī)概念培養(yǎng)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

徐昆良

（曲靖師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程，曲靖655011）

1　計(jì)算機(jī)組成原理課程特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過(guò)對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、各模塊的工作原理和計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法有一個(gè)全面的了解，從而形成一個(gè)整機(jī)的概念［1］。

在實(shí)際教學(xué)中，為了讓學(xué)生真正理解各知識(shí)點(diǎn)，提高教學(xué)效果，真正解決“老師難教，學(xué)生難學(xué)、怕學(xué)”的尷尬局面，各任課教師提出了很多教學(xué)改革的方法，有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)、仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)激發(fā)學(xué)生對(duì)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣以提高教學(xué)效率［2］。有通過(guò)以模型機(jī)為切入點(diǎn)，展開(kāi)教學(xué)的嘗試［3］。也有通過(guò)加強(qiáng)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的方法［4］。還有基于建構(gòu)主義理論的教和學(xué)角色定位的教學(xué)方式改革［5］。這些教學(xué)方法的改革雖然都有一定的教學(xué)效果，但是都難以讓學(xué)生形成整機(jī)的概念。為此，本文通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生思考完成，從而了解各功能部件的工作原理，更重要的是通過(guò)實(shí)際操作使他們清楚地認(rèn)識(shí)到各部件之間的聯(lián)系。

2　實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)中涉及到存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、ALU幾個(gè)模塊。這些不同設(shè)備掛至總線上，通過(guò)總線可實(shí)現(xiàn)信息交換，實(shí)驗(yàn)框圖如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)連接原理圖

實(shí)驗(yàn)中，以完成x+y-z的運(yùn)算為例。需將數(shù)據(jù)x、y、z通過(guò)輸入單元由數(shù)據(jù)總線送入存儲(chǔ)器存放，再將x、y送入ALU的DR1和DR2寄存器完成加法運(yùn)算，運(yùn)算的中間結(jié)果送入存入存儲(chǔ)器存放，然后取出中間結(jié)果送入DR1，取出z送入DR2，完成減法運(yùn)算，最后結(jié)果存入存儲(chǔ)器。根據(jù)實(shí)驗(yàn)連接原理圖，基于教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱ZY15Comp12BB，設(shè)計(jì)得到連接線路圖如圖2所示。

圖2中，運(yùn)算器由兩片74LS181芯片構(gòu)成，ALU單元的輸出由LDPC控制，LDDR1、LDDR2控制向寄存器DR1和DR2中置數(shù)，S3、S2、S1、S0、Cn、M控制74LS181做不同的運(yùn)算。存儲(chǔ)器由6116芯片構(gòu)成，6116有CE（片選線）、OE（讀線）、WE（寫(xiě)線），實(shí)驗(yàn)中將OE常接地，當(dāng)CE=0、WE=0時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作，CE=0、WE=1時(shí)進(jìn)行讀操作，CE和WE分別由299_G和PC_G進(jìn)行控制。

圖2　實(shí)驗(yàn)連接線路圖

3　操作步驟

（1）初始化

使各個(gè)控制電平的初始狀態(tài)為：CLR=1，LDDR1= 0，LDDR2=0，ALU_G=1，SW_G=1，S3 S2 S1 S0 M CN= 111111，299_G（CE）=1，PC_G（WE）=1，LDAR=0，LDPC=1，CLR=l→0→1，將CONTROL UNIT的開(kāi)關(guān)SP05打在“NORM”狀態(tài)，“SP03”開(kāi)關(guān)設(shè)置為“STEP”狀態(tài)、“SP04”開(kāi)關(guān)設(shè)置為“RUN”狀態(tài)時(shí)。

（2）將x、y、z分別存入存儲(chǔ)器地址a、b、c單元中。具體操作步驟為：

①輸入單元數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)置地址為a；

②打開(kāi)輸入三態(tài)門(mén)，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過(guò)按START開(kāi)關(guān)產(chǎn)生T3負(fù)脈沖可將地址a存入地址寄存器；

③輸入單元數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)置數(shù)據(jù)為x；

④置299_G=0，通過(guò)使PC_G從1撥到0再撥到1產(chǎn)生負(fù)脈沖將數(shù)據(jù)x存入地址為a的存儲(chǔ)單元；

⑤重復(fù)①-④步驟可將數(shù)據(jù)y、z存入地址b、c中。

（3）將a、b單元數(shù)據(jù)取出并送入ALU單元的DR1、DR2寄存器。具體操作步驟為：

①輸入單元數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)置要取的數(shù)據(jù)地址為a；

②打開(kāi)輸入三態(tài)門(mén)，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過(guò)按START開(kāi)關(guān)產(chǎn)生T3負(fù)脈沖可將要取數(shù)據(jù)的地址a存入地址寄存器；

③關(guān)閉輸入三態(tài)門(mén)，即置SW_G=1，置299_G=0可在DATA BUS單元讀出數(shù)據(jù)x；

④置LDDR1=1，LDDR2=0，通過(guò)按PULSE開(kāi)關(guān)產(chǎn)生T4正脈沖可將數(shù)據(jù)x存入寄存器DR1；

⑤輸入單元數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)置要取的數(shù)據(jù)地址為b后，重復(fù)②-③步驟可將在DATA BUS單元讀出數(shù)據(jù)y，置LDDR1=0，LDDR2=1，通過(guò)按PULSE開(kāi)關(guān)產(chǎn)生T4正脈沖可將數(shù)據(jù)y存入寄存器DR2；

（4）將x+y運(yùn)算結(jié)果存入地址為d的單元中。具體操作步驟為：

①輸入單元數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)置地址為d；

②打開(kāi)輸入三態(tài)門(mén)，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過(guò)按START開(kāi)關(guān)產(chǎn)生T3負(fù)脈沖可將地址d存入地址寄存器；

③關(guān)閉輸入三態(tài)門(mén)，即置SW_G=1，置LDPC=0。置S3 S2 S1 S0 M CN=100101，可得x+y的運(yùn)算結(jié)果在DATA BUS單元顯示；

④置299_G=0，通過(guò)使PC_G從1撥到0再撥到1產(chǎn)生負(fù)脈沖將數(shù)據(jù)x+y存入地址為d的存儲(chǔ)單元，同時(shí)置LDPC=1。

（5）重復(fù)步驟（3）將d、c單元數(shù)據(jù)取出并送入ALU單元的DR1、DR2寄存器。具體操作為：

①輸入單元數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)置要取的數(shù)據(jù)地址為d；

②打開(kāi)輸入三態(tài)門(mén)，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過(guò)按START開(kāi)關(guān)產(chǎn)生T3負(fù)脈沖可將要取數(shù)據(jù)的地址d存入地址寄存器；

③關(guān)閉輸入三態(tài)門(mén)，即置SW_G=1，置299_G=0可在DATA BUS單元讀出數(shù)據(jù)x+y；

④置LDDR1=1，LDDR2=0，通過(guò)通過(guò)按PAULSE開(kāi)關(guān)產(chǎn)生T4正脈沖可將數(shù)據(jù)x+y存入寄存器DR1；

⑤輸入單元數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)置要取的數(shù)據(jù)地址為c后，重復(fù)②-③步驟可將在DATA BUS單元讀出數(shù)據(jù)z，置LDDR1=0，LDDR2=1，通過(guò)按PULSE開(kāi)關(guān)產(chǎn)生T4正脈沖可將數(shù)據(jù)z存入寄存器DR2；

（6）將x+y-z運(yùn)算結(jié)果存入地址為e的單元中。具體操作步驟為：

①輸入單元數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)置地址為e；

②打開(kāi)輸入三態(tài)門(mén)，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過(guò)按START開(kāi)關(guān)產(chǎn)生T3負(fù)脈沖可將地址e存入地址寄存器；

③關(guān)閉輸入三態(tài)門(mén)，即置SW_G=1，置LDPC=0。置S3 S2 S1 S0 M CN=011000，可得x+y-z的運(yùn)算結(jié)果在DATA BUS單元顯示；

④置299_G=0，通過(guò)使PC_G從1撥到0再撥到1產(chǎn)生負(fù)脈沖將數(shù)據(jù)x+y-z存入地址為e的存儲(chǔ)單元，同時(shí)置LDPC=1。

（7）將x+y-z運(yùn)算結(jié)果取出并送入OUTPUT單元顯示。具體操作步驟為：

①輸入單元數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)置地址為e；

②打開(kāi)輸入三態(tài)門(mén)，即置SW_G=0，置LDAR=1，通過(guò)按START開(kāi)關(guān)產(chǎn)生T3負(fù)脈沖可將地址e存入地址寄存器；

③關(guān)閉輸入三態(tài)門(mén)，即置SW_G=1，置299_G=0可在DATA BUS單元讀出數(shù)據(jù)x+y。

（8）連接完成的實(shí)驗(yàn)接線實(shí)物圖及如圖3所示。

4　完成實(shí)驗(yàn)的目的意義

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)連線和操作，一方面學(xué)生可以連接各模塊，構(gòu)成一個(gè)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，另一方面，通過(guò)對(duì)各信號(hào)的控制操作，了解控制器的控制過(guò)程以及運(yùn)算器的工作過(guò)程，從而在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)一步形成一個(gè)整機(jī)的概念。另外，該實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)箱為ZY15Comp12BB，若使用其他廠家的實(shí)驗(yàn)箱，可參照完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作，從而達(dá)到課程的學(xué)習(xí)目的。該實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)改革中，具有一定的參考價(jià)值。

圖3　實(shí)驗(yàn)連接實(shí)物圖

［1］唐朔飛.計(jì)算機(jī)組成原理［M］.第2版.北京：高等教育出版，2008.

［2］徐昆良.《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)方法探討究［J］.中國(guó)科技信息，2009（9）：254-256.

［3］羅福強(qiáng)，熊永福.《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的特點(diǎn)及教學(xué)改進(jìn)［J］.價(jià)值工程，2011（30）：154.

［4］楊學(xué)穎，薛素靜.《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)研究與探索［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息.2013（8）：145-149.

［5］鄭耿忠.基于建構(gòu)主義理論的《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)研究［J］.計(jì)算機(jī)教學(xué)與教育信息化，2008（11）：295-297.

Comprehensive Experiment；Whole Machine Concept Training

Comprehensive Experimental Design of Whole Machine Concept Training of Computer Organization Principle Course

XU Kun-liang
（College of Computer Science and Engineering，Qujing Normal University，Qujing 655011）

1007-1423（2015）20-0077-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.20.017

徐昆良（1979-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)硬件、軟件應(yīng)用

2015-06-19

2015-07-02

基于我校組成原理實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)將輸入單元、存儲(chǔ)單元、ALU單元、輸出單元五個(gè)部分通過(guò)線路連在一起，實(shí)驗(yàn)者作為控制器，構(gòu)成一個(gè)臺(tái)能夠完成8位數(shù)運(yùn)算的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)的完成，讓學(xué)生在各組成部分單獨(dú)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，有一個(gè)整機(jī)的概念。

綜合實(shí)驗(yàn)；整機(jī)概念培養(yǎng)

Designs a comprehensive experiment based on the principle experiment box，lines five parts of the experiment units which are the input，storage unit，ALU unit，output unit together，takes the experimenter as controller，constitutes a computer system which can set 8 digits operation，through the experiment，let the students study in separate each component on the basis of the concept of the machine.